[Buku Bahasa Indonesia stephen hawking] Grand Design
Persamaan Maxwell menyatakan bahwa gelombang elektromagnetik merambat dengan kecepatan sekitar 300.000 kilometer per detik, atau sekitar 670 juta mil per jam. Namun, menyebutkan suatu kecepatan tidak berarti apa-apa kecuali Anda menentukan kerangka acuan relatif terhadap apa kecepatan itu diukur. Hal ini biasanya tidak perlu Anda pikirkan dalam kehidupan sehari-hari. Ketika rambu batas kecepatan menunjukkan 60 mil per jam, dipahami bahwa kecepatan Anda diukur relatif terhadap jalan, bukan terhadap lubang hitam di pusat Bima Sakti.
Namun bahkan dalam kehidupan sehari-hari ada kalanya Anda harus mempertimbangkan kerangka acuan. Misalnya, jika Anda membawa secangkir teh menyusuri lorong pesawat jet yang sedang terbang, Anda mungkin mengatakan kecepatan Anda 2 mil per jam. Akan tetapi, seseorang di darat mungkin mengatakan Anda bergerak dengan kecepatan 572 mil per jam. Agar Anda tidak mengira salah satu pengamat memiliki klaim yang lebih benar, ingatlah bahwa karena bumi mengorbit matahari, seseorang yang mengamati Anda dari permukaan benda langit tersebut akan tidak setuju dengan keduanya dan mengatakan Anda bergerak sekitar 18 mil per detik, belum lagi merasa iri pada pendingin udara Anda. Mengingat perbedaan-perbedaan seperti itu, ketika Maxwell mengklaim telah menemukan “kecepatan cahaya” yang muncul dari persamaannya, pertanyaan alaminya adalah: kecepatan cahaya dalam persamaan Maxwell diukur relatif terhadap apa?
Tidak ada alasan untuk percaya bahwa parameter kecepatan dalam persamaan Maxwell adalah kecepatan yang diukur relatif terhadap bumi. Bagaimanapun juga, persamaannya berlaku untuk seluruh alam semesta. Sebuah jawaban alternatif yang sempat dipertimbangkan adalah bahwa persamaannya menetapkan kecepatan cahaya relatif terhadap suatu medium yang sebelumnya tidak terdeteksi dan meresapi seluruh ruang, yang disebut eter luminiferus, atau singkatnya eter, istilah yang digunakan Aristoteles untuk zat yang ia yakini memenuhi seluruh alam semesta di luar lingkup terestrial.
Eter hipotetis ini akan menjadi medium tempat gelombang elektromagnetik merambat, sebagaimana bunyi merambat melalui udara. Jika eter ada, akan terdapat standar diam yang absolut (yakni diam relatif terhadap eter) dan dengan demikian cara absolut untuk mendefinisikan gerak. Eter akan menyediakan kerangka acuan yang dipilih di seluruh alam semesta, terhadapnya kecepatan setiap objek dapat diukur. Karena itu, eter dipostulatkan ada atas dasar teoretis, yang mendorong sejumlah ilmuwan untuk mencari cara mempelajarinya, atau setidaknya memastikan keberadaannya. Salah satu ilmuwan tersebut adalah Maxwell sendiri.
Jika Anda melaju di udara menuju gelombang bunyi, gelombang itu mendekati Anda lebih cepat, dan jika Anda menjauh darinya, gelombang itu mendekati Anda lebih lambat. Demikian pula, jika eter ada, kecepatan cahaya akan bervariasi tergantung pada gerak Anda relatif terhadap eter. Bahkan, jika cahaya bekerja seperti bunyi, sebagaimana orang-orang dalam jet supersonik tidak akan pernah mendengar bunyi yang berasal dari belakang pesawat, demikian pula para pelancong yang bergerak cukup cepat melalui eter akan dapat mendahului gelombang cahaya. Berdasarkan pertimbangan semacam itu, Maxwell mengusulkan sebuah eksperimen.
Jika eter ada, bumi pasti bergerak melaluinya saat mengorbit matahari. Dan karena bumi bergerak dalam arah yang berbeda pada bulan Januari dibandingkan, misalnya, April atau Juli, seharusnya dapat diamati perbedaan kecil dalam kecepatan cahaya pada waktu-waktu berbeda dalam setahun—lihat gambar di bawah.
Maxwell dibujuk untuk tidak menerbitkan gagasannya dalam Proceedings of the Royal Society oleh editornya, yang tidak mengira eksperimen itu akan berhasil. Namun pada tahun 1879, tak lama sebelum ia meninggal pada usia empat puluh delapan tahun akibat kanker lambung yang menyakitkan, Maxwell mengirimkan surat tentang hal tersebut kepada seorang temannya.
Surat itu diterbitkan secara anumerta dalam jurnal Nature, dan dibaca antara lain oleh seorang fisikawan Amerika bernama Albert Michelson. Terinspirasi oleh spekulasi Maxwell, pada tahun 1887 Michelson dan Edward Morley melakukan eksperimen yang sangat peka yang dirancang untuk mengukur kecepatan bumi bergerak melalui eter. Gagasan mereka adalah membandingkan kecepatan cahaya dalam dua arah berbeda, saling tegak lurus. Jika kecepatan cahaya merupakan angka tetap relatif terhadap eter, pengukuran seharusnya mengungkapkan kecepatan cahaya yang berbeda tergantung pada arah berkasnya. Namun Michelson dan Morley tidak mengamati perbedaan semacam itu.
Hasil eksperimen Michelson dan Morley jelas bertentangan dengan model gelombang elektromagnetik yang merambat melalui eter, dan seharusnya menyebabkan model eter ditinggalkan. Namun tujuan Michelson adalah mengukur kecepatan bumi relatif terhadap eter, bukan untuk membuktikan atau membantah hipotesis eter, dan apa yang ia temukan tidak membuatnya menyimpulkan bahwa eter tidak ada.
Tidak seorang pun menarik kesimpulan itu juga. Bahkan, fisikawan terkenal Sir William Thomson (Lord Kelvin) mengatakan pada tahun 1884 bahwa eter adalah “satu-satunya zat yang kita yakini dalam dinamika. Satu hal yang kita yakini, yaitu realitas dan keberadaan substansial eter luminiferus.”
Bagaimana mungkin orang tetap percaya pada eter meskipun hasil eksperimen Michelson-Morley demikian? Seperti yang sering terjadi, orang-orang berusaha menyelamatkan model tersebut dengan tambahan-tambahan yang dibuat-buat dan ad hoc. Ada yang mempostulatkan bahwa bumi menyeret eter bersamanya, sehingga kita sebenarnya tidak bergerak relatif terhadapnya.
Fisikawan Belanda Hendrik Antoon Lorentz dan fisikawan Irlandia George Francis FitzGerald mengusulkan bahwa dalam suatu kerangka yang bergerak relatif terhadap eter, mungkin akibat suatu efek mekanis yang belum diketahui, jam akan berjalan lebih lambat dan jarak akan menyusut, sehingga cahaya tetap terukur memiliki kecepatan yang sama. Upaya-upaya untuk menyelamatkan konsep eter ini berlanjut hampir dua puluh tahun hingga sebuah makalah luar biasa oleh seorang pegawai muda dan tak dikenal di kantor paten di Bern, Albert Einstein.
Einstein berusia dua puluh enam tahun pada tahun 1905 ketika ia menerbitkan makalahnya “Zur Elektrodynamik bewegter Körper” (“Tentang Elektrodinamika Benda yang Bergerak”). Di dalamnya ia membuat asumsi sederhana bahwa hukum-hukum fisika dan khususnya kecepatan cahaya harus tampak sama bagi semua pengamat yang bergerak seragam.
Gagasan ini, ternyata, menuntut revolusi dalam konsep kita tentang ruang dan waktu. Untuk memahami alasannya, bayangkan dua peristiwa yang terjadi di tempat yang sama tetapi pada waktu yang berbeda, di dalam sebuah pesawat jet. Bagi pengamat di dalam jet, jarak antara kedua peristiwa itu adalah nol. Namun bagi pengamat kedua di darat, kedua peristiwa itu dipisahkan oleh jarak yang ditempuh jet dalam selang waktu antara peristiwa-peristiwa tersebut. Ini menunjukkan bahwa dua pengamat yang bergerak relatif satu sama lain tidak akan sepakat mengenai jarak antara dua peristiwa.
Sekarang bayangkan kedua pengamat itu mengamati suatu pulsa cahaya yang merambat dari ekor pesawat ke hidungnya. Seperti dalam contoh di atas, mereka tidak akan sepakat mengenai jarak yang ditempuh cahaya sejak dipancarkan dari ekor hingga diterima di hidung pesawat. Karena kecepatan adalah jarak yang ditempuh dibagi waktu yang diperlukan, ini berarti bahwa jika mereka sepakat mengenai kecepatan rambat pulsa tersebut—kecepatan cahaya—mereka tidak akan sepakat mengenai selang waktu antara pemancaran dan penerimaan.
Hal yang membuat ini terasa ganjil adalah bahwa, meskipun kedua pengamat mengukur waktu yang berbeda, mereka sedang menyaksikan proses fisik yang sama. Einstein tidak berusaha membangun penjelasan buatan untuk hal ini. Ia menarik kesimpulan logis, meskipun mengejutkan, bahwa pengukuran waktu yang diperlukan, sebagaimana pengukuran jarak yang ditempuh, bergantung pada pengamat yang melakukan pengukuran. Efek tersebut merupakan salah satu kunci teori dalam makalah Einstein tahun 1905, yang kemudian dikenal sebagai relativitas khusus.
Kita dapat melihat bagaimana analisis ini berlaku pada perangkat pengukur waktu jika kita mempertimbangkan dua pengamat yang memandang sebuah jam. Relativitas khusus menyatakan bahwa jam berjalan lebih cepat menurut pengamat yang diam relatif terhadap jam tersebut. Bagi pengamat yang tidak diam relatif terhadap jam, jam itu berjalan lebih lambat. Jika kita menyamakan pulsa cahaya yang merambat dari ekor ke hidung pesawat dengan detak sebuah jam, kita melihat bahwa bagi pengamat di darat jam berjalan lebih lambat karena berkas cahaya harus menempuh jarak yang lebih besar dalam kerangka acuan tersebut. Namun efek ini tidak bergantung pada mekanisme jam; ia berlaku untuk semua jam, bahkan jam biologis kita sendiri.
Comments (0)