Tujuh Pelajaran Ringkas Fisika, Karya Carlo Rovelli

(Penerjemah: Muh. Syahrul Padli — versi satu kali sunting)

image source: medium.com/@rolphmartin/

Pelajaran Pertama

Teori Terindah

Di masa mudanya, Albert Einstein menghabiskan satu tahun malas-malasan tanpa tujuan. Tidak ke mana-mana tidak selalu berarti membuang-buang waktu — sesuatu, yang sayangnya, orang tua dari remaja-remaja di masa itu cenderung sering lupakan. Dia ada di Pavia. Dia ikut keluarganya dan menelantarkan sekolahnya di Jerman, tidak lagi sanggup merasakan kerasnya iklim pendidikan di sana. Itu adalah awal abad kedua puluh, dan di Italia adalah awal dari revolusi industri. Ayahnya, seorang insinyur, membangun pembangkit listrik pertama di dataran Paduan. Albert dulu membaca karya-karya Kant dan menghadiri sesekali kuliah di Universitas Pavia: untuk kesenangan belaka, tanpa terdaftar di sana atau harus memikirkan ujian. Dua hal ini (terdaftar sebagai mahasiswa dan ujian) yang menjadi pabrik lahirnya akademisi sungguhan.

Setelah satu tahun tanpa tujuan itu, ia mendaftar di Institut Politeknik di Zurich, dan memfokuskan dirinya mendalami fisika. Beberapa tahun kemudian, pada tahun 1905, ia mengirim tiga artikel ke jurnal ilmiah paling bergengsi pada masa itu, Annalen der Physik. Masing-masing artikel ilmiahnya layak mendapatkan Hadiah Nobel. Yang pertama menunjukkan atom itu benar-benar ada. Yang kedua meletakkan dasar pertama untuk Mekanika Kuantum, yang akan saya bahas dalam pelajaran selanjutnya. Yang ketiga menyajikan teori relativitas awal (sekarang dikenal sebagai ‘relativitas khusus’), teori yang menjelaskan bagaimana waktu tidak berlalu serba sama bagi semua orang: dua kembar identik mendapati bahwa mereka berbeda usia, jika salah satu dari mereka telah melakukan perjalanan dengan menaiki kendaraan berkecepatan tinggi.

Einstein menjadi ilmuwan terkenal dalam semalam dan menerima tawaran mengajar dari berbagai Universitas. Tetapi suatu hal mengganggunya: meskipun karyanya diakui oleh para fisikawan, teori relativitasnya tidak sesuai dengan apa yang kita ketahui tentang gravitasi, yaitu tentang bagaimana benda-benda jatuh. Dia menyadarinya saat menulis artikel ilmiah yang merangkum teorinya, dan mulai bertanya-tanya apakah hukum ‘Gravitasi Universal’ seperti yang dirumuskan oleh bapak fisika sendiri, Isaac Newton, sedang membutuhkan revisi agar sesuai dengan konsep relativitas yang baru. Dia membenamkan dirinya dalam problema ini. Butuh sepuluh tahun untuk menyelesaikannya. Sepuluh tahun studi serius, usaha keras, kesalahan, kebingungan, artikel ilmiah yang keliru, ide-ide brilian, ide-ide yang gagal dipahami.

Akhirnya, pada bulan November 1915, ia berkomitmen untuk menerbitkan artikel ilmiah yang memberikan solusi lengkap: teori gravitasi baru, yang ia sebut ‘Teori Relativitas Umum’, mahakaryanya dan’ teori paling indah’ menurut fisikawan terbaik Rusia, Lev Landau.

Ada beberapa mahakarya sejati yang menggerakkan kita dengan daya dorong besar: karya Requim-nya Mozart ; Odyssey-nya Homer ; Kapel Sistine; King Lear. Untuk sepenuhnya menghargai kecemerlangan mereka mungkin membutuhkan waktu lama mempelajari ilmu yang diperlukan untuk memahami mahakarya-mahakarya tersebut, tetapi hadiahnya adalah keindahan sejati— dan tidak hanya itu, tetapi membuka mata kita untuk perspektif baru atas dunia. Permata Einstein, Teori Relativitas Umum, adalah mahakarya seperti itu.

Saya ingat kegembiraan yang saya rasakan ketika saya mulai memahami sedikit hal tentang Teori Relativitas Umum. Saat itu musim panas. Saya berada di sebuah pantai di Condofuri di Calabria, berjemur di bawah sinar matahari Mediterania, Yunani, dan di tahun terakhir kuliah di universitas. Tidak terganggu oleh tugas-tugas kampus, adalah salah satu pembelajaran otodidak terbaikku selama liburan. Saya sedang belajar dengan bantuan sebuah buku yang telah digerogoti tepinya oleh tikus, karena pada malam hari aku menggunakannya untuk menutup lubang masuk makhuk-makhluk menyedihkan itu di rumah yang agak bobrok dan ala-ala kaum hippie di lereng bukit Umbria tempatku biasa berlindung dari kebosanan kuliah di Universitas Bologna. Seringkali aku mengalihkan mata dari buku dan melihat kilau laut: bagiku tampaknya aku benar-benar melihat kelengkungan ruang dan waktu yang dibayangkan oleh Einstein. Seperti sihir: seolah-olah seorang teman berbisik ke telingaku tentang kebenaran tersembunyi yang luar biasa, tiba-tiba mengangkat tabir kenyataan yang mengungkapkan tatanan yang lebih sederhana, lebih mendalam. Sejak kita menemukan fakta bahwa Bumi berputar-putar seperti putaran bola basket di telunjuk, kita telah memahami bahwa kenyataannya tidak seperti yang terlihat oleh kita: setiap kali kita melihat sekilas aspek baru darinya, itu menjadi pengalaman emosional mendalam. Tabir berikutnya telah tersingkap.

Namun di antara banyak lompatan maju dalam pemahaman kita yang lebih berhasil tinimbang yang lain selama perjalanan sejarah, mungkin Einstein tiada bandingannya. Mengapa?

Pertama-tama karena, begitu Anda memahami cara kerjanya, teorinya memiliki kesederhanaan yang menakjubkan. Saya akan meringkas gagasannya.

Newton telah mencoba menjelaskan alasan mengapa semuanya jatuh dan planet-planet tetap di orbitnya. Dia membayangkan adanya ‘kekuatan’ yang saling tarik menarik di antara semua benda padat menuju satu sama lain, dan menyebutnya ‘gaya gravitasi’. Bagaimana kekuatan ini bekerja pada benda-benda yang terpisah jauh satu sama lain, tanpa ada perantara apapun di antara mereka, tidak diketahui — dan bapak sains modern dengan hati-hati menawarkan sebuah hipotesis. Newton juga membayangkan benda-benda itu bergerak di dalam ruang, dan ruang itu adalah wadah kosong yang besar, sebuah kotak besar yang menutupi alam semesta, struktur besar yang di dalamnya semua benda bergerak masing-masing sampai sebuah kekuatan atau gaya yang memaksa lintasan mereka melengkung. Terbuat dari apa ‘ruang’ itu, kotak semesta yang ia rumuskan ini, Newton tidak bisa menjelaskannya. Tapi beberapa tahun sebelum kelahiran Einstein, dua ahli fisika ternama Inggris, Michael Faraday dan James Maxwell, telah menambahkan bahan utama pada dinginnya dunia Newton: medan elektromagnetik. Medan ini adalah entitas nyata yang tersebar di mana-mana, membawa gelombang radio, memenuhi ruang, dapat bergetar dan berosilasi seperti permukaan danau, dan ‘mengangkut’ kekuatan listrik. Sejak masa mudanya Einstein telah terpesona oleh medan elektromagnetik yang mengubah rotor pembangkit listrik yang dibangun oleh ayahnya, dan dia segera memahami bahwa gravitasi, seperti listrik, juga harus dibawa oleh medan: sebuah ‘medan gravitasi’ analog dengan ‘medan listrik’ haruslah ada. Dia ingin memahami bagaimana ‘medan gravitasi’ ini bekerja, dan bagaimana hal itu dapat dijelaskan dengan persamaan matematika.

Dan pada titik inilah ide luar biasa datang kepadanya, yang murni muncul dari kejeniusannya: medan gravitasi tidak menyebar melalui ruang; medan gravitasi adalah ruang itu sendiri. Ini adalah gagasan utama Teori Relativitas Umum. ‘Ruang’ Newton, tempat benda bergerak, dan ruang ‘medan gravitasi’ adalah satu dan hal yang sama.

Ini adalah momen pencerahan. Sebuah penyederhanaan sudut pandang penting atas dunia: ruang bukan lagi sesuatu yang berbeda dari materi, ruang adalah salah satu komponen pembentuk alam semesta. Suatu entitas yang bergelombang, lentur, melengkung, memuntir. Kita tidak berada dalam sistem dasar kaku tak kasat mata: kita terbenam dalam cangkang siput fleksibel raksasa. Matahari membengkokkan ruang di sekitar dirinya dan Bumi tidak tertarik ke sana bukan karena kekuatan misterius tetapi karena melawan (dengan gerakan melingkar yang menyeimbangkan gravitasi — penerjemah) ruang yang seolah-olah miring, seperti kelereng yang menggulung dalam corong. Tidak ada kekuatan misterius yang dihasilkan di pusat corong; kemiringan secara alami adalah sifat dinding corong yang menyebabkan kelereng menggulung ke titik bawah corong. Planet-planet melingkari matahari, dan benda-benda jatuh, karena ruang melengkung.

Bagaimana kita bisa menggambarkan kelengkungan ruang ini? Ahli Matematika terkemuka abad kesembilan belas, Carl Friedrich Gauss, yang digelari ‘pangeran ahli matematika’, telah menulis rumusan Matematika untuk menggambarkan permukaan bergelombang dua dimensi, seperti permukaan bukit. Kemudian dia meminta mahasiswa berbakatnya untuk mengembangkan rumusan tersebut sehingga mencakup juga ruang dalam tiga dimensi atau lebih. Mahasiswa yang dimaksud, Bernhard Riemann, pernah menghasilkan tesis doktoral yang mengesankan dari kajian yang tampaknya sepenuhnya tak berguna. Kesimpulan tesis Riemann adalah bahwa sifat-sifat kelengkungan ruang dimuat oleh objek matematika khusus yang kita tahu hari ini sebagai kelengkungan Riemann, dan diwakili oleh simbol huruf ‘R’. Einstein menulis sebuah persamaan yang menunjukkan bahwa R setara dengan energi materi. Yang bisa dikatakan: ruang melengkung di sekitar materi. Begitulah. Persamaan yang kira-kira sama dengan setengah baris kalimat, dan hanya itu. Sebuah penglihatan yang melampaui zamannya — bahwa ruang melengkung–menjadi sebuah persamaan.

Namun di dalam persamaan itu menggambarkan alam semesta yang penuh dengan gagasan-gagasan baru. Dan di sinilah kekayaan ajaib teori ini yang membuka rangkaian prediksi yang menyerupai omelan orang gila sedang mengigau, tetapi semua prediksinya ternyata benar.

Sebagai permulaan, persamaan tersebut menggambarkan bagaimana ruang melengkung di sekitar bintang. Karena kelengkungan ini, planet bukan hanya mengorbit di sekeliling bintang, tetapi cahaya berhenti bergerak dalam garis lurus dan berbelok. Einstein meramalkan bahwa matahari menyebabkan pembelokan cahaya. Pada 1919 pembelokan ini diukur, dan prediksinya diverifikasi. Tapi bukan hanya ruang yang melengkung; waktu juga. Einstein memperkirakan waktu berlalu lebih cepat di ketinggian dan waktu berjalan lebih lambat di dekat permukaan Bumi. Ini diukur dan ternyata benar. Jika seorang pria yang pernah tinggal di laut bertemu dengan kembarannya yang telah lama tinggal di pegunungan, dia akan mendapati saudaranya sedikit lebih tua darinya. Dan ini baru permulaan.

Ketika sebuah bintang besar telah membakar semua zatnya yang mudah terbakar (hidrogen). Apa yang tersisa tidak lagi didukung oleh panasnya pembakaran (yang menahan pengaruh gravitasi — penerjemah) dan runtuh karena beratnya sendiri, ke titik di mana ia tertekuk oleh ruang sedemikian rupa sehingga merosot ke dalam ‘lubang’ yang sebenarnya. Itulah ‘lubang hitam’ yang terkenal. Ketika saya masih kuliah di universitas, lubang hitam dianggap sebagai prediksi yang hampir tidak kredibel untuk diamati. Hari ini lubang hitam diamati di langit dalam jumlah ratusan, dan dipelajari dengan sangat rinci oleh para astronom.

Tapi ini belum semuanya. Seluruh ruang dapat mengembang dan berkontraksi. Lebih jauh lagi, persamaan Einstein menunjukkan bahwa ruang pastinya tidak diam; ruang pastinya mengembang. Pada 1930 ekspansi (pengembangan) alam semesta benar-benar diamati. Persamaan yang sama memprediksi bahwa ekspansi seharusnya dipicu oleh ledakan alam semesta awal, yang sangat kecil dan sangat panas: oleh apa yang sekarang kita kenal sebagai ‘Big Bang’. Sekali lagi, dulu tidak ada yang percaya pada teori ini, tetapi buktinya ada pada radiasi latar kosmik — sebaran hamburan yang tersisa dari panas yang dihasilkan oleh ledakan alam semesta awal — sebenarnya diamati di langit. Prediksi yang muncul dari persamaan Einstein itu ternyata benar. Dan lebih jauh lagi, teorinya mengatakan kalau ruang bergerak seperti permukaan laut. Efek gelombang gravitasi ini diamati di langit pada bintang biner (berpasangan yang saling mengorbit satu sama lain — penerjemah), dan sesuai dengan prediksi teori bahkan sampai keakuratan menakjubkan satu per seratus miliar. Dan seterusnya.

Singkatnya, teori tersebut menggambarkan dunia yang penuh warna dan menakjubkan di mana alam semesta meledak, ruang runtuh menjadi lubang tanpa dasar, waktu melorot dan melambat di dekat sebuah planet, dan perluasan tak terbatas dari riak ruang antarbintang dan bergoyang seperti permukaan laut … Dan semua ini, yang muncul secara bertahap dari buku yang digerogoti tikus, bukan kisah yang diceritakan oleh orang idiot yang gila, atau halusinasi yang disebabkan oleh matahari panas Mediterania Calabria dan pesona lautnya. Ini kenyataan.

Atau lebih baik disebut, kenyataan sepintas, sedikit tersembunyi dibanding pandangan sehari-hari kita yang kabur dan dangkal. Sebuah kenyataan yang tampaknya terbuat dari barang yang sama dengan mimpi kita, tetapi yang lebih nyata dari mimpi sehari-hari kita.

Semua ini adalah hasil dari intuisi dasar: ruang dan medan gravitasi adalah hal yang sama. Dan dari persamaan sederhana yang tidak bisa saya tahan munculkani di sini, meskipun Anda hampir pasti tidak akan bisa menguraikannya. Mungkin siapa pun yang membaca ini masih bisa menghargai kesederhanaan yang luar biasa:

Rab — ½ R gab = Tab

Itulah persamaannya.

Anda tentu saja perlu mempelajari dan memahami teknik matematika ala Riemann untuk memahami dan menguraikan persamaan ini. Butuh sedikit komitmen dan upaya. Tidak jauh beda seperti komitmen dan upaya yang diperlukan untuk bisa menghargai keindahan langka dari kuartet biola terakhir Beethoven. Dalam kedua kasus tersebut, imbalannya adalah keindahan belaka, dan mata baru untuk melihat dunia.

Baca bagian selanjutnya di sini

Catatan:

Terjemahan ini berasal dari buku Carlo Rovellli, Seven Brief Lessons on Physics.