Apakah Gravitasi itu Nyata?

Akhir-akhir ini banyak perdebatan mengenai kebenaran adanya gravitasi bumi. Ketidakpercayaan orang-orang pada teori gravitasi disebabkan adanya pemahaman bahwa bumi ini datar, dan mereka hanya percaya bahwa benda yang jatuh ke bumi karena berat jenis bukan karena gravitasi bumi.

Pemahaman tentang benda jatuh ke bumi karena berat jenis ini justru menunjukkan masih belum paham apa itu definisi berat jenis. Di dalam ilmu fisika telah ada istilah massa dan berat. Perbedaannya, massa adalah banyaknya materi yang dikandung suatu benda sedangkan berat adalah gaya gravitasi yang bekeja pada suatu benda.

Ketika anda sedang bahagia dan meloncat-loncat ke atas, anda pasti akan kembali lagi tanah. Sebenarnya, apa yang membuat anda kembali lagi ke tanah? Kenapa tidak terus naik ke atas? Hal ini disebabkan oleh sebuah gaya misterius yang kita sebut gravitasi.

Apa itu Gravitasi?

Gravitasi adalah satu dari empat gaya fundamental di alam semesta ini. Apa yang kita namakan sebagai gaya fundamental adalah interaksi antara materi yang tidak dapat lagi kita turunkan menjadi sesuatu yang lebih mendasar lagi. Gaya gesek, misalnya, bukanlah gaya fundamental karena gaya ini muncul akibat interaksi antar atom dan molekul pada kedua permukaan yang saling bergesekan. Gaya gravitasi dibangkitkan dari massa suatu objek, dan selalu menarik objek lain yang juga memiliki massa. Besarnya gaya ini berbanding lurus dengan massa kedua objek dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua benda.

Gravitasi inilah yang membuat kita bisa berpijak di tanah, membuat planet-planet berputar, membuat bola yang ditendang turun lagi ke tanah dan sebagainya. Dalam pemabahasan ini nanti kita tunjukkan bagaimana para ilmuwan percaya gravitasi itu ada. Juga akan ada tambahan di akhir bagaimana mekanisme kerja gravitasi dan kenapa para ilmuwan tidak percaya.

Nyata kah Gravitasi itu?

Gravitasi dalam relativitas umum,  konsep gravitasi klasik menggambarkan bahwa gaya gravitasi adalah sifat yang muncul dari setiap objek bermassa. Berdasarkan teori relativitas umum, gravitasi justru menjadi bagian dari ruang-waktu. Ruang-waktu (spacetime) di sini maksudnya adalah kesatuan ruang berdimensi tiga, dengan waktu. Di dalam ruang-waktu ini, keberadaan massa akan melengkungkan ruang-waktu, dan objek-objek di sekitar massa tersebut akan bergerak mengikuti kelengkungan ruang-waktu tersebut.

Sebuah analogi yang baik diberikan dalam ilustrasi di bawah ini: Bayangkan sebuah bola bowling diletakkan di atas permukaan lentur (misalnya matras karet atau trampolin). Permukaan lentur ini dapat diandaikan sebagai ruang dua-dimensi. Dalam ruang dua-dimensi ini kita hanya dapat bergerak sepanjang dua sumbu saja pada permukaan karet, namun tidak dapat bergerak sepanjang sumbu ketiga yang mengarah keluar dari permukaan karet. Ini penyederhanaan dari ruang tiga-dimensi untuk memudahkan kita memvisualkan ruang empat dimensi.

Bola bowling, yang memiliki massa, akan melengkungkan permukaan karet, yang dimisalkan sebagai ruang-waktu. Apabila kita meletakkan kelereng di dekat bola bowling dan memberinya kecepatan awal, maka kelereng akan dapat bergerak mengitari bola bowling. Yang dilakukan kelereng ini pada dasarnya adalah bergerak dalam lintasan garis lurus, hanya saja pada permukaan melengkung.

Dengan kata lain, dalam teori relativitas umum, gravitasi bukan lagi sebuah gaya namun merupakan konsekuensi dari kelengkungan ruang-waktu. Ia berubah menjadi teori geometri. Beberapa prediksi relativitas umum selama ini selalu terbukti. Pada waktu teori ini pertama kali disusun, fisikawan Albert Einstein meramalkan bahwa seberkas cahaya yang melintas di dekat Matahari akan terbelokkan. Akibatnya posisi bintang-bintang di sekitar posisi Matahari akan bergeser karena cahanya terbiaskan oleh Matahari.

Kita dapat membuktikan ini dengan mengamati bintang-bintang di sekitar Matahari, pada saat terjadi gerhana matahari total. Saat gerhana matahari terjadi, siang hari akan menjadi gelap selama beberapa saat dan bintang-bintang di sekitar matahari akan teramati dan posisinya dapat diukur. Pada tahun 1919, saat terjadi gerhana matahari di Pulau Principe di Afrika Tengah, sekelompok astronom Inggris mengukur posisi bintang-bintang di sekitar Matahari dan menemukan bahwa posisi mereka bergeser sedikit, sesuai ramalan Einstein.

Di jaman modern ini, setiap kali kita menentukan posisi kita dengan menggunakan GPS atau Google Maps, kita menggunakan teori relativitas umum untuk menentukan posisi kita dengan akurat. GPS bekerja dengan cara menerima sinyal dari paling sedikit tiga satelit yang mengorbit Bumi. Karena kita mengetahui posisi satelit dan selang waktu antara sinyal dikirimkan dan diterima, maka kita dapat menarik tiga garis khayal dari ketiga satelit tersebut menuju titik manapun di permukaan Bumi untuk menemukan di mana ketiga garis tersebut bertemu.

Proses ini namanya triangulasi, dan kita harus tahu dengan akurat, kapan sinyal dikirimkan dan diterima. Karena satelit berada beberapa kilometer di atas kita, akibat kelengkungan ruang-waktu maka waktu yang diukur satelit akan lebih cepat dari yang kita ukur di permukaan Bumi. Perbedaan ini hanya 38 mikrodetik (38/1000 detik) saja per hari, namun GPS harus mampu mengukur perbedaan waktu dalam skala nanodetik (satu per semilyar detik). Dengan menambahkan koreksi perbedaan waktu ini, maka GPS dapat menentukan posisi kita dengan akurat hingga beberapa meter saja.

Gravitasi menurut Ilmuwan

  •  Meneurut Einstein

Einstein adalah seorang ilmuwan teoritis yang sangat berpengaruh. Teori-teorinya menjadi pijakan dalam perkembangan fisika modern berikutnya. Ada dua teori terkenal dari Einstein yaitu teori Relativitas Khusus dan Teori Relativitas Umum.

Teori yang berhubungan dengan konsep gravitasi adalah teori relativitas umum. Bila Newton tidak dapat menjelaskan asal gravitasi, Einstein mampu menjelaskannya melalui teori relativitas umum. Menurutnya, gravitasi merupakan lengkungan ruang-waktu yang terdistorsi oleh massa. Newton mengatakan gravitasi merupakan gaya, tapi Einstein menjelaskan itu bukan gaya namun efek distorsi massa pada ruang-waktu.

Perbedaan penjelasan gravitasi oleh Newton dan Einstein ini merupakan hal yang wajar. Sebuah teori akan terus berlaku selama tidak ada teori baru yang mampu menjelaskan lebih baik. Teori gravitasi Newton dianggap tidak pas dengan konsep ruang-waktu Einstein sehingga Einstein mengemukakan teori baru mengenai gravitasi. Hal tersebut bukan berarti Newton sepenuhnya salah, justru teori Newton menjadi pijakan Einstein dalam menjelaskan teori gravitasi yang sesuai dengan konsep ruang-waktu. Artinya teori gravitasi Newton disempurnakan oleh Einstein.

Melalui teorinya, Einstein dapat menjelaskan pengaruh gravitasi pada cahaya, yaitu cahaya akan membelok bila melewati benda angkasa akibat lengkungan ruang-waktu. Penjelasannya ini juga telah dapat dibuktikan oleh ilmuwan dengan akurasi yang tinggi.

Einstein juga memprediksi tentang gelombang gravitasi akibat tumbukan dua lubang hitam yang berdekatan. Gelombang gravitasi ini diibaratkan suatu air yang tenang kemudian dikenai benda maka timbul gelombaang. Gelombang gravitasi yang diprediksi oleh Einstein kurang lebih seabad lalu ini telah terbukti pada tahun 2016 lalu.

  • Menurut Newton

Ada yang mengatakan bahwa Newton saja tidak bisa menjelaskan cara kerja gravitasi, lalu mengapa harus percaya dengan teori gravitasi. Memang benar bahwa Newton tidak dapat menjelaskan dari mana asalnya gravitasi dan bagaimana cara kerjanya. Newton hanya mampu melihat dari efek-efek yang ditimbulkan gravitasi pada benda di alam, misalnya benda jatuh. Newton mengemukakan bahwa setiap partikel bermassa memiliki gaya tarik atau gravitasi.

Kita juga perlu memahami bahwa Newton menyampaikan teorinya pada tahun 1687. Tahun dimana kita sendiri sulit membayangkan bagaimana keadaan pada jaman itu. Bahkan pada tahun itu belum ditemukan WC untuk buang air besar yang tidak berbau seperti yang kita pakai sekarang. Begitu kunonya pada jaman itu yang tentunya menjadi hal yang luar biasa apa yang dilakukan oleh Newton dengan segala keterbatasan teknologi.

Hal yang luar biasa adalah Newton mampu menjelaskan gravitasi dengan perumusan sederhana dan mengemukakan tiga hukum gerak yang tentu sangat fenomenal pada saat itu. Bahkan teori tersebut masih dipergunakan hingga di jaman semodern ini karena hukum Newton masih akurat untuk benda bergerak dengan kecepatan rendah.

Tidak salah bila Newton menjadi salah satu ilmuwan yang sangat berpengaruh terhadap perkembangan dunia. Teori Newton tersebut memberikan efek yang besar terhadap perkembangan ilmu dan teknologi pada masa itu. Pandangan sains oleh Newton begitu mendominasi selama 3 abad sebelum akhirnya ilmuwan fenomenal berikutnya yaitu Einstein mengemukakan teori baru yang melengkapi teori Newton.

Gravitasi dan Boson Higgs

Mohon jangan lagi menyebut boson Higgs sebagai “partikel tuhan”. Sudah cukup kita memperpanjang kesalahpahaman mengenai pemanggilan partikel ini. Mengenai hubungan gravitasi dan boson Higgs, yaitu partikel yang menjadi mediator interaksi materi dengan medan Higgs, sekilas boson Higgs punya hubungan penting interaksi gravitasi. Apakah ini benar?

Tidak.

Satu hal yang harus dipahami adalah: Interaksi medan Higgs dengan zarah-zarah fundamental lain tidak memberikan massa untuk semua zarah. Zarah yang berinteraksi kuat dengan medan Higgs hanya boson W dan Z, dan dari hasil interaksi inilah mereka memperoleh massa. Partikel lain, misalnya proton dan neutron, memperoleh massa dari energi ikat gluon yang mengikat ketiga quark. Massa boson Higgs itu sendiri tidak dihasilkan dari medan Higgs! Dengan kata lain, medan Higgs tidak memberikan massa untuk semua zarah, dan massa zarah-zarah terpenting dalam interaksi gravitasi pun tidak dihasilkan melalui medan Higgs.

Keberadaan medan Higgs tidak menjelaskan asal usul gaya gravitasi. Hal ini barangkali baru akan kita ketahui apabila kita berhasilkan menyatukan teori gravitasi dengan teori kuantum.

Gravitasi dan kecepatan cahaya

Di masa lalu, Isaac Newton menduga bahwa gaya gravitasi berlaku seketika. Artinya perubahan dalam medan gravitasi merambat dengan kecepatan tak berhingga, tanpa dibatasi oleh kecepatan cahaya. Setelah Einstein merumuskan prinsip relativitas, di mana tidak ada objek yang boleh bergerak melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa, maka seharusnya gravitasi juga merambat dengan kecepatan cahaya. Dalam model standar fisika partikel, gaya fundamental dimediasi oleh partikel yang dinamakan boson, dan interaksi gravitasi dimediasi oleh graviton. Graviton ini bergerak dengan kecepatan cahaya.

Artinya, apabila massa Matahari tiba-tiba berkurang, maka efeknya baru akan dirasakan Bumi setelah sekitar 8.5 menit (cahaya Matahari membutuhkan waktu 8.5 menit untuk mencapai Bumi).