[BUKU BAHASA INDONESIA] A BRIEF HISTORY OF TIME - STEPHEN HAWKING
Sebagai contoh, dalam Gambar 2:2 waktu diukur ke atas dalam satuan tahun dan jarak sepanjang garis dari matahari ke Alpha Centauri diukur secara mendatar dalam mil. Lintasan matahari dan Alpha Centauri melalui ruang-waktu ditunjukkan sebagai garis-garis vertikal di sisi kiri dan kanan diagram. Seberkas cahaya dari matahari mengikuti garis diagonal, dan memerlukan waktu empat tahun untuk mencapai Alpha Centauri.
Sebagaimana telah kita lihat, persamaan Maxwell meramalkan bahwa kecepatan cahaya harus sama, apa pun kecepatan sumbernya, dan hal ini telah dikukuhkan oleh pengukuran yang akurat. Dari sini mengikuti bahwa jika suatu pulsa cahaya dipancarkan pada waktu tertentu di suatu titik tertentu dalam ruang, maka seiring berjalannya waktu ia akan menyebar sebagai sebuah bola cahaya yang ukuran dan posisinya tidak bergantung pada kecepatan sumbernya. Setelah sepersejuta detik, cahaya akan telah menyebar membentuk sebuah bola dengan jari-jari 300 meter; setelah dua sepersejuta detik, jari-jarinya menjadi 600 meter; dan seterusnya. Hal ini serupa dengan riak yang menyebar di permukaan kolam ketika sebuah batu dilemparkan ke dalamnya. Riak itu menyebar sebagai lingkaran yang semakin membesar seiring waktu. Jika seseorang menumpuk potret-potret riak pada waktu yang berbeda satu di atas yang lain, lingkaran riak yang mengembang itu akan membentuk sebuah kerucut yang puncaknya berada pada tempat dan waktu ketika batu tersebut menyentuh air (Gambar 2:3).
Demikian pula, cahaya yang menyebar dari suatu peristiwa membentuk sebuah kerucut (tiga dimensi) dalam ruang-waktu (empat dimensi). Kerucut ini disebut kerucut cahaya masa depan dari peristiwa tersebut. Dengan cara yang sama kita dapat menggambar kerucut lain, yang disebut kerucut cahaya masa lalu, yaitu himpunan peristiwa-peristiwa dari mana suatu pulsa cahaya dapat mencapai peristiwa yang dimaksud (Gambar 2:4).
Diberikan suatu peristiwa P, kita dapat membagi peristiwa-peristiwa lain di alam semesta ke dalam tiga golongan. Peristiwa-peristiwa yang dapat dicapai dari peristiwa P oleh partikel atau gelombang yang bergerak dengan kecepatan sama dengan atau lebih kecil dari kecepatan cahaya dikatakan berada di masa depan P. Peristiwa-peristiwa itu akan terletak di dalam atau pada bola cahaya yang mengembang yang dipancarkan dari peristiwa P. Dengan demikian, dalam diagram ruang-waktu, peristiwa-peristiwa tersebut akan berada di dalam atau pada kerucut cahaya masa depan P. Hanya peristiwa-peristiwa di masa depan P yang dapat dipengaruhi oleh apa yang terjadi di P, karena tidak ada sesuatu pun yang dapat bergerak lebih cepat daripada cahaya.
Demikian pula, masa lalu P dapat didefinisikan sebagai himpunan semua peristiwa dari mana mungkin untuk mencapai peristiwa P dengan bergerak pada atau di bawah kecepatan cahaya. Maka ia merupakan himpunan peristiwa-peristiwa yang dapat memengaruhi apa yang terjadi di P. Peristiwa-peristiwa yang tidak terletak di masa depan maupun masa lalu P dikatakan berada di “tempat lain” dari P (Gambar 2:5).
Apa yang terjadi pada peristiwa-peristiwa semacam itu tidak dapat memengaruhi maupun dipengaruhi oleh apa yang terjadi di P. Sebagai contoh, jika matahari berhenti bersinar pada saat ini juga, hal itu tidak akan memengaruhi keadaan di bumi pada saat sekarang, karena bumi akan berada di “tempat lain” dari peristiwa padamnya matahari (Gambar 2:6).
Kita baru akan mengetahuinya delapan menit kemudian, yaitu waktu yang diperlukan cahaya untuk mencapai kita dari matahari. Barulah saat itu peristiwa-peristiwa di bumi akan berada dalam kerucut cahaya masa depan dari peristiwa padamnya matahari. Demikian pula, kita tidak mengetahui apa yang sedang terjadi saat ini di tempat-tempat yang lebih jauh di alam semesta: cahaya yang kita lihat dari galaksi-galaksi jauh telah meninggalkan mereka jutaan tahun yang lalu, dan dalam kasus objek terjauh yang pernah kita amati, cahaya itu telah berangkat sekitar delapan miliar tahun yang lalu. Dengan demikian, ketika kita memandang alam semesta, sesungguhnya kita melihatnya sebagaimana ia berada di masa lampau.
Jika kita mengabaikan pengaruh gravitasi, sebagaimana dilakukan Einstein dan Poincaré pada tahun 1905, maka kita memperoleh apa yang disebut teori relativitas khusus. Untuk setiap peristiwa dalam ruang-waktu kita dapat membangun sebuah kerucut cahaya (himpunan semua kemungkinan lintasan cahaya dalam ruang-waktu yang dipancarkan dari peristiwa tersebut), dan karena kecepatan cahaya sama pada setiap peristiwa dan ke segala arah, semua kerucut cahaya itu akan identik dan akan mengarah ke arah yang sama. Teori ini juga menyatakan bahwa tidak ada sesuatu pun yang dapat bergerak lebih cepat daripada cahaya. Ini berarti bahwa lintasan setiap benda melalui ruang dan waktu harus direpresentasikan oleh sebuah garis yang pada setiap peristiwanya terletak di dalam kerucut cahaya tersebut (Gambar 2:7). Teori relativitas khusus sangat berhasil dalam menjelaskan bahwa kecepatan cahaya tampak sama bagi semua pengamat (sebagaimana ditunjukkan oleh percobaan Michelson-Morley) serta dalam menggambarkan apa yang terjadi ketika benda-benda bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Namun demikian, teori ini tidak selaras dengan teori gravitasi Newton, yang menyatakan bahwa benda-benda saling tarik-menarik dengan suatu gaya yang bergantung pada jarak di antara mereka. Hal ini berarti bahwa jika salah satu benda digerakkan, gaya pada benda lainnya akan berubah secara seketika. Dengan kata lain, pengaruh gravitasi seharusnya merambat dengan kecepatan tak terhingga, bukan pada atau di bawah kecepatan cahaya sebagaimana disyaratkan oleh teori relativitas khusus.
Antara tahun 1908 dan 1914, Einstein melakukan sejumlah upaya yang tidak berhasil untuk menemukan teori gravitasi yang selaras dengan relativitas khusus. Akhirnya, pada tahun 1915, ia mengemukakan apa yang kini kita sebut teori relativitas umum. Einstein mengajukan gagasan revolusioner bahwa gravitasi bukanlah suatu gaya seperti gaya-gaya lainnya, melainkan merupakan akibat dari kenyataan bahwa ruang-waktu tidaklah datar sebagaimana sebelumnya diasumsikan: ia melengkung, atau “terdeformasi,” oleh distribusi massa dan energi di dalamnya. Benda-benda seperti bumi tidak dipaksa bergerak pada orbit melengkung oleh suatu gaya yang disebut gravitasi; sebaliknya, mereka mengikuti lintasan yang paling mendekati garis lurus dalam ruang yang melengkung, yang disebut geodesik. Geodesik adalah lintasan terpendek (atau terpanjang) antara dua titik yang berdekatan. Sebagai contoh, permukaan bumi adalah ruang melengkung dua dimensi. Geodesik di bumi disebut lingkaran besar, dan merupakan rute terpendek antara dua titik (Gambar 2:8). Karena geodesik adalah lintasan terpendek antara dua bandar udara, inilah rute yang akan disarankan oleh navigator maskapai kepada pilot untuk diterbangi. Dalam relativitas umum, benda-benda selalu mengikuti garis lurus dalam ruang-waktu empat dimensi, tetapi bagi kita tampak bergerak sepanjang lintasan melengkung dalam ruang tiga dimensi kita. (Hal ini serupa dengan mengamati pesawat terbang di atas medan berbukit. Meskipun ia mengikuti garis lurus dalam ruang tiga dimensi, bayangannya mengikuti lintasan melengkung di permukaan dua dimensi.)
Massa matahari melengkungkan ruang-waktu sedemikian rupa sehingga walaupun bumi mengikuti lintasan lurus dalam ruang-waktu empat dimensi, bagi kita ia tampak bergerak dalam orbit melingkar dalam ruang tiga dimensi. Sesungguhnya, orbit planet-planet yang diprediksi oleh relativitas umum hampir persis sama dengan yang diprediksi oleh teori gravitasi Newton. Namun, dalam kasus Merkurius, yang sebagai planet terdekat dengan matahari merasakan pengaruh gravitasi terkuat dan memiliki orbit yang cukup lonjong, relativitas umum meramalkan bahwa sumbu panjang elipsnya harus berotasi mengelilingi matahari dengan laju sekitar satu derajat dalam sepuluh ribu tahun. Meskipun efek ini kecil, ia telah diamati sebelum tahun 1915 dan menjadi salah satu konfirmasi awal terhadap teori Einstein. Dalam beberapa tahun terakhir, penyimpangan yang bahkan lebih kecil dari orbit planet-planet lain terhadap prediksi Newton telah diukur dengan radar dan ditemukan sesuai dengan prediksi relativitas umum.
Berkas-berkas cahaya pun harus mengikuti geodesik dalam ruang-waktu. Sekali lagi, kenyataan bahwa ruang melengkung berarti bahwa cahaya tidak lagi tampak bergerak dalam garis lurus di dalam ruang. Maka relativitas umum meramalkan bahwa cahaya harus dibelokkan oleh medan gravitasi. Sebagai contoh, teori ini meramalkan bahwa kerucut cahaya dari titik-titik yang berada dekat matahari akan sedikit tertekuk ke dalam karena massa matahari. Ini berarti bahwa cahaya dari sebuah bintang jauh yang kebetulan melintas dekat matahari akan dibelokkan melalui sudut kecil, sehingga bintang itu tampak berada pada posisi yang berbeda bagi pengamat di bumi (Gambar 2:9). Tentu saja, jika cahaya dari bintang tersebut selalu melintas dekat matahari, kita tidak akan dapat memastikan apakah cahaya itu dibelokkan ataukah memang bintang itu benar-benar berada di tempat kita melihatnya. Namun, karena bumi mengorbit matahari, bintang-bintang yang berbeda tampak melintas di belakang matahari dan cahayanya dibelokkan. Oleh karena itu, posisi tampaknya berubah relatif terhadap bintang-bintang lain. Biasanya sangat sulit mengamati efek ini, karena cahaya matahari membuat mustahil untuk melihat bintang-bintang yang tampak berada dekat dengannya di langit. Namun, hal itu dapat dilakukan selama gerhana matahari, ketika cahaya matahari tertutup oleh bulan. Ramalan Einstein tentang pembelokan cahaya tidak dapat segera diuji pada tahun 1915 karena Perang Dunia Pertama sedang berlangsung. Baru pada tahun 1919 sebuah ekspedisi Inggris yang mengamati gerhana dari Afrika Barat menunjukkan bahwa cahaya memang dibelokkan oleh matahari, tepat sebagaimana diramalkan teori tersebut. Pembuktian teori Jerman oleh ilmuwan Inggris ini dipuji sebagai tindakan rekonsiliasi besar antara kedua negara setelah perang. Ironisnya, pemeriksaan kemudian atas foto-foto yang diambil dalam ekspedisi tersebut menunjukkan bahwa kesalahan pengukurannya sebesar efek yang hendak diukur. Pengukuran mereka hanyalah keberuntungan semata, atau mungkin kasus mengetahui terlebih dahulu hasil yang ingin diperoleh—sesuatu yang tidak jarang terjadi dalam sains. Namun demikian, pembelokan cahaya itu telah dikukuhkan secara akurat oleh sejumlah pengamatan berikutnya.
Ramalan lain dari relativitas umum adalah bahwa waktu seharusnya tampak berjalan lebih lambat di dekat benda bermassa besar seperti bumi. Hal ini karena terdapat hubungan antara energi cahaya dan frekuensinya (yakni jumlah gelombang cahaya per detik): semakin besar energinya, semakin tinggi frekuensinya. Ketika cahaya merambat ke atas dalam medan gravitasi bumi, ia kehilangan energi, sehingga frekuensinya menurun. (Ini berarti bahwa selang waktu antara satu puncak gelombang dan puncak berikutnya meningkat.) Bagi seseorang yang berada di tempat lebih tinggi, segala sesuatu di bawah akan tampak berlangsung lebih lama. Ramalan ini diuji pada tahun 1962 dengan menggunakan sepasang jam yang sangat akurat yang dipasang di puncak dan dasar sebuah menara air. Jam di bagian bawah, yang lebih dekat ke bumi, ditemukan berjalan lebih lambat, tepat sesuai dengan relativitas umum. Perbedaan laju jam pada ketinggian yang berbeda di atas bumi kini memiliki arti praktis yang sangat penting, dengan hadirnya sistem navigasi yang sangat akurat yang didasarkan pada sinyal dari satelit. Jika ramalan relativitas umum diabaikan, posisi yang dihitung dapat meleset beberapa mil.
Hukum-hukum gerak Newton mengakhiri gagasan tentang posisi absolut dalam ruang. Teori relativitas menyingkirkan waktu absolut. Pertimbangkan sepasang anak kembar. Misalkan salah satunya tinggal di puncak gunung sementara yang lain tetap di permukaan laut. Anak kembar yang pertama akan menua lebih cepat daripada yang kedua. Dengan demikian, ketika mereka bertemu kembali, yang satu akan lebih tua daripada yang lain. Dalam kasus ini, perbedaan usia akan sangat kecil, tetapi akan jauh lebih besar jika salah satu dari mereka melakukan perjalanan panjang dengan pesawat ruang angkasa dengan kecepatan mendekati cahaya. Ketika ia kembali, ia akan jauh lebih muda daripada yang tinggal di bumi. Hal ini dikenal sebagai paradoks kembar, tetapi ia hanya menjadi paradoks jika seseorang masih memegang gagasan tentang waktu absolut. Dalam teori relativitas tidak ada waktu absolut tunggal; sebaliknya, setiap individu memiliki ukuran waktunya sendiri yang bergantung pada di mana ia berada dan bagaimana ia bergerak.
Sebelum tahun 1915, ruang dan waktu dipandang sebagai arena tetap tempat peristiwa-peristiwa berlangsung, tetapi yang tidak dipengaruhi oleh apa yang terjadi di dalamnya. Hal ini bahkan berlaku dalam teori relativitas khusus. Benda-benda bergerak, gaya-gaya tarik dan tolak bekerja, tetapi waktu dan ruang sekadar terus berlanjut tanpa terpengaruh. Wajar untuk berpikir bahwa ruang dan waktu berlangsung selamanya.
Namun, dalam teori relativitas umum, keadaannya sangat berbeda. Ruang dan waktu kini merupakan besaran dinamis: ketika suatu benda bergerak atau suatu gaya bekerja, hal itu memengaruhi kelengkungan ruang dan waktu—dan pada gilirannya struktur ruang-waktu memengaruhi cara benda bergerak dan gaya bekerja. Ruang dan waktu bukan saja memengaruhi, tetapi juga dipengaruhi oleh segala sesuatu yang terjadi di alam semesta. Sebagaimana seseorang tidak dapat berbicara tentang peristiwa di alam semesta tanpa gagasan tentang ruang dan waktu, demikian pula dalam relativitas umum menjadi tidak bermakna untuk berbicara tentang ruang dan waktu di luar batas-batas alam semesta.
Dalam dekade-dekade berikutnya, pemahaman baru tentang ruang dan waktu ini merevolusi pandangan kita tentang alam semesta. Gagasan lama tentang alam semesta yang pada dasarnya tidak berubah, yang dapat telah ada dan dapat terus ada selamanya, digantikan oleh gagasan tentang alam semesta dinamis yang mengembang, yang tampaknya memiliki permulaan pada waktu yang terbatas di masa lampau dan mungkin memiliki akhir pada waktu yang terbatas di masa depan. Revolusi inilah yang menjadi pokok bahasan bab berikutnya. Dan bertahun-tahun kemudian, hal itu pula yang menjadi titik awal bagi pekerjaan saya dalam fisika teoretis. Roger Penrose dan saya menunjukkan bahwa teori relativitas umum Einstein menyiratkan bahwa alam semesta pasti memiliki suatu permulaan dan, mungkin, suatu akhir.
Comments (1)
bacaan berkualitas ini.....
0 0 15-Oct-2019 04:58:58