Black Holes, Wormholes And Time Machines - Jim Al-Khalili [#7]

RUANG > BAB 2 - MENGENAI GRAFITASI

Jatuh bebas

Kebanyakan kita takkan pernah mendapat kesempatan mengalami situasi di atas, jadi berikut terdapat rujukan lain untuk menjelaskan poin ini.

Jika Anda cukup berani (nekad?) untuk melaksanakan bungy jump, Anda akan diampuni kalau merasa bahwa, seraya Anda jatuh ke permukaan planet dan berakselerasi sepanjang waktu, tarikan gravitasi belum pernah senyata itu atau terasa lebih dramatis. Nyatanya, yang terjadi yaitu sebaliknya. Ini mungkin juga sekali-kalinya dalam hidup Anda di mana agresi gravitasi sama sekali mati dan Anda dikatakan ‘jatuh bebas’. Selama beberapa detik meriangkan itu Anda mengalami gravitasi nol. Seolah-olah gravitasi kesannya telah memperoleh apa yang dimauinya dan Anda sedang melaksanakan apa yang telah ia usahakan selama ini biar Anda melakukannya. Biasanya terdapat tanah padat di bawah kaki Anda yang merusak keadaan. Jadi, tugasnya selesai, gravitasi untuk sementara telah mangkir dari dinas. Lebih tepatnya, ketimbang menyebut gravitasi absen, kita katakan ia telah dihapuskan sama sekali oleh akselerasi Anda. Sensasi jatuh bebas yaitu yang dirasakan astronot selama mereka mengapung di ruang angkasa jauh dari gravitasi Bumi (atau di orbit sekeliling Bumi). Tak heran mereka harus menjalani training keras untuk mengatasi mabuk angkasa. Adalah menenangkan jikalau berpikir perjalanan antariksa merupakan bungy jump panjang!

Jadi apa maksudnya mengalami gravitasi nol? Katakanlah, dikala Anda jatuh, Anda ‘menjatuhkan’ sebuah kerikil yang telah Anda genggam. Karena jatuh pada laju yang sama dengan Anda, ia akan bergerak di samping Anda.8 Cara fisikawan memandang ini, jikalau ia punya kesadaran untuk berhenti menjerit wacana betapa hidup perasaannya dan mengabaikan tanah yang muncul menyambutnya, yaitu dengan mengesampingkan semua hal di sekelilingnya dan membayangkan hanya dirinya dan kerikil itu yang eksis. Nah kerikil terlihat mengapung di udara di sebelahnya, sebagaimana objek-objek mengapung dalam gravitasi nol di angkasa. Inilah mengapa, dalam rujukan roket, Anda takkan sanggup memutuskan, tanpa memandang keluar, apakah roket sedang bergerak menerobos atmosfer Bumi dalam jatuh bebas ataukah mengapung di angkasa.

Contoh-contoh menyerupai yang telah saya gambarkan barusan disebut eksperimen pikiran lantaran kita tidak harus mengalaminya secara fisik untuk mengumpulkan beberapa pemahaman mengenai kerja alam. Einstein sangat gemar pada pendekatan semacam ini alasannya yaitu ia menghabiskan waktunya dengan duduk dan berpikir, ketimbang bekerja di laboratorium menjalankan eksperimen sungguhan. Dia menyebutnya eksperimen gedanken (‘gedanken’ yaitu bahasa Jerman untuk ‘pikiran’). Tentu saja, bungy jump dan tunggangan simulator di bazar yang mempertontonkan klip-klip dari Star Wars bukanlah rujukan yang sanggup dimintainya bantuan.

Apa kaitan semua ihwal akselerasi ini dengan ide-ide Einstein soal ruang melengkung? Rasanya saya masih harus menjelaskan sedikit lebih banyak. Sekarang kita harus kembali ke rujukan roket. Ingat sedikit, kala Anda bangkit dan tak sanggup memutuskan, tanpa mengobrol dan memandang keluar, apakah roket masih harus lepas landas atau sedang berakselerasi pada satu ‘g’ di angkasa? Ada eksperimen gedanken tertentu yang harus Anda jalani sekarang. Berdiri di satu sisi roket dan lemparkan bola secara horisontal menyeberangi roket, sebagaimana pada gambar 2.1(a). Bola akan mengikuti trayektori melengkung dan mengenai sisi lain pada satu titik di bawah titik yang semestinya ia kenai seandainya ia menempuh garis lurus. Inilah persis yang kita duga akan terjadi jikalau roket masih berdiri di landasan luncur, dengan bola mematuhi aturan gravitasi.

Gambar 2.1. (a) Bola yang dilempar di
bawah imbas gravitasi Bumi akan
mengikuti trayektori melengkung. (b)
Bola yang dilempar ketika roket berada
dalam gravitasi nol akan mengikuti
trayektori garis lurus seandainya roket
bergerak dengan kecepatan konstan.
Tapi jikalau roket berakselerasi, sebagaimana
pada gambar ini, pelempar akan melihat
jalur bola melengkung ke bawah alasannya yaitu
roket sedang bergerak lebih cepat daripada
bola sewaktu bola mencapai sisi lain.

Jika roket kini sedang berakselerasi, Anda semestinya, berdasarkan prinsip ekuivalensi, melihat bola mengikuti trayektori melengkung pula. Seandainya roket mengapung bebas di angkasa dengan mesinnya mati (yakni meluncur pada kecepatan konstan), ia akan membawa bola bersamanya dan Anda akan melihat bola menyeberang dalam garis lurus. Ini lantaran bola dan roket mempunyai kecepatan ‘naik’ yang sama. Tapi jikalau roket sedang berakselerasi, sebagaimana pada gambar 2.1(b) (perhatikan, gambar kanan yaitu sepecahan detik lalu sehabis gambar kiri), maka bola tidak akan mencicipi akselerasi ini dikala terbang menyeberangi roket. Kaprikornus pada waktu bola mencapai sisi lain, roket sedang bergerak sedikit lebih cepat daripada ketika bola meninggalkan tangan Anda. Titik di dinding seberang, di mana bola semestinya menghantam, akan bergeser ke atas sedikit dan trayektorinya akan tampak melengkung bagi Anda. Prinsip ekuivalensi benar. Walaupun klarifikasi trayektori melengkung berbeda dalam kedua kasus, imbas yang Anda amati sama.

Berikutnya, sebagai ganti melempar bola menyeberangi roket, sorotkan obor ke dinding seberang tadi supaya sorot cahaya terarahkan secara horisontal. Jika Anda punya peralatan yang cukup sensitif, Anda akan mendapati sorot cahaya menekuk sedikit ke bawah menuju punggung/dasar roket. Ini yaitu imbas yang sanggup kita pahami dengan cukup gampang jikalau roket berakselerasi di angkasa alasannya yaitu kita akan menggunakan argumentasi yang sama dengan masalah bola. Walaupun cahaya dari obor menyeberangi roket secara amat cepat, ia masih perlu waktu terhingga yang selama itu roket telah memperoleh sedikit kecepatan perhiasan dan telah sedikit bergerak maju.

Persoalan yang mungkin Anda miliki yaitu meyakini sorot cahaya akan mengikuti jalur melengkung yang sama bila roket berdiri di permukaan Bumi. Tapi prinsip ekuivalensi menaklukkan semuanya, dan cahaya ternyata tidak berbeda dengan bola. Di Bumi pun jalur cahaya sedikit melengkung ke bawah sebanyak besaran yang sama dengan kelengkungannya dalam roket berakselerasi.

Cahaya tidak berbobot sama sekali9, lantas bagaimana sanggup ia ditekuk oleh gravitasi? Bagaimanapun, massa sanggup dianggap sebagai energi beku, dan sudah niscaya cahaya mempunyai energi, jadi mungkin kita sanggup menganggapnya mempunyai berat dan tak boleh terkejut jikalau ia berperilaku menyerupai objek-objek materil dan tertarik ke bawah oleh gravitasi Bumi. Nyatanya, Newton sendiri telah menyatakan, cahaya tersusun dari sederet partikel-partikel amat kecil yang akan dipengaruhi oleh gravitasi sebagaimana bola. Tapi saya khawatir kita akan mendapat jawaban yang keliru untuk besaran kelengkungan yang kita lihat jikalau menggunakan pendekatan Newton. Jika kita mengkalkulasi besaran penekukan yang semestinya terlihat pada jalur sorot cahaya, berdasarkan argumen Newton bahwa cahaya mempunyai massa dan ditarik oleh gravitasi, jawaban yang kita peroleh hanya setengah dari harga yang betul-betul kita ukur dengan peralatan sensitif kita. Karenanya niscaya ada yang salah dengan aturan gravitasi Newton, setidaknya dalam menggambarkan imbas gravitasi terhadap cahaya.

Argumentasi Einstein berbeda secara radikal. Penjelasannya membuang gaya gravitasi sama sekali. Malah, ia menyebut semua objek materil di Alam Semesta akan mensugesti ruang dan waktu di sekitar mereka yang menyebabkan keduanya melengkung. Jadi, ketimbang berpikir dalam perspektif Bumi yang mengerahkan sebuah ‘gaya’ terhadap kita, apel, Bulan, bola, dan sorot cahaya, yang menarik segala sesuatu ke arahnya, Einstein mengklaim Bumi menyebabkan ruang di sekelilingnya melengkung. Nah, semua objek yang bergerak di daerah ruang ini sederhananya mengikuti garis lengkungan. Tak ada gaya yang menjaga Bulan tetap di orbit dan tak ada gaya yang menarik sorot cahaya dalam roket membisu ke bawah menuju Bumi. Segalanya bergerak bebas, tapi bergeraknya di sepanjang sebuah jalur yang senantiasa menjadi rute terpendek yang tersedia. Jika ruang yaitu flat, jalur ini akan berupa garis lurus, tapi lantaran ruang tempat mereka bergerak yaitu melengkung, maka begitu pula jalur yang diambilnya. Jalur semacam ini di ruang melengkung10 disebut geodesik.

Einstein menyebarkan wangsit ini selama periode menjelang Perang Dunia I. Dia merampungkannya, teori relativitas umumnya, pada 1915. Tapi dunia harus menunggu hingga 1919 sebelum teori tersebut diverifikasi secara eksperimen.

Einstein menyatakan, gravitasi Matahari akan menekuk jalur cahaya yang mencapai kita dari bintang-bintang jauh jikalau cahaya tersebut berpapasan cukup erat dengan Matahari dalam perjalanannya menuju Bumi. Namun masalahnya, ketika bintang berada di petak langit yang sama dengan Matahari, cahaya matahari yang cerlang menciptakan kita tidak mungkin sanggup melihat bintang tersebut.

Astronom harus menunggu gerhana matahari total, dikala Bulan bergerak di antara Matahari dan Bumi dan menghalangi cahaya matahari, untuk menguji teori Einstein. Pada 1919, astrofisikawan Inggris, Sir Arthur Eddington, memimpin sebuah ekspedisi ke hutan Amazon yang berhasil memotret gerhana matahari dan mengukur sudut defleksi kecil cahaya bintang tertentu jawaban medan gravitasi Matahari. Itu merupakan pengukuran sulit, tapi pertanda Einstein benar. Itu menjadi tajuk utama di seluruh dunia, dan nama Einstein pun dikenal luas.

8. Inilah eksperimen yang diduga dilakukan Galileo dari puncak Menara Pisa— tidak, ia tidak melaksanakan bungy jump—dengan mengatakan bahwa semua objek jatuh pada laju yang sama tak peduli berapapun berat mereka (sepanjang mereka tidak begitu ringan sehingga terpengaruh oleh kendala udara menyerupai kertas atau bulu). 9 Terima saja ini untuk sementara. Saya akan menjelaskannya lebih lanjut di Bab 6. Yang saya maksud tentu saja yaitu bahwa cahaya tidak mempunyai sesuatu yang disebut massa diam. 10 Lagi-lagi saya tekankan, semestinya saya memperbincangkan ruangwaktu empat dimensi daripada ruang tiga-dimensi semata. Beberapa rujukan dan analogi yang saya gambarkan dalam buku ini hanya untuk membantu Anda mendapat perasaan umum terhadap subjek ini dan tak boleh diambil serius. Untuk memperoleh pemahaman yang lebih akurat wacana apa yang terjadi tidaklah gampang dan di luar lingkup buku ini.