Bagaimana Einstein Membangun Teori Relativitas

Pada tanggal 14 Desember 1922 Albert Einstein menyampaikan kuliah umum di depan mahasiswa Kyoto Imperial University tentang ide-ide yang melatarbelakangi lahirnya teori relativitas khusus dan umum. Ini adalah bagian lawatan Einstein ke Jepang selama 43 hari bersama istrinya, Elsa. Selama itu ia harus memberikan kuliah untuk para fisikawan dan publik umum.

Catatan kuliah ini di terbitkan tahun berikutnya oleh majalah bulanan Jepang, Kaizo. April 2005, Prof. Masahiro Morikawa dari Ochanomizu University menerjemahkannya ke bahasa Inggris dalam bulletin Asosiasi Himpunan Fisikawan Asia Pasifik. Selanjutnya diterjemahkan dalam bahasa Indonesia oleh seorang fisikawan bernama Terry Mart.

Ide Einstein dalam membangun teori relativitas muncul tahun 1905, karena permasalahan optik pada benda-benda yang bergerak. Cahaya merambat dalam lautan eter dan Bumi bergerak dalam eter  yang sama. Oleh karena itu, gerakan eter haruslah dapat diamati dari Bumi. Namun Einstein tidak menemukan bukti pengamatan aliran eter dalam literature fisika. Einstein sangat terdorong untuk membuktikan aliran eter relatif terhadap bumi atau dengan kata lain gerakan bumi di dalam eter. Saat itu Einstein sama sekali tidak meragukan eksistensi eter serta gerakan eter tersebur.

Sebenarnya Einstein mengharapkan kemungkinan pengamatan pada perbedaan antara kecepatan cahaya yang bergerak searah dengan gerakan bumi dan cahaya yang bergerak berlawanan (dengan bantuan pantulan cermin). Ide ini diwujudkan dengan menggunakan sepasang termokopel untuk mengukur perbedaan panas atau energi cahaya tersebut. Percobaan ini mirip dengan eksperimen interferensi Albert A. Michelson, namun saat itu Einstein tidak begitu familier dengan eksperimen Michelson tersebut.

Einstein mengetahui tentang hasil-nihil (nult-result) eksperimen Michelson di saat masih mahasiswa dan sejak saat itu ia terobsesi dengan idenya. Secara intuisi, Einstein merasakan bahwa jika menerima hasil-nihil tersebut, maka ia akan mengantarkan pada suatu kesimpulan bahwa pandangan tentang bumi yang bergerak di dalam ether adalah salah. Ini adalah langkah pertama yang menarik Einstein ke arah teori relativitas khusus. Sejak saat itu Einstein mulai yakin bahwa jika bumi bergerak mengelilingi Matahari maka gerakannya tidak pernah dapat dideteksi dengan eksperimen cahaya.

Tahun 1895 Einstein membaca makalah Hendrik Lorentz (Belanda, 1853-1928) yang mengklaim bahwa ia dapat memecahkan problem elektrodinamika seutuhnya melalui pendekatan pertama, yaitu suatu pendekatan di mana pangkat dua atau lebih dari rasio antara kecepatan benda dan kecepatan cahaya diabaikan. Setelah itu Einstein mencoba mengembangkan argumen Lorentz pada hasil eksperimen Armand Fizeau (Perancis, 1819-1896) dengan mengasumsikan bahwa persamaan gerak elektron, sebagaimana telah dibuktikan Lorentz berlaku dengan sistem koordinat baik yang mengacu pada benda bergerak maupun pada vakum.

Einstein yakin dengan keabsahan elektrodinamika yang disusun oleh Maxwell dan Lorentz dapat menjelaskan dengan tepat fenomena alam yang sebenarnya. Lebih-lebih pada fakta bahwa persamaan yang sama berlaku dalam sistem koordinat bergerak serta sistem vakum, jelas memperlihatkan sifat invariant (tidak berubah) cahaya.

Walau demikian, kesimpulan ini bertentangan dengan hukum komposisi kecepatan yang dianut saat itu. Dua hukum dasar ini bertentangan satu sama lain. Masalah ini membuat Einstein berpikir keras. Einstein harus menghabiskan waktu setahun penuh dengan sia-sia mengeksplorasi kesempatan memodifikasi teori Lorentz.

Suatu hari Einstein berdiskusi penting membicarakan masalah ini dengan temannya di Bern yang akhirnya membawa Einstein pada jawaban tersebut, yaitu berkenaan dengan konsep waktu. Waktu tidak boleh didefinisikan apriori sebagai suatu realitas absolut. Waktu harus bergantung pada kecepatan sinyal. Masalah besar tersebut dapat diselesaikan dengan konsep baru tentang waktu. Hanya dalam waktu lima minggu sejak diskusi tersebut, Einstein dapat menyelesaikan prinsip relativitas khusus.

Langkah pertama menuju teori relativitas umum muncul dua tahun kemudian (1907) dengan cara berbeda. Einstein tidak terlalu puas dengan teori relativitas khusus karena prinsip relativitas hanya terbatas pada gerak relatif dengan kecepatan konstan, namun tidak dapat diaplikasikan pada gerak secara umum. Tahun 1907 Einstein meminta Johanes Stark menulis ulasan tentang berbagai hasil eksperimen dari teori relativitas khusus dalam laporan tahunannya, Jahrbuch der Radioaktivitaet und Elektronik. Saat itu Einstein sadar bahwa teori relativitas khusus dapat diterapkan pada semua fenomena alam kecuali gravitasi.

Sejak saat itu Einstein mulai untuk menerapkan teori ini pada kasus gravitasi. Teori relativitas khusus memberikan relasi sempurna antara kelembaman dan energi, sementara relasi antara kelembaman dan berat (inersia dan sistem gravitasi) tidak tersentuh sama sekali.

Ide cemerlang Einstein untuk menjawab masalah ini muncul di suatu hari saat dia sedang duduk di kursi di Kantor Paten Swiss di Bern, tentang seseorang yang jatuh bebas tidak akan mengetahui berat badannya. Ide sederhana itu memberi pemikiran mendalam bagi Einstein menuju teori gravitasi. Ia selanjutnya berpikir bahwa seseorang yang jatuh bebas memiliki percepatan.

Einstein selanjutnya memutuskan untuk memperluas prinsip relativitas dengan memasukan percepatan. Ia berharap, dengan menggeneralisasikan teori ini, maka akan sekaligus memecahkan masalah gravitasi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa orang yang jatuh bebas tidak merasakan berat badannya akibat adanya medan gravitasi lain yang menghilangkan medan gravitasi bumi. Dengan kata lain, setiap benda yang dipercepat membutuhkan medan gravitasi baru.

Meski sudah mendapatan ide tersebut, Einstein membutuhkan delapan tahun untuk menurunkan relasi yang nyata. Ernst Mach juga mengklaim prinsip ekuivalensi antar sistem-sistem yang dipercepat. Namun jelas hal ini tidak cocok dengan geometri biasa. Hal ini disebabkan jika sistem-sistem semacam ini diizinkan, maka geometri Eucledian tidak berlaku di setiap sistem.

Einstein masih saja belum bisa menyelesaikan masalah tersebut hingga tahun 1912. Tahun itu ia menyadari bahwa teori permukaan Karl Friedrich Gauss (Jerman, 1777-1855) dapat menjadi dasar baik untuk memecahkan misteri di atas. Bagi Einstein, koordinat permukaan Gauss merupakan peralatan yang sangat penting. Namun Einstein tidak mengetahui bahwa George Friedrich Bernhard Riemann (Jerman, 1826-1966) sebelumnya telah mengembangkan dasar-dasar geometri mendalam. Einstein hanya mengingat teori Gauss yang didapatnya dalam kuliah dari dosen matematika bernama Carl Friedrich Geiser ketika masih mahasiswa. Jadi Einstein semakin yakin bahwa sifat-sifat dasar dari geometri haruslah memiliki arti fisis.

Sekembalinya Einstein ke Zurich dari Praha, ia menemui teman dekatnya seorang ahli matematika bernama Marcel Grossmann. Ia membantu Einstein mencarikan referensi-referensi matematika yang agak asing baginya ketika masih di kantor paten Swiss di Bern. Inilah pertama kali Einstein belajar hasil karya Curbastro Ricci serta makalah-makalah Riemann.

Einstein bertanya pada Grossmann tentang kemungkinan masalahnya dapat diselesaikan dengan teori Riemann, yaitu apakah invariant dari elemen garis cukup untuk menentukan seluruh koefisien yang dicari? Selanjutnya Einstein berkolaborasi denganya dalam menulis makalah tahun 1913, meski persamaan gravitasi yang sesungguhnya belum dapat diturunkan saat itu. Penyelidikan lebih lanjut dengan teori Riemann ternyata menghasilkan kesimpulan yang bertentangan dengan harapan Einstein.

Dua tahun berlalu saat Einstein masih memutar otak memecahkan masalah ini. Akhirnya Einstein menemukan satu kesalahan pada perhitungan sebelumnya. Ia selanjutnya kembali mencoba menurunkan persamaan gravitasi yang benar berdasarkan teori invarian. Setelah dua minggu bekerja, akhirnya jawaban ditemukan.

Setelah tahun 1915 Einstein mulai mengerjakan problem kosmologi. Risetnya menyangkut geometri dan waktu jagat raya. Riset ini berdasarkan pada pembahasan syarat batas teori relativitas umum dan argumen kelembaman Mach. Meski Einstein belum mengetahui sejauh mana dampak ide Ernst Mach (Austria, 1838-1916) pada substansi relativitas umum dari kelembaman, ia yakin bahwa pemikiran besar ini merupakan filosofi dasar Einstein.

Mula-mula Einstein mencoba membuat syarat batas persamaan gravitasi menjadi invariant. Belakangan ia dapat menghilangkan batasan ini dengan asumsi jagat raya yang bersifat tertutup. Dengan demikian ia berhasil memecahkan masalah kosmologi. Sebagai hasil diperoleh bahwa kelembaman muncul sebagai satu sifat relatif di antara materi dan haruslah lenyap jika tidak ada benda lain yang berinteraksi dengannya. Einstein sangat yakin sifat penting ini membuat teori relativitas umum memuaskan, bahkan dalam pandangan epistimologi. Demikianlah bagaimana Einstein menemukan teori relativitasnya.

Iklan

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s