Fisika

Gravitasi a la Newton: Keberhasilan dan Permasalahannya

Topik fisika kali ini, penulis akan bercerita mengenai perkembangan teori gravitasi dari awal ditemukan hingga saat ini. Penjelasannya akan dibuat sedikit lebih rinci sehingga nampaknya topik mengenai hal ini akan muncul dalam beberapa seri (bagian). Dalam tulisan ini akan dipertontonkan bahwa upaya untuk menyusun model bagi fenomena alam (model matematis) terus menerus disempurnakan.

Mengenai hal ini, perlu dipahami bahwa model matematis bagi fenomena alam tentulah tidak identik dengan fenomena alam itu sendiri. Hampir pasti, setiap model yang diajukan untuk memerikan suatu fenomena, memiliki domain (wilayah) keberlakuan yang terbatas. Semakin luas domain keberlakuan suatu model matematis, semakin akurat model itu.

Dengan kata lain, semakin banyak fenomena yang dapat dijelaskan, semakin utuh pemahaman umat manusia terhadap keteraturan alam ini. Hal tersebut sangat terlihat jelas dalam perjalan teori gravitasi. Jadi, selamat membaca!

Sebelum era sains modern (yang dipelopori oleh Galileo), cara pandang terhadap fenomena alam yang diyakini saat itu adalah paham yang diajarkan oleh filusuf Yunani, Aristotels. Salah satu paham yang dimaksud adalah bahwa hukum fisika yang mengatur alam raya itu ada dua, yaitu hukum fisika langit (celestial) dan hukum fisika bumi (terrestial).

Hukum celestial cenderung membuat benda berputar (bulan dan planet-planet), sedangkan hukum terrestrial cenderung membuat benda jatuh (ke tanah) atau rehat (diam).

Gagasan tersebut bertahan cukup lama, hingga akhirnya, pada tahun 1665, Newton (setelah bertahun-tahun bergulat dengan hukum terrestial dan celestial) mengusulkan teori gravitasi. Suatu teori yang menjelaskan dinamika benda langit (celestial body) dan dinamika benda di bumi (terrestial body) dalam sebuah persamaan matematis.

Bahwa, fenomena buah apel yang jatuh dan fenomena bulan mengorbit bumi tunduk pada suatu aturan yang kemudian dikenal sebagai hukum gravitasi umum (universal gravitational law). Newton memandang gravitasi sebagai gaya tarik-menarik antar dua benda bermassa yang besarnya dipengaruhi oleh massa (gravitasional) masing-masing benda dan oleh kuadrat jarak antar kedua benda itu.

Gagasan Newton ini dapat dikatakan sebagai teori unifikasi (penyatuan) pertama dalam ilmu fisika. (Cerita tentang Newton yang tertimpa buah apel kemudian tiba-tiba menemukan rumusan gravitasi universal nampaknya tidak dapat dipercaya).

Rumus Gravitasi, gambar: theguardian.com

Rumus Gravitasi, gambar: theguardian.com

Disamping ungkapan hukum kuadrat jarak, Newton meletakan konsep dasar bagi teori gravitasinya dengan menggabungkan dua gagasan berikut:

  • Pertama, gagasan mengenai ruang mutlak (absolute space), yakni pandangan bahwa ruang adalah panggung tempat berlangsungnya peristiwa-peristiwa fisis. Dengan kata lain, keberadaan ruang tidak dipengaruhi oleh peristiwa fisis.
  • Kedua, gagasan mengenai apa yang kemudian dikenal sebagai prinsip kesetaraan lemah yang diungkapkan dalam kerangka teori Newton, yakni massa gravitasi serupa dengan massa inersial.

Selama lebih dari dua abad, teori gravitasi Newton menjadi model matematis yang digunakan untuk menjelaskan berbagai fenomena alam. Sedemikian mapannya, sehingga fisikawan pada saat itu beranggapan bahwa alam semesta telah dapat dijelaskan seluruhnya. Penjelasan yang amat gamblang terkait dengan hukum-hukum Kepler.

Gagasan Newton yang mendukung paham heliocentric juga amatlah beralasan jika didasarkan pada teori gravitasinya. Adalah akan sangat sederhana jika dipandang matahari sebagai pusat pergerakan dari planet-planet di sekitranya.

Keberhasilan lain (yang menurut saya cukup fenomenal) adalah tentang prediksi kemunculan kembali komet Halley pada pertengahan tahun 1759. Prediksi tersebut diperoleh melalui perhitungan berdasarkan teori ini.

Selain itu, pada tahun 1846, kajian terhadap gangguan orbit Uranus telah membimbing Le Verriere dan John Couch Adams pada penemuan planet Neptunus sekaligus prediksi akurat terkait posisi dan momentumnya.

Setelah itu, pada tahun 1930, planet kerdil Pluto ditemukan oleh Clyde Tombaugh yang pada awalnya didorong oleh prediksi bahwa gangguan pada orbit Uranus tidak hanya disebabkan oleh planet Neptunus.

gambar: apod.nasa.gov

gambar: apod.nasa.gov

Keraguan terhadap teori gravitasi Newton mulai dirasakan pada penghujung abad ke-18. Pengamatan yang dilakukan Le Verriere pada tahun 1855 terhadap presisi orbit Merkurius, menyisakan nilai 35 detik busur.

Pengamatan serupa kemudian disempurnakan oleh Simon Newcomb pada tahun 1882 dan mendapatkan nilai 43 detik busur. Fakta eksperimen ini tidak dapat dijelaskan oleh teori gravitasi Newton.

Tercatat bahwa Le Verriere awalnya berusaha menjelaskan kesenjangan ini dengan memprediksikan keberadaan planet lain (yang belum teramati) yang berada di dalam orbit Merkurius. Kenyataannya, planet terdekat dari matahari tersebut tidak pernah teramati.

animasi gravitasi

animasi prinsip gravitasi pada tatasurya, gambar: astro.cornell.edu

Dalam tataran teoretik, gagasan Newton mengenai ruang mutlak mendapat perlawanan dari Ernst Mach pada tahun 1893. Sebuah gagasan yang kemudian Einstein menyebutnya sebagai “Prinsip Mach”. Yakni, kelembaman (inersia) berasal dari suatu jenis interaksi antar benda-benda.

Jelas ini bertentangan dengan gagasan Newton yang menganggap inersia selalu berhubungan dengan kerangka absolut ruang. Dengan kata lain, Newton meyakini adanya ruang absolut sebagai sumber gaya-gaya inersial. Hal tersebut menambah keraguan terhadap teori gravitasi Newton.

Teori gravitasi Newton menghadapi tantangan yang semakin berat setelah Einstein menyelesaikan perumusan Teori Relativitas Khusus (TRK) pada tahun 1905. TRK yang dibangun Einstein mensyaratkan bahwa kelajuan penjalaran informasi fisis tidak boleh melebihi kelajuan cahaya. Di sisi lain, teori gravitasi Newton menghendaki hal semacam itu.

Gambaran sederhananya begini, mari kita lihat sistem Bumi – Matahari, yang menurut Newton dinamikanya dikontrol oleh persamaan : F = GMm/R2 dengan R (jarak rata-rata Bumi-Matahari) yakni 150 juta km.

Jika tiba-tiba saja Matahari meledak hebat dan lenyap, maka F di Bumi pun harus ‘seketika’ berubah, dengan selang waktu perubahan yang tak bisa diukur (karena saking cepatnya). Sementara relativitas khusus membatasi kecepatan perubahan F itu tidak boleh melampaui kecepatan cahaya. Artinya Bumi baru merasakan perubahan F dalam waktu 8,33 menit pasca meledaknya Matahari. Dua hal ini saling bertolak belakang.

Perhitungan waktu cahaya ke bumi, gambar: images.slideplayer.com

Perhitungan waktu cahaya ke bumi, gambar: images.slideplayer.com

Gagasan mengenai ruang mutlak pun agaknya tidak sejalan dengan relativitas khusus. Dalam paradigma relativitas Einstein, ruang bukan merupakan arena tempat terjadinya peristiwa fisis yang independen dari peristiwa fisis tersebut. Bagi Einstein, ruang (dan waktu) merupakan entitas yang dinamis.

Oleh karena itu, dimunculkan entitas baru yang dikenal sebagai ruang-waktu. Karena itu pergerakan materi, khususnya bila kecepatannya mendekati kecepatan cahaya, menciptakan efek-efek ‘ajaib’ seperti pemuluran waktu, pemendekan panjang, kenaikan massa dan lain-lain.

Berangkat dari ketimpangan-ketimpangan tersebut, Einstein menyadari perlunya dibangun suatu teori gravitasi baru yang sejalan dengan teori relativitasnya. Einstein membutuhkan waktu sepuluh tahun untuk mengatasi masalah tersebut. Akhirnya, ia berhasil merumuskan teori gravitasi baru yang lebih dikenal sebagai teori relativitas umum.

Bagaimanakah relativitas umum ini memandang gravitasi? Fenomena apa saja yang dapat dijelaskan oleh teori ini? Adakah masalah yang dihadapi oleh teori ini? Pembahasan lengkapnya akan hadir setelah tulisan ini : )

Bacaan Lanjutan:
Robiyana, I. 2016. Studi Awal tentang Gravitasi f(R) Singuler.

Click to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Copyright © 2013-2017 4muda.com. Part of Gomuda.co

To Top