Newton vs Einstein

Siapa yang tidak mengenal Einstein? Siapa pula yang tidak mengenal Newton? Dua nama ilmuan ini telah tersohor ke seluruh penjuru dunia. Bagaimana tidak, kecerdasan Einstein dan Newton dalam berbagai temuan ilmiahnya yang dirangkum menjadi teori-teori dan hukum telah memberi pengaruh yang sangat kuat dalam dunia sains, khususnya fisika. Kendati keduanya adalah ilmuan yang sama-sama terkenal di mata dunia, namun ternyata terdapat beberapa pertentangan antara keduanya. Pada tulisan kali ini, saya akan sedikit mengulas perbedaan teori yang dikemukakan oleh dua ilmuan jenius ini yang telah saya rangkum dari beberapa referensi.

Berdasarkan dari beberapa referensi yang saya baca, Albert Einstein berhasil meruntuhkan teori Isaac Newton pada abad ke-19. Setelah Isaac Newton berhasil mengemukakan teorinya tentang gravitasi dan membuat dunia percaya dengan teorinya tersebut, fisikawan lain yakni Albert Einstein menemukan ada kejanggalan dalam teori Newton tersebut. Kejanggalan itu terletak pada ketidakcocokan teori gravitasi Newton dengan teori relativitas khusus yang diajukan Einstein pada tahun 1905.

Dalam teori relativitas khususnya, Einstein berusaha agar teori relativitas khususnya sesuai dengan teori electromagnetik Maxwell. Einstein menyatakan bahwa cahaya memiliki kecepatan sebesar 299,792 km per detik atau yang biasa kita sebut dengan sekitar tiga ratus juta meter per detik (sering ditulis dalam bentuk kerennya: 3.10⁸ meter per detik). Einstein juga mengatakan bahwa kecepatan ini adalah kecepatan absolut. Artinya, benda atau energi lain bisa bergerak mendekati kecepatan ini tetapi tidak akan pernah melebihi kecepatan cahaya. Einstein juga melihat ada prinsip fisika lain yang tidak bersesuaian dengan teori gravitasi Newton. Prinsip ini dikenal dengan prinsip ekuivalen.

Sedangkan yang kita tahu Newton sendiri tidak mengindikasikan bagaimana gaya gravitasi bekerja. Ia hanya mengatakan bahwa gravitasi adalah satu gaya yang sudah dibawa oleh benda bermassa. Menurut Newton, sebuah benda bermasssa akan mengerjakan gaya tarik kepada benda bermassa lain yang berada dalam jangkauan gaya gravitasi benda yang bermassa lebih besar. Gaya tarik gravitasi itu bekerja dan menjelajah ruang hampa diantara dua benda tadi dalam waktu sesaat.

Hal ini bertentangan dengan pendapat Einstein yang menyatakan bahwa tidak ada energi maupun massa yang bisa memiliki kecepatan melebihi kecepatan cahaya. Mengingat jangkauan gaya gravitasi yang mencapai ribuan bahkan jutaan kilometer, maka gaya gravitasi tidaklah mungkin menjelajah angkasa luar dalam waktu yang singkat. Jika gaya gravitasi bergerak dengan cara yang sama seperti cahaya bergerak, maka Einstein berkesimpulan bahwa kecepatan gaya gravitasi bekerja juga tidak boleh melebihi kecepatan cahaya. Dengan jarak jangkauan yang jauh maka jelas gravitasi memerlukan waktu yang panjang untuk menjelajah ribuan bahkan jutaan kilometer.

Teori ini bisa dianalogikan seperti berikut. Ambil saja perjalanan cahaya dari Matahari sampai ke planet-planet dalam tata surya. Untuk bumi yang berjarak rata-rata 150 ribu kilometer dari matahari, cahaya yang kita nikmati di bumi ini memerlukan waktu sekitar 8,3 menit untuk tiba dibumi setelah dipancarkan dari permukaan matahari. Sedangkan untuk planet Pluto yang berjarak sekitar 5940 juta kilometer dari matahari, cahaya membutuhkan waktu sekitar 5,5 jam untuk tiba di sana.

Namun, dengan teori gravitasi Newton bentuk dan orbit planet-planet dalam tata surya bisa diprediksikan dengan tepat meskipun perhitungan dilakukan dengan anggapan bahwa gaya gravitasi bekerja dengan sesaat. Jika gravitasi bekerja tidak dalam waktu sesaat, sesuai dengan relativitas khusus Einstein, maka orbit planet ini harus mengalami koreksi. Tetapi jika koreksi Einstein dimasukkan, maka koreksi ini justru memberikan hasil prediksi orbit planet yang tidak sesuai dengan data astronomi. Pertimbangan ini membuat Einstein menyimpulkan adanya mekanisme dalam teori gravitasi yang belum dijelaskan oleh Newton.

Kejanggalan kedua yang ditemukan oleh Einstein adalah berhubungan dengan prinsip ekuivalen. Secara sederhana prinsip ini menggambarkan bahwa semua hukum fisika akan berperilaku sama dalam kerangka acuan mana saja, baik dalam kerangka diam, dalam kerangka yang berjalan dengan kecepatan konstan maupun dengan laju kecepatan yang positif.

Misalkan kita berada dalam sebuah pesawat ruang angkasa yang berada di ruang hampa dan pesawat itu bergerak ke atas dengan laju kecepatan yang sama dengan laju kecepatan gravitasi bumi yaitu 9,8 meter per detik kuadrat. Jika ada sebuah buku yang melayang dalam pesawat itu, maka buku itu akan bergerak menuju lantai pesawat dengan laju kecepatan yang sama pula: 9,8 meter per detik kuadrat. Jika buku dengan berat yang sama dilepaskan dari ketinggian tertentu di bumi dalam pengaruh gravitasi bumi, maka buku itu pasti akan jatuh bumi dengan laju kecepatan yang sama pula.

Hal penting yang bisa disimpulkan dari percobaan sederhana tersebut adalah bahwa gerak buku di dalam pesawat dan gerak buku ketika jatuh di permukaan bumi tidak bisa dibedakan. Apakah buku tadi jatuh karena ditarik gravitasi bumi ataukah hanya sekedar bergerak dengan laju kecepatan yang sama dengan gravitasi bumi. Dengan kata lain gravitasi bisa diciptakan maupun dihilangkan hanya dengan memandang dari kerangka acuan yang berbeda. Jika demikian mungkinkah buku tadi jatuh karena ditarik bumi ataukah sebaliknya permukaan bumi yang bergerak keatas kearah buku tadi dengan laju kecepatan yang sama dengan gravitasi bumi.

Dalam referensi yang lain juga disebutkan bahwa postulat-postulat Einstein ini ternyata memberi dampak besar bagi dunia. Ia pernah mencoba menjelaskan efek yang dihasilkan dari teorinya ini dalam perumpamaan berikut. Misalnya ada sebuah kereta yang sedang meluncur cepat. Si A sedang duduk dengan tenang dalam salah satu gerbong kereta itu. Si B sedang berdiri diam di luar kereta dan mengamati kereta yang meluncur di depannya itu. Sewaktu gerbong kereta yang dinaiki si A meluncur tepat di depannya, tiba-tiba ada kilat menyambar di dua tempat yang berbeda. Kilat pertama menyambar 100 meter di sebelah kanan B, sedangkan kilat yang satunya lagi menyambar 100 meter di sebelah kiri B. Saat kedua kilat menyambar, posisi A tepat di depan B. Karena si B sedang berdiri diam di luar kereta yang sedang meluncur, si B melihat kedua kilat itu menyambar pada saat yang bersamaan. Tetapi lain halnya dengan si A. Si A yang sedang berada di dalam kereta yang meluncur cepat (ke arah kanan si B) melihat kedua kilat menyambar satu per satu. Kilat yang pertama terlihat lebih dulu, beberapa saat kemudian baru kilat yang kedua terlihat oleh A. Padahal jarak A terhadap kilat pertama dan kedua sama dengan jarak B terhadap kedua kilat itu.

Adanya perbedaan ini disebabkan bedanya kerangka acuan A dan B (frame of reference). Si A sedang ‘meluncur’, sedangkan si B sedang berdiri ‘diam’. Karena si A sedang bergerak menuju kilat yang pertama, tentu saja kilat yang pertama itu terlihat lebih dulu. A bergerak menjauhi kilat yang kedua, sehingga kilat yang kedua tampak menyambar sesudah kilat yang pertama. Bagi si B yang sedang diam dan tidak mendekati maupun menjauhi kedua kilat itu, keduanya tampak menyambar pada waktu yang bersamaan. Yang mana yang benar? Keduanya benar! Tidak ada yang salah. Karena itulah ini dinamakan relativitas. Semua bergantung pada kerangka acuan yang digunakan. Apa pun kerangka acuannya, hukum-hukum fisika yang sama selalu berlaku (postulat 1). Sekarang jika si A dan si B sama-sama diminta untuk menghitung kecepatan cahaya, apa hasilnya akan berbeda? Tidak! Walaupun si A sedang bergerak dan si B sedang diam, keduanya akan mendapati bahwa kecepatan cahaya tetap tiga ratus juta meter per detik.

Disebutkan bahwa ada konsekuensi dari teori relativitas ini. Yang paling terkenal adalah mulurnya waktu dan kontraksi panjang. Mulurnya waktu, atau bahasa kerennya Time Dilation, ini maksudnya adalah bahwa jika suatu jam bergerak dengan kecepatan tertentu, waktunya akan memuai (mulur). Misalnya, ada seorang astronot yang membawa jam tangannya saat menjalankan misi ke luar angkasa. Pesawat luar angkasa yang membawanya meluncur sangat cepat. Jika kita, yang berada di bumi, punya teropong yang sangat sensitif dan bisa melihat ke dalam pesawat yang sedang meluncur cepat itu, kita bisa menggunakan teropong itu untuk mengintip jam tangan si astronot. Sebelum si astronot berangkat kita sudah menyesuaikan jam tangan itu dengan jam tangan yang kita gunakan di bumi.

Ada sesuatu yang aneh. Di jam tangan si astronot yang sedang meluncur di luar angkasa itu kok lebih lambat dibanding jam tangan kita di bumi? Padahal sebelum ia berangkat kedua jam sudah dicocokkan dan si astronot tidak mengubahnya sama sekali sejak keberangkatannya itu. Jarum detiknya tampak bergerak lebih lambat dibanding jarum detik di jam tangan kita. Inilah yang disebut dengan waktu yang mulur saat bergerak pada kecepatan tinggi. Semakin besar kecepatan gerak suatu benda atau partikel, waktu akan berjalan semakin lambat bagi benda atau partikel tersebut! Tentu saja hal ini tidak dirasakan oleh si astronot. Menurut si astronot, jam tangannya tidak berubah kecepatannya, yang berubah justru kecepatan jam tangan kita di bumi yang tampak bergerak lebih cepat. Hal ini disebabkan segala sesuatu di dalam pesawat astronot bergerak lambat termasuk proses metabolisma tubuh, getaran atom dan sebagainya.

Dari sumber yang saya baca tersebut juga dijelaskan bahwa kontraksi panjang juga berkaitan dengan perbedaan kecepatan. Misalnya si astronot agak lelah, lalu mulai berbaring di tempat tidur yang sudah disediakan di pesawat luar angkasanya. Dengan menggunakan teropong yang sama, kita bisa mengintip si astronot yang tidur berbaring itu. Ada yang aneh lagi, yaitu sewaktu berbaring kok si astronot tampak lebih pendek? Sewaktu ia masih di bumi dan pesawatnya belum berangkat, ia tampak tinggi. Lebih aneh lagi, yakni sewaktu ia sudah terbangun lagi dari tidurnya dan kembali berdiri, tiba-tiba ia kelihatan tinggi seperti biasa. Tetapi ia juga kelihatan lebih kurus saat berdiri. Dalam kasus ini diajukan pertanyaan apa ia menyusut sewaktu sedang tidur? Tentu tidak. Karena ia sedang berada dalam pesawat yang meluncur cepat, saat ia tidur kita melihat panjang tubuhnya menciut (terjadi kontraksi panjang). Saat ia berdiri, kita melihat lebar tubuhnya menciut (juga merupakan kontraksi panjang). Ia sendiri tidak merasakan perubahan apa-apa di dalam pesawat. Inilah teori relativitas yang disampaikan Einstein.

Dalam teori Einstein juga disebutkan tentang The Twin Paradox. Misalnya kita pergi ke ruang angkasa menggunakan pesawat yang meluncur sangat cepat menjauhi bumi, dan kemudian kembali lagi ke bumi sepuluh tahun setelah pesawat lepas landas. Bagi kita yang berada di pesawat itu, kita hanya pergi selama satu tahun saja (karena adanya time dilation). Jika kita punya saudara kembar yang menunggu kita di bumi, kita bisa melihat sendiri bahwa saat kita mendarat, kembaran kita (yang lahirnya bersamaan dengan kita) sudah 9 tahun lebih tua dari kita. Ini adalah salah satu akibat dari dilatasi waktu.

Teori relativitas khusus ini telah banyak digunakan oleh para fisikawan dalam melahirkan karya-karya hebatnya. Sudah banyak bukti-bukti yang menunjukkan kebenarannya. Teori Einstein yang menyatakan konsep kecepatan cahaya ini pun membuat heboh dunia karena bertentangan dengan teori Newton.

Menurut Newton, jika sebuah benda yang sedang bergerak akan terus bergerak pada kecepatan sama jika tidak ada gaya lain yang mempengaruhinya. Jika kita memberikan gaya tambahan (secara terus-menerus) pada benda yang bergerak itu, maka gerakannya akan terus dipercepat. Artinya, kecepatannya terus bertambah sampai pada kecepatan tak hingga, asalkan kita terus memberikan gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat benda itu.

Dalam sebuah tulisan di http://www.yohanessurya.com/activities.php?pid=501&id=83 dikatakan bahwa Einstein langsung menyatakan: “Newton, forgive me…” dalam penemuan teorinya tersebut. Sebab, menurut Einstein ini tidak mungkin terjadi. Semakin besar kecepatan yang diinginkan semakin besar pula gaya yang harus diberikan. Untuk mencapai kecepatan cahaya, kita harus memberikan energi dalam jumlah yang tak hingga (infinite). Hal ini tidak mungkin bisa dilakukan karena energi hanya ada dalam jumlah tertentu (finite) sebagai akibat dari Hukum Kekekalan Energi (energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan). Jumlah energi yang tersedia tidak pernah bertambah sehingga kecepatan cahaya tidak mungkin bisa dicapai.

Selain mengemukakan teori relativitas khusus Einstein juga mengembangkan Teori Relativitas Umum (The General Theory of Relativity). Dalam teori ini Einstein memperhitungkan pengaruh gravitasi pada cahaya. Einstein menunjukkan bahwa lintasan cahaya akan mengalami pembelokan ketika berada dekat dengan benda-benda luar angkasa yang besar-besar itu.

Secara umum, seperti itulah cara Einstein mengemukakan teorinya yang bertentangan dengan teori Isaac Newton. Sebagaimana yang kita ketahui pada tahun 1919 ketika terjadi gerhana matahari total di teluk Guinea, Afrika. Sekelompok ilmuwan Inggris berusaha membuktikan adanya pembelokan cahaya bintang ketika berada dekat sekali dengan matahari seperti yang diramalkan oleh Teori Relativitas Umum Einstein. Para astronomer memfoto berbagai posisi suatu bintang tertentu ke arah matahari dan kemudian mengulangi 6 bulan kemudian. Ternyata ramalan Einstein benar. Saat itulah Einstein menjadi sangat terkenal dengan teorinya.