Perjalanan Relatif Dari Einstein ke Aplikasi Masa Kini dalam Teori Relativitas - Rivaldyalfi

Teori relativitas sering kali merujuk pada dua konsep fisika yang dikembangkan oleh Albert Einstein: relativitas khusus dan relativitas umum. Keduanya diusulkan dan diterbitkan oleh Einstein pada tahun 1905 dan 1915 secara berturut-turut. Relativitas khusus berlaku untuk segala fenomena fisik di luar pengaruh gravitasi, sementara relativitas umum menjelaskan prinsip gravitasi dan interaksinya dengan kekuatan alam lainnya. Terapan dari teori ini meliputi bidang kosmologi, astrofisika, dan termasuk di dalamnya, ilmu astronomi.

Teori ini menciptakan paradigma baru dalam fisika dan astronomi pada abad ke-20, menggantikan kerangka kerja mekanika yang telah berusia 200 tahun yang sebagian besar dikembangkan oleh Isaac Newton. Konseptualisasi baru ini memperkenalkan ide ruangwaktu 4 dimensi sebagai satu kesatuan, relativitas simultanitas, pelebaran waktu kinematik dan gravitasi, serta kontraksi panjang. Dalam bidang fisika, relativitas memperdalam pemahaman tentang partikel elementer dan interaksi mendasarnya, terutama seiring dengan awal era nuklir. Dengan konsepsi relativitas ini, kosmologi dan astrofisika mampu meramalkan fenomena astronomi yang sangat menarik, termasuk bintang neutron, lubang hitam, dan gelombang gravitasi.

Pengembangan & Penerimaan

Pada tahun 1905, Albert Einstein mempublikasikan teori relativitas khusus, yang dipengaruhi oleh kontribusi teoretis dan temuan empiris dari para ilmuwan seperti Albert A. Michelson, Hendrik Lorentz, Henri Poincaré, dan sejumlah lainnya. Setelah itu, Max Planck, Hermann Minkowski, dan para peneliti lainnya juga turut melanjutkan eksplorasi terhadap teori ini.

Antara tahun 1907 dan 1915, Einstein memperkenalkan teori relativitas umumnya dengan kolaborasi dan sumbangan ide dari banyak pihak. Tahap akhir dari pengembangan teori ini kemudian dipublikasikan pada tahun 1916.

Istilah "teori relativitas" merujuk pada konsep "teori relatif" (dalam bahasa Jerman disebut Relativtheorie) yang diperkenalkan pada tahun 1906 oleh Planck. Konsep ini menekankan penggunaan prinsip relativitas dalam teori tersebut. Dalam konteks yang sama, Alfred Bucherer pertama kali menggunakan istilah "teori relativitas" (dalam bahasa Jerman disebut Relativitätstheorie).

Pada dekade 1920-an, masyarakat ilmu fisika mulai menangkap konsep dan menerima teori relativitas khusus dengan baik. Teori ini dengan cepat menjadi fondasi penting yang dibutuhkan bagi para peneliti teori maupun eksperimental di ranah baru fisika atom, fisika nuklir, dan mekanika kuantum.

Pada awalnya, Relativitas Umum nampak memiliki keterbatasan, hanya memberikan sedikit koreksi pada prediksi teori gravitasi Newton. Potensi untuk pengujian eksperimental terlihat kecil karena sebagian besar pernyataannya berlaku pada skala astronomi. Selain itu, matematika yang terlibat terlihat rumit dan hanya dapat dipahami sepenuhnya oleh segelintir individu. Namun, sekitar tahun 1960, Relativitas Umum mulai menjadi pusat perhatian dalam fisika dan astronomi. Pengembangan teknik matematika baru mempermudah penghitungan dan memungkinkan konsepnya menjadi lebih mudah dipahami secara visual. Ketika fenomena astronomi seperti quasar (1963), radiasi latar belakang gelombang mikro 3 Kelvin (1965), pulsar (1967), dan kandidat lubang hitam pertama (1981) ditemukan, teori ini memberikan penjelasan yang kokoh dan mendukung pengukurannya. Hal ini semakin memperkuat validitas teori tersebut.

Relativitas Khusus

Teori relativitas khusus diperkenalkan oleh Albert Einstein pada tahun 1905 dalam makalahnya yang berjudul "Tentang Elektrodinamika Benda Bergerak". Teori ini mengubah cara kita memahami struktur ruang dan waktu. Sebelumnya, konsep tersebut dijelaskan oleh fisikawan dan matematikawan lain, yang dapat dilihat dalam sejarah perkembangan relativitas khusus. Teori ini berakar dari dua postulat yang bertentangan dengan prinsip-prinsip mekanika klasik:

1. Prinsip relativitas menyatakan bahwa hukum fisika berlaku secara konsisten bagi semua pengamat, tidak peduli dalam kerangka acuan inersia apa pun yang saling terkait.
2. Cahaya bergerak dengan kecepatan yang tetap dalam ruang hampa, tidak peduli siapa yang mengamatinya atau bagaimana sumber cahayanya bergerak secara relatif.

Teori yang telah dikembangkan menunjukkan keunggulan dalam menjelaskan fenomena dibandingkan dengan mekanika klasik. Sebagai contoh, dalam menjelaskan hasil eksperimen Michelson – Morley, teori ini memberikan penjelasan yang lebih sesuai. Selain itu, teori ini juga menghasilkan sejumlah konsekuensi yang mengejutkan dan bertentangan dengan apa yang kita intuisikan. Beberapa dari konsekuensi tersebut meliputi:

• Konsep relativitas simultanitas menyatakan bahwa dua peristiwa yang tampak terjadi secara bersamaan bagi satu pengamat mungkin tidak tampak bersamaan bagi pengamat lain yang bergerak relatif.
• Pengamatan tentang pelebaran waktu menunjukkan bahwa jam yang bergerak mengalami perubahan dalam detakannya, menghasilkan perbedaan dengan jam yang diam.
• Batasan atas kecepatan adalah fenomena alamiah yang dikenal sebagai kecepatan cahaya dalam vakum. Menurut hukum fisika, tidak ada benda, sinyal, atau energi yang dapat melampaui kecepatan cahaya dalam ruang hampa.
• Efek gravitasi hanya dapat bergerak melalui ruang kosong pada kecepatan yang tidak lebih cepat daripada kecepatan cahaya, dan tidak bisa instan.
• Prinsip kesetaraan massa–energi, yang dinyatakan oleh rumus ikonik E = mc^2, menggambarkan bahwa energi dan massa memiliki hubungan ekuivalen dan dapat saling berubah satu sama lain.
• Beberapa peneliti menggunakan konsep massa relativistik dalam penelitiannya.

Relativitas Umum

Teori relativitas umum, yang diprakarsai oleh Einstein antara tahun 1907 hingga 1915, menghadirkan pandangan baru terhadap gravitasi. Salah satu konsep kunci dalam teori ini adalah prinsip kesetaraan, yang menyatakan bahwa keadaan gerak dipercepat dan keadaan diam dalam medan gravitasi secara fisik sama. Ini menyiratkan bahwa jatuh bebas sebenarnya adalah bentuk gerak inersia, di mana benda jatuh karena tidak adanya gaya yang diberikan padanya, bukan karena gaya gravitasi seperti dalam mekanika klasik. Namun, konsep ini bertentangan dengan prinsip-prinsip mekanika klasik dan relativitas khusus, di mana benda-benda yang bergerak secara inersia tidak mengalami percepatan relatif satu sama lain, sementara benda-benda yang jatuh bebas mengalami percepatan. Untuk menjelaskan fenomena ini, Einstein memperkenalkan gagasan bahwa ruang-waktu itu sendiri melengkung. Bersama dengan Marcel Grossmann, seorang ahli matematika, mereka menyimpulkan bahwa relativitas umum bisa diungkapkan melalui kerangka geometri Riemannian yang dikembangkan pada abad ke-19. Pada tahun 1915, Einstein menyusun persamaan medan yang menghubungkan kelengkungan ruang-waktu dengan massa, energi, dan momentum yang ada di dalamnya.

Berbagai implikasi dari teori relativitas umum meliputi:

• Perluasan waktu gravitasi: Dalam sumur gravitasi yang lebih dalam, waktu akan terasa berjalan lebih lambat.
• Precessi adalah fenomena di mana orbit benda-benda astronomi mengalami perubahan yang tak terduga sesuai dengan teori gravitasi Newton. Contohnya, telah tercatat adanya precessi pada orbit Merkurius dan pulsar biner.
• Pembelokan cahaya, atau yang dikenal sebagai lendutan cahaya, terjadi ketika sinar cahaya mengalami pembiasan akibat adanya keberadaan medan gravitasi.
• Penyeretan bingkai merujuk pada fenomena di mana massa yang berputar menciptakan efek tarik pada ruang-waktu di sekitarnya.
• Fenomena Ekspansi Kosmos: Kosmos terus mengalami perluasan, dengan berbagai unsur di dalamnya memiliki potensi untuk mempercepat proses ini.

Dari segi teknis, teori relativitas umum adalah suatu konsep gravitasi yang ditandai dengan penerapan persamaan medan Einstein. Hasil dari persamaan tersebut adalah sebuah tensor metrik yang mempengaruhi struktur ruang-waktu serta gerak benda dalam keadaan inersia.

Bukti Eksperimental

Einstein menyatakan bahwa teori relativitas masuk dalam kategori "teori-prinsip". Dengan demikian, pendekatan yang digunakan dalam teori ini adalah analisis, di mana landasan utamanya adalah hasil pengamatan empiris daripada berdasarkan pada asumsi semata. Melalui observasi alamiah, kita memperoleh pemahaman mengenai karakteristik umumnya, membentuk model matematis yang merepresentasikan apa yang diamati, dan melalui analisis, kita dapat menyimpulkan kondisi esensial yang harus dipenuhi. Pengukuran atas peristiwa terpisah harus memenuhi kondisi ini dan sesuai dengan deduksi yang dilakukan oleh teori tersebut.

Tes relativitas khusus

Teori relativitas adalah sebuah konsep yang terbukti dapat diuji melalui eksperimen. Salah satu aspek penting dari teori ini adalah relativitas khusus yang mencakup prinsip-prinsip seperti prinsip relativitas, kecepatan cahaya yang tetap, dan konsep pelebaran waktu. Sejak Einstein mempublikasikan karyanya pada tahun 1905, prediksi yang dihasilkan oleh relativitas khusus telah terkonfirmasi melalui serangkaian pengujian. Namun, validasi teori ini tidak hanya didasarkan pada karya Einstein saja. Beberapa eksperimen penting, seperti eksperimen Michelson–Morley, eksperimen Kennedy–Thorndike, dan eksperimen Ives–Stilwell, yang dilakukan antara tahun 1881 dan 1938, juga memainkan peran kunci dalam mengkonfirmasi prediksi tersebut. Sementara Einstein secara teoretis mendapat transformasi Lorentz pada tahun 1905, hasil dari ketiga eksperimen ini memberikan dukungan eksperimental yang kuat untuk transformasi tersebut.

Persamaan yang dikembangkan oleh Maxwell, yang merupakan dasar dari teori elektromagnetisme klasik, menggambarkan cahaya sebagai gelombang dengan kecepatan tertentu. Meskipun pandangan modern menyatakan bahwa cahaya tidak memerlukan medium transmisi, pada zamannya, Maxwell dan para ilmuwan lainnya meyakini bahwa gelombang cahaya merambat melalui suatu medium, mirip dengan bagaimana suara merambat melalui udara atau riak yang bergerak di permukaan kolam. Medium hipotetis ini dikenal sebagai luminiferous aether, yang diyakini diam relatif terhadap "bintang tetap" dan menjadi medium yang melaluiinya Bumi bergerak. Meskipun hipotesis seret eter parsial Fresnel mengesampingkan efek yang diharapkan pada tingkat pertama (v/c), serta kemungkinan pengamatan efek pada tingkat kedua (v2/c2), Maxwell berpendapat bahwa efek tersebut terlalu kecil untuk dideteksi dengan teknologi yang tersedia pada saat itu.

Eksperimen Michelson–Morley bertujuan untuk mendeteksi kemungkinan efek "angin eter" yang mungkin disebabkan oleh gerakan eter relatif terhadap bumi. Michelson merancang sebuah instrumen yang disebut interferometer Michelson untuk mencapai tujuan tersebut. Meskipun instrumen ini sangat sensitif dan mampu mendeteksi efek yang diantisipasi, hasilnya menunjukkan nihil ketika percobaan pertama dilakukan pada tahun 1881, dan kemudian pada tahun 1887. Meskipun kegagalan dalam mendeteksi angin ether disayangkan, komunitas ilmiah menerima hasil ini. Sebagai usaha untuk menjelaskan hasil yang diperoleh, FitzGerald dan Lorentz secara terpisah mengajukan hipotesis ad hoc yang menyatakan bahwa panjang benda material dapat berubah sesuai dengan gerakannya melalui eter. Konsep ini kemudian dikenal sebagai kontraksi FitzGerald – Lorentz, meskipun hipotesis mereka tidak didasarkan pada dasar teoretis yang kuat. Meskipun hasil eksperimen Michelson–Morley menunjukkan bahwa waktu tempuh cahaya dalam dua arah adalah sama (isotropik), hal ini sendiri tidak cukup untuk menyingkirkan teori eter atau untuk memberikan dukungan langsung kepada teori relativitas khusus.

Walaupun percobaan Michelson–Morley menunjukkan bahwa kecepatan cahaya memiliki sifat isotropik, hal tersebut tidak mengungkapkan perubahan kecepatan yang mungkin terjadi dalam kerangka inersia yang berbeda. Percobaan Kennedy–Thorndike, yang pertama kali dilakukan pada tahun 1932 oleh Roy Kennedy dan Edward Thorndike, bertujuan untuk menjelaskan hal tersebut. Hasil percobaan mereka menunjukkan nol, menyimpulkan bahwa "tidak ada pengaruh yang teramati... kecuali jika kecepatan tata surya di ruang angkasa tidak lebih dari setengah kecepatan bumi dalam orbitnya." Kebetulan tersebut dianggap tidak dapat memberikan penjelasan yang memuaskan, sehingga dari hasil percobaan mereka yang menunjukkan nol, disimpulkan bahwa waktu perjalanan cahaya adalah konsisten di semua kerangka acuan inersia.

Eksperimen yang dikenal sebagai Eksperimen Ives-Stilwell pertama kali dilakukan oleh Herbert Ives dan GR Stilwell pada tahun 1938, kemudian dengan tingkat akurasi yang lebih tinggi pada tahun 1941. Eksperimen ini bertujuan untuk menguji fenomena yang diperkirakan oleh Einstein pada tahun 1905 mengenai efek Doppler transversal, yaitu pergeseran merah cahaya dari sumber yang bergerak tegak lurus terhadap arah geraknya. Metode yang digunakan adalah membandingkan pergeseran Doppler yang diamati dengan prediksi teori klasik, sambil mencari koreksi yang diberikan oleh faktor Lorentz. Hasil dari eksperimen menunjukkan adanya koreksi seperti yang diharapkan, yang mengonfirmasi bahwa frekuensi jam atom yang bergerak mengalami perubahan sesuai dengan prinsip relativitas khusus.

Eksperimen klasik ini telah direplikasi berulang kali dengan tingkat akurasi yang semakin tinggi. Selain itu, penelitian lain juga telah dilakukan, seperti meningkatkan energi dan momentum relativistik pada kecepatan tinggi, menguji pelebaran waktu secara eksperimental, dan melakukan investigasi terkini terhadap pelanggaran Lorentz.

Tes relativitas umum

Relativitas umum telah diperkuat oleh sejumlah konfirmasi eksperimental. Contohnya adalah presesi perihelion orbit Merkurius, pembelokan cahaya yang disebabkan oleh keberadaan Matahari, serta pergeseran merah gravitasi cahaya. Tes lainnya juga telah memvalidasi prinsip kesetaraan dan konsep penarikan bingkai.

Aplikasi Masa Kini

Efek relativistik tidak hanya merupakan isu teoritis semata, melainkan juga menjadi perhatian penting dalam rekayasa praktis. Dalam pengukuran berbasis satelit, penting untuk memperhitungkan efek relativistik karena setiap satelit bergerak relatif terhadap pengguna di Bumi, yang berarti berada dalam kerangka acuan yang berbeda sesuai dengan teori relativitas. Sistem penentuan posisi global seperti GPS, GLONASS, dan Galileo harus mempertimbangkan semua efek relativistik agar dapat beroperasi dengan presisi, sebagaimana yang diperlukan dalam menghadapi konsekuensi medan gravitasi Bumi. Hal ini juga berlaku dalam pengukuran waktu dengan tingkat presisi tinggi. Instrumen mulai dari mikroskop elektron hingga akselerator partikel tidak akan berfungsi optimal jika tidak mempertimbangkan efek relativistik.

Penulis: Rifaldo_Ef