Einstein: Salah Paham Filsafat Sains

Einstein adalah orang paling jenius abad 20. Tapi, di abad 21, peraih Nobel Fisika 2022 berhasil membuktikan bahwa Einstein salah. Lebih tepatnya, mereka berhasil menunjukkan bahwa teorema EPR, Einstein-Podolsky-Rosen, sebagai salah. Benarkah terbukti seperti itu?

1. Filsafat Sains
1.1 Histori Filosofi
1.2 Holisme
1.3 Pilihan Teori
1.4 Kejelasan Teori
1.5 Realisme
1.6 Prinsip vs Konstruksi
1.7 Hermeneutika
2. Sains Newton
3. Elektromagnetik Interpretasi Maxwell
4. Postulat Relativitas Khusus
5. Relativitas Umum
6. Medan Gravitasi
7. Teori Medan Quantum

Dalam tulisan ini, kita akan membahas filsafat sains dari Einstein. Bukan hanya sains. Dengan filsafat, kita lebih bebas melakukan beragam analisis, interpretasi, dan menerobos cakrawala imajinasi. Saya setuju bahwa Einstein salah paham terhadap interpretasi mekanika quantum. Di sisi lain, para ilmuwan justru salah paham terhadap filsafat sains, yang orisinal, dari Einstein. Khususnya, filsafat medan gravitasi.

1. Filsafat Sains

Problem mendasar dari filsafat sains adalah menentukan apa batas sesuatu sebagai irreducible? Sebagai basit?

Einstein memandang “medan” atau “field” sebagai basit – paling fundamental. Tidak ada yang lebih mendasar dari medan. Segala sesuatu, pada analisis akhir, bisa kita jelaskan berdasar teori medan. Karena itu, teori quantum akan bisa dijelaskan secara pasti berdasar teori medan, harapan Einstein. Tidak ada lagi paradoks dalam quantum. Semua menjadi pasti berdasar teori medan.

Di sisi lain, teori quantum menolak klaim Einstein. Foton atau elektron adalah basit menurut teori quantum saat ini. Karena itu, foton tidak bisa dijelaskan oleh apa pun. Termasuk, teori medan tidak bisa menjelaskan foton yang basit itu. Foton hanya bisa dipahami secara statistik-probabilistik sesuai teori quantum mechanic (QM). Misal, foton polarisasi vertikal (V) 50% dan polarisasi horisontal (H) 50%, maka, kita tidak bisa memastikan V atau H. Foton bebas memilih V atau H karena foton basit. Einstein berharap bisa memastikan V atau H ini berdasar teori medan.

Kita, sejatinya, bisa bertanya lebih lanjut kepada Einstein, “Asumsikan bahwa medan adalah basit, maka, bagaimana karakter dari medan tersebut?” Apakah medan bebas menentukan sikapnya sendiri? Atau, medan secara pasti memilih sesuatu? Jika medan “pasti” memilih sesuatu, maka, apa yang dimaksud dengan “pasti” tersebut? Bukankah “pasti” menjadi lebih basit dari medan? Tetapi, jika medan adalah bebas, maka, mirip dengan QM yang bersifat statistik-probabilistik.

Kita akan mencoba mendiskusikan pertanyaan-pertanyaan di atas secara bertahap.

1.1 Histori Filosofi

Einstein menyebut histori filosofi sebagai sangat penting. Einstein mempelajari Plato, Aristoteles, Kant, Hegel, sampai Bergson. Pada usia belasan, dikabarkan, Einstein sudah membaca tuntas trilogi Kritik dari Kant. Kemudian lanjut, membaca Schopenhauer yang mempengaruhi konsep filosofi teori relativitas.

Pada tahun 1921, Einstein menghadiri debat besar menghadapi Henri Bergson yang merupakan filsuf besar pada masa itu di Paris. Einstein mempertahankan konsep waktu-obyektif. Sementara, Bergson menunjukkan konsep waktu-durasi. Debat saintis terbesar melawan filsuf terbesar hanya terjadi kala itu saja. Sampai saat ini, debat Einstein-Bergson tetap menjadi kajian yang menarik.

Einstein mengatakan jangan sampai kita terhalang oleh seribu pohon untuk melihat hutan. Histori filosofi membantu kita untuk bisa melihat hutan dengan jelas.

1.2 Holisme

Einstein meyakini holisme. Dia ingin menemukan satu hukum umum yang berlaku bagi seluruh semesta. Teori relativitas-khusus berlaku lebih luas dari mekanika Newton klasik. Karena relativitas-khusus tetap valid untuk kecepatan mendekati cahaya. Tetapi, relativitas-khusus hanya berlaku bagi kerangka acuan tanpa percepatan. Einstein tidak puas dengan batasan itu.

Selanjutnya, teori relativitas-umum benar-benar lebih umum. Relativitas umum berlaku untuk semua semesta kerangka acuan.

Tetapi, apa yang dimaksud “berlaku umum” untuk seluruh semesta?

Meski, relativitas-umum berlaku untuk semua tetapi tidak signifikan terhadap quantum. Maksudnya, quantum-mechanic (QM) tidak peduli terhadap relativitas umum. QM tidak membutuhkan relativitas-umum. QM mandiri terhadap relativitas umum.

Bagi Einstein, ada yang lebih mengganggu pikiran dari QM. Yaitu, QM menolak determinisme. QM hanya meyakini statistik-probabilistik. Einstein menghabiskan waktu 30 tahun terakhir masa hidupnya untuk menyatukan relativitas-umum dengan QM. Einstein, mengembangkan unified-field-theory yang merupakan cikal bakal theory-of-everything. Tampaknya, Einstein tidak memberi QM posisi utama dalam teorinya.

1.3 Pilihan Teori

Einstein sadar betul bahwa tersedia lebih dari satu teori bisa digunakan untuk menjelaskan satu fenomena yang sama. Karena itu, kita bebas memilih teori yang akan kita gunakan ketika hendak mengkaji suatu fenomena. Sikap bebas ini, kadang, dipandang sebagai oportunis dalam filosofi.

Sikap realis. Einstein setuju dengan realis bahwa alam eksternal itu benar-benar ada dan bisa kita selidiki. Sikap idealis. Einstein setuju dengan idealis bahwa segala teori adalah hasil ciptaan pikiran kita. Sikap platonis. Einstein setuju dengan platonis dengan membuat idealisasi beragam realitas sehingga mudah kita pahami. Sikap pragmatis. Einstein setuju dengan pragmatis bahwa kita perlu memilih teori yang paling efektif menjelaskan segala sesuatu.

Jadi, memang perlu oportunis.

1.4 Kejelasan Teori

Apa pun teori yang Anda pilih maka Anda perlu menyatakan dengan jelas teori Anda. Teori tersebut tidak ambigu. Teori tersebut memberi batas dengan tegas.

Kita bisa menduga teori paling jelas adalah teori yang diungkapkan dapam peryataan matematis. Benar saja. Dan, Einstein berhasil dengan baik mengungkapkan teori-teorinya secara matematis. Pada tahap awal, Einstein meminjam teori-teori matematika dari para pendahulu: Maxwell, Planck, Poincare, Lorenz, dan lain-lain. Pada tahap akhir, mengembangkan teori matematika orisinal dalam relativitas-umum berupa persamaan-medan-Einstein atau Einstein Equation (EE).

Tentu saja, EE sangat jelas karena berupa persamaan matematika. Tetapi, ternyata tidak bisa sejelas yang diharapkan.

Pertama, EE adalah suatu persamaan yang belum ada solusinya. Sampai akhir hayat, Einstein berjuang untuk menemukan solusinya. Belum diperoleh solusi. Bahkan, sampai sekarang, para ilmuwan belum menemukan solusi meski dibantu dengan komputer.

Kedua, apa interpretasi dari EE? Memang jelas EE menyatakan hubungan energi, materi, ruang, waktu, dan gaya di seluruh semesta. Tapi apa makna itu semua? Einstein sendiri menyatakan bahwa EE memang persamaan tentang medan. Dan, medan paling fundamental adalah medan gravitasi. Sehingga, banyak orang memandang EE sebagai formulasi medan gravitasi.

Ketiga, saya melihat Einstein menggunakan istilah medan gravitasi berbeda dengan para sainstis pada umumnya ketika membahas EE. Einstein bermaksud menyatakan medan sebagai realitas basit. Sementara, para saintis memahami medan sebagaimana medan dalam teori sains fisika. Ini adalah salah paham terbesar dalam filsafat sains.

1.5 Realisme

Einstein adalah realis. Tidak diragukan lagi. Bahkan, beberapa filsuf memandang Einstein sebagai positivis. Bukan sekedar realis biasa. Einstein mengakui dirinya realis tetapi menolak disebut sebagai positivis. Dua postulat Einstein untuk relativitas-khusus sudah cukup membuktikan realisme Einstein dan penolakan positivisme.

Eksistensi dunia eksternal adalah nyata. Perbedaan lokasi antara meja dan kursi menunjukkan masing-masing dari mereka adalah nyata. Realitas alam eksternal memadai sebagai kajian saintifik.

Tentu saja pandangan realisme naif, seperti di atas, mudah mendapat kritik dari idealis, semisal idealisme Berkeley. Sepanjang sejarah filsafat, tidak mudah mematahkan argumen skeptis terhadap realisme. Einstein menyadari itu. Solusinya mudah. Pertama, kita meyakini bahwa alam eksternal adalah nyata. Atau, kedua, postulatkan bahwa alam eksternal adalah nyata.

Einstein merupakan ilmuwan filosofis yang dengan tegas menerapkan postulat secara eksplisit. Menurut saya, postulat ini berhasil menyelesaikan beragam kerumitan. Dan, tentu saja, kita berhak mengkaji dengan kritis setiap postulat yang ada.

1.6 Prinsip vs Konstruksi

Secara teoritis, Einstein membedakan prinsip dengan konstruksi. Prinsip adalah teori yang berlaku umum, abstrak, dan memberikan batasan dengan jelas. Hukum termodinamika tentang entropi adalah contoh teori-prinsip. Konstruksi adalah suatu teori yang berlaku pada kasus tertentu berdasar batasan-batasan prinsip. Teori efek fotolistrik adalah contoh teori-konstruksi.

Kegagalan pengembangan teori, umumnya, karena kurang jelasnya batasan-batasan dari teori prinsip. Dengan memahami teori-prinsip secara eksplisit, kita bisa menerapkannya dengan baik pada kasus khusus sehingga tercipta teori-konstruksi. Atau, dengan sengaja kita merevisi teori-prinsip tersebut untuk menghasilkan teori-prinsip yang baru.

Teori efek fotolistrik adalah teori-konstruksi dari Einstein yang mengantarkannya memenangkan Nobel Fisika. Saat itu, fenomena fotolistrik tidak bisa dijelaskan dengan teori sains yang ada. Einstein menerapkan teori-prinsip termodinamika statistik Boltzmann. Fotolistrik bisa dijelaskan, berdasar termodinamika, bila pelepasan foton berupa satuan-satuan diskrit seperti quanta sesuai Planck. Terbukti, teori efek fotolistrik berhasil menjadi teori-konstruksi. Kelak, menjadi salah satu pilar QM.

Sementara, teori relativitas-khusus merupakan teori-prinsip yang hadir dari teori elektromagnetik Maxwell, Lorenzt, dan Poincare memodifikasi teori-prinsip mekanika klasik Newton.

Bagaimana nilai kebenaran teori-prinsip dan teori-konstruksi? Jelas, teori-konstruksi bernilai benar hanya pada kasus-kasus terbatas. Sementara, teori-prinsip berlaku umum tetapi tetap terbuka peluang untuk modifikasi. Bagaimana pun, kita akan tetap dihadapkan pada kasus “underdetermined” di mana kita tidak bisa memastikan klaim kebenaran. Dalam hal ini, kita perlu memilih interpretasi yang melibatkan hermeneutika.

1.7 Hermeneutik

Einstein adalah imuwan yang mahir memanfaatkan interpretasi hermeneutika. Di saat yang sama, Einstein sadar bahwa para pemikir-pemikir masa lalu merumuskan teori juga “hanya” berdasar interpretasi belaka.

Aristoteles menyatakan bahwa benda yang bergerak bila dibiarkan, pada akhirnya, akan berhenti. Aristo menafsirkan alam raya ini berisi beragam benda. Tidak ada ruang hampa. Setiap ruang akan diisi oleh suatu benda, minimal diisi oleh udara. Sehingga, benda yang bergerak akan menabrak benda-benda lain, dan pada akhirnya, akan berhenti. Itulah interpetasi Aristo.

Newton membuat interpretasi berbeda. Di alam raya ini, terdapat ruang hampa bebas hambatan. Benda yang bergerak, dengan kecepatan tetap, akan tetap bergerak selamanya bila tidak ada yang mengganggu. Tetapi, bukankah bola yang menggelinding, pada akhirnya, akan berhenti sendiri?

Tentu saja. Karena bola tersebut mengalami gangguan misal gesekan udara atau gesekan bidang tanahnya. Bila kita buatkan bidang tanahnya lebih licin, mengurangi gangguan, maka bola akan lebih lama bergerak tidak berhenti. Jika kita bisa membuat licin sempurna tanpa gangguan sama sekali maka bola akan bergerak selamanya.

Interpretasi Newton, dilengkapi dengan kalkulus, terbukti mendorong sains dan teknologi berkembang sampai puncak kejayaan.

Einstein membuat interpretasi yang berbeda dengan Newton. Tidak ada ruang hampa seperti itu. Setiap ruang ada isinya yaitu materi. Atau, lebih tepatnya, ruang dan materi-energi saling berhubungan. Materi dapat melengkungkan ruang. Ruang mengarahkan gerak materi. Materi menciptakan ruang dan ruang menciptakan materi. Ruang dan materi adalah satu kesatuan. Dari interpretasi Einstein ini terciptalah teori relativitas-umum yang fenomenal itu.

Beberapa saintis, barangkali, merasa tidak nyaman bahwa sains menjadi sebentuk interpretasi. Karena, sains adalah ilmu pasti yang bersifat obyektif terbebas dari interpretasi subyektif. Klaim bahwa sains bersifat obyektif, tentu saja, bisa kita pahami. Bahkan, kita selalu berusaha menjunjung sikap obyektif dalam sains. Meski demikian, seperti kita lihat di atas, peran interpretasi tetap besar dalam sains. Sehingga, kita perlu mempertimbangkan hermeneutika dalam banyak hal.

Kiranya perlu kita catat bahwa, dalam filsafat sains, Einstein mengutamakan “kejelasan”. Sehingga, formula matematika menjadi pilihan utama. Dan, Einstein bersemangat untuk mengejar realitas paling fundamental atau realitas basit.

2. Sains Newton

Keunggulan filsafat Einstein adalah dengan tegas menyatakan suatu postulat. Yaitu, sesuatu yang diterima sebagai pasti benar. Misal, kecepatan cahaya di ruang hampa adalah c yang merupakan kecepatan maksimal.

Sementara filsafat sains klasik, misal mekanika Newton, tidak menyebut adanya postulat secara eksplisit. Akibatnya, kita mengira sains Newton sebagai bersifat pasti benar, atau, pasti lengkap. Padahal, tidak seperti itu realitasnya. Sains Newton, sains klasik, menetapkan postulat, di antaranya,

a) Ada ruang-hampa yang diam dan datar halus.
b) Ada waktu yang bergerak linear mutlak.
c) Materi fisik adalah realitas basit paling fundamental.

Kita akan mencoba mengkaji secara eksplisit postulat-postulat sains klasik secara bertahap. Postulat Newton dilengkapi dengan matematika melahirkan kalkulus untuk ilmu alam. Newton berhasil dengan gemilang menyatukan matematika dengan sains empiris. Kepler, Copernicus, dan Galileo telah membuka jalan bagi Newton beberapa tahun lebih awal.

2.1 Ruang Hampa

Postulat adanya ruang hampa yang halus, datar, dan tenang tampak masuk akal. Kita bisa membayangkan, awalnya, hanya ada ruang hampa. Kemudian, dalam ruang hampa itu, ditempatkan matahari, bumi, bulan, dan lain-lain.

Di dalam ruang hampa ini, Newton menetapkan hukum pertama tentang inersia.

“Benda yang diam akan tetap diam dan benda yang bergerak dengan kecepatan tetap akan tetap bergerak dengan kecepatan tetap bila tidak ada gaya yang bekerja padanya.”

Hukum inersia Newton ini merevisi pandangan orang awam dan rumusan Aristoteles. “Benda yang bergerak, bagi orang awam, akan berhenti pada akhirnya bila tidak ada yang mendorong.” Orang awam menganggap benda akan berhenti karena orang awam tidak membuat postulat eksistensi ruang hampa yang bebas hambatan. Newton lebih benar dari orang awam karena ada postulat ruang hampa, kelak, bisa dibuat model matematika yang sempurna.

Hukum kedua Newton merupakan formula lebih umum dari hukum pertama bahwa gaya berbanding lurus dengan percepatan. Sementara, hukum ketiga, tentang aksi-reaksi, memastikan bahwa benda diam adalah memiliki percepatan nol.

2.2 Waktu Mutlak

Postulat kedua menyatakan eksistensi waktu obyektif yang mutlak bagi semua pihak. Lagi-lagi, ini adalah postulat yang masuk akal. Setiap orang bisa mengukur waktu 1 jam pakai arloji, misalnya. Orang-orang yang berbeda akan sepakat dengan hasil pengukuran teman-temannya. Perubahan waktu ini bersifat stabil 1 jam, 2 jam, 3 jam, dan seterusnya.

Dengan dua postulat, ruang hampa dan waktu mutlak, Newton berhasil menerapkan kalkulus terhadap fenomena sains alam. Apel yang jatuh dari atas pohon itu, bisa dihitung kecepatan dan posisi setiap saatnya. Termasuk, gerak matahari dan planet-planet bisa dihitung dengan presisi tinggi.

Misal, ketika apel jatuh, 1 detik kemudian, menempuh jarak 5 meter. Maka kecepatan apel, saat 1 detik itu, adalah 10 m/s. Dan, nasib apel selanjutnya sudah bisa dihitung dengan pasti. Kecepatan, saat detik ke 2, adalah 20 m/s dan sudah menempuh jarak 20 meter. Determinisme ilmiah terbentuk saat itu.

Tetapi, bukankah bentuk dan ukuran apel berbeda-beda? Demikian juga bentuk rembulan berbeda dengan matahari. Apakah nasib mereka bisa ditentukan oleh hukum Newton yang sama?

Terdapat beberapa cara solusinya. Kita bisa mengembangkan teori Newton dengan mempertimbangkan bentuk benda. Tentu menjadi lebih rumit meski bisa dilakukan. Cara kedua, kita bisa menganggap benda-benda yang dikaji sebagai suatu titik ideal. Cara ini lebih praktis. Kemudian, kita melengkapinya dengan toleransi dan statistik.

2.3 Eksistensi Materi

Postulat ketiga adalah eksistensi materi sebagai realitas fundamental. Materi adalah realitas basit. Postulat materi ini, tampak, begitu jelas bahkan bagi orang awam.

Dari mana materi itu hadir? Kita tidak perlu bertanya seperti itu. Karena, materi adalah jawaban dari pertanyaan-pertanyaan sains. Materi adalah realitas basit yang menghubungkan gaya dengan percepatan. Lebih tepatnya, perbandingan gaya dengan percepatan adalah massa dari materi. Tepat, sesuai hukum Newton. Massa materi seperti ini disebut sebagai massa inersia.

Dari sudut pandang gravitasi, besar gaya gravitasi berbanding lurus dengan kedua massa dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak mereka. Dalam kasus ini, adalah massa gravitasi.

Sejarah mencatat bahwa fisika Newton sukses luar biasa. Bahkan sains di bidang lain berminat mengadopsi pendekatan sains fisika Newton. Apakah, dengan demikian, fisika Newton bernilai benar? Apakah postulat-postulat Newton bernilai benar? Kita tahu, postulat adalah sebentuk interpretasi. Kelak, Einstein merevisi postulat Newton dari dasar-dasarnya.

Mengapa harus merevisi fisika Newton? Karena, gelombang elektromagnetik tidak mau patuh kepada fisika Newton. Tampaknya, Einstein lebih percaya kepada gelombang elektromagnetik Maxwell. Maka, Einstein memanfaatkan gelombang elektromagnetik untuk merevisi fisika klasik Newton.

3. Elektromagnetik Interpretasi Maxwell

Maxwell berhasil menyatukan dinamika elektro dan magnet membentuk gelombang elektromagnetik pada akhir abad 19. Berbeda dengan gelombang biasa, misal gelombang air, membutuhkan medium untuk menjalar yaitu air. Gelombang elektromagnetik bisa menjalar tanpa media, bisa menjalar di ruang hampa. Bahkan, kecepatan menjalar adalah tetap sama dengan c tidak dipengaruhi gerak sumber atau pun gerak pengamat.

Di tempat lain, para peneliti menemukan bahwa kecepatan rambat gelombang cahaya adalah c. Mereka tidak paham apa sejatinya gelombang cahaya tersebut. Maxwell mengambil langkah dengan membuat interpretasi yang berani: gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Poincare menduga bahwa sains perlu menetapkan batas maksimal kecepatan. Poincare menduga kecepatan cahaya c adalah batas maksimal. Bagi Poincare, batas maksimal adalah penting layaknya batas minimal suhu mutlak adalah nol.

Pada awal abad 20, Einstein siap tampil di panggung filsafat sains dengan menetapkan beragam interpretasi di atas menjadi postulat teori “Relativitas Khusus” yang revolusioner itu.

Jadi, apa saja hebatnya interpretasi elektromagnetik? Pertama, Maxwell berhasil membuat interpretasi tegas hasil eksperimen sains menjadi teori matematis-aksiomatis gelombang elektromagnetik. Kedua, Maxwell menginterpretasikan cahaya sebagai gelombang elektromagnetik. Ketiga, Poincare menginterpretasikan c sebagai kecepatan maksimum.

4. Postulat Relativitas Khusus

Einstein mengajukan dua postulat untuk teori “Relativitas Khusus.”

(1) Hukum sains bersifat simetris, tetap sama, dipandang dari beragam kerangka acuan yang berbeda.

(2) Kecepatan maksimum adalah kecepatan cahaya di ruang hampa yaitu konstanta c.

Dua postulat, di atas, merombak fisika Newton dari landasan paling fundamental. Lagi pula, Einstein menyebut keduanya sebagai postulat secara eksplisit. Di satu sisi, kita menjadi paham bahwa postulat itu perlu diterima sebagai kebenaran. Di sisi lain, kita tidak terbebani untuk membuktikan keabsahan dari postulat itu. Tetapi, apakah postulat itu memang bernilai benar? Tetap menjadi pertanyaan terbuka.

Dalam suatu seminar, pembawa acara mengenalkan Einstein kepada pendengar sebagai saintis raksasa yang berdiri di pundak saintis raksasa lainnya. Einstein berdiri di pundak Newton kata pembawa acara. Buru-buru, Einstein meralat peryataan itu, “Saya beridiri di pundak Maxwell.” Tampaknya, Einstein memandang Maxwell sebagai sumber inspirasi, sedangkan, Newton sebagai obyek inspirasi.

4.1 Postulat Simetri

Tentu saja, kita bisa sepakat dengan postulat simetri. Hukum sains perlu bersifat sama, atau simetris, dipandang dari beragam kerangka acuan. Apa masalahnya? Bukankah memang seperti itu? Bukankah mekanika Newton juga seperti itu?

Mekanika Newton tidak memenuhi postulat simetri. Mekanika Newton akan menghasilkan formula berbeda dilihat oleh orang yang diam dibanding dengan orang yang bergerak. Begitu kah? Mekanika klasik tidak demokratis, membeda-bedakan pengamat. Sementara, relativitas memandang semua pengamat sebagai setara, demokratis.

Kita perlu ilustrasi untuk memahami postulat ini.

Bayangkan Anda sedang berada tepat di tengah-tengah (T) kereta yang panjang. Ujung depan kereta adalah A dan ujung belakang adalah B. Jelas, jarak AT sama dengan BT. Secara serentak, dari A dan B dilemparkan bola ke arah T dengan kecepatan tetap yang sama besar. Maka bola sampai ke titik T serentak, bersamaan.

Berikutnya, skenario berbeda, kereta bergerak ke depan. Karena kereta mendekat ke arah A maka bola A akan lebih cepat sampai T. Sementara, bola B akan lebih lambat karena T menjauh dari B.

Masalah muncul, kita tidak tahu apakah kereta itu sedang diam atau sedang bergerak dengan kecepatan tetap. Karena sama-sama tidak ada percepatan maka tidak ada perbedaan. Tetapi, mekanika Newton tidak demokratis, tidak simetris, membeda-bedakan antara pengamat diam dengan pengamat bergerak.

Situasi sebenarnya lebih ekstrem. Dari A dan B bukan dilemparkan bola tetapi ditembakkan cahaya. Apakah cahaya A datang lebih awal atau serentak?

4.2 Postulat Kecepatan Cahaya

Kecepatan cahaya adalah c yang merupakan konstanta kecepatan maksimum. Cahaya A dan cahaya B serentak tiba di T bersama-sama. Tetapi, kita tidak tahu apakah kereta sedang diam atau bergerak? Tidak masalah. Kereta sedang diam atau bergerak maka kecepatan cahaya tetap sama c. Karena jarak AT = BT maka waktu tempuh juga sama. Sehingga, cahaya A dan cahaya B tiba serentak di T.

Relativitas berhasil menunjukkan sifat simetris demokratis. Kereta bergerak atau diam maka sama saja cahaya tiba di T serentak. Bagaimana bisa begitu?

Bisa terjadi karena yang mutlak adalah kecepatan cahaya c. Ruang hampa tidak mutlak. Gerak waktu juga tidak mutlak.

Ketika kereta bergerak, bagi pengamat yang ikut kereta di titik T, tidak ada perbedaan dengan kereta diam. Tetapi, bagi pengamat diam yang ada di stasiun ada perbedaan. Meski demikian, kecepatan cahaya c tetap konstan bagi pengamat diam itu. Sementara, jarak AT = BT menjadi lebih pendek dibanding ketika diam. Demikian juga, waktu tempuh AT = BT lebih pendek dibanding ketika diam. Dan, cahaya tiba di T tetap serentak.

4.3 Revisi Postulat

Postulat Einstein merevisi postulat Newton. Ruang hampa tidak mutlak. Jarak tidak mutlak. Besar atau kecil ukuran jarak relatif terhadap kerangka acuan. Demikian juga ukuran waktu tidak mutlak. Besar atau kecil durasi waktu relatif terhadap kerangka acuan. Hasilnya, semua hukum sains bersifat simetris terhadap kerangka acuan masing-masing. Setiap kerangka acuan memiliki kedudukan yang setara, demokratis.

Konsekuensi terpenting dari revisi postulat ini adalah hukum kesetaraan massa dan energi yang sangat terkenal itu.

E = mc^2

Hanya dengan secuil massa radioaktif, kita bisa menghasilkan energi nuklir yang besar luar biasa.

Bagaimana Einstein bisa melakukan revisi postulat seperti itu? Di satu sisi, Einstein memang jenius dengan fokus hanya pada dua postulat. Di sisi lain, semua bahan sudah tersedia. Einstein hanya merangkai formula dari saintis-saintis sebelumnya.

Kebutuhan hukum sains yang simetris sudah menjadi kebutuhan umum bagi para saintis. Kecepatan cahaya sebagai konstanta sudah dirumuskan oleh Maxwell. Kecepatan cahaya sebagai kecepatan maksimum sudah ditetapkan oleh Poincare. Sedangkan, kesetaraan massa dan energi sudah dirumuskan oleh beberapa ilmuwan.

Barangkali, transformasi Lorentz menjadi alat paling penting bagi Einstein untuk postulat simetri. Jika semua formula sudah ditemukan oleh para ilmuwan sebelumnya, lalu, apa penemuan orisinal dari Einstein? Relativitas-khusus dan relativitas-umum.

5. Relativitas Umum

Tahun 1905 adalah tahun produktif bagi Einstein. Teori efek fotolistrik, teori gerak Brown, dan teori relativitas-khusus terbit dalam waktu yang hampir serentak. Dengan sukses besar itu, Einstein masih penasaran. Pada tahun 1915, Einstein menerbitkan teori relativitas-umum yang fundamental itu.

Barangkali, kita bisa menyebut teori relativitas-umum adalah teori-prinsip paling orisinal sepanjang sejarah umat manusia.

Einstein Equation (EE) bisa kita tuliskan dalam ragam bentuk. Demi kesederhanaan, kita tulis sebagai,

R + A = T

Sebelah kiri, R menyatakan curvature dan A adalah konstanta kosmologi. Gabungan R dan A ini, sederhananya, menggambarkan bentuk ruang dan waktu dari semesta.

Sebelah kanan, T menyatakan tensor tekanan-energi yang menggambarkan materi dan energi di alam raya.

Secara keseluruhan, bentuk ruang-waktu di sebelah kiri setara dengan materi-energi di kanan. Eksistensi ruang-waktu berkaitan erat dengan eksistensi materi-energi. Tidak ada ruang-waktu hampa. Karena, setiap ada ruang-waktu maka setara dengan ada massa-energi. Sebaliknya, juga terjadi. Einstein menyebut EE sebagai persamaan “medan”. Lebih tepatnya, persamaan medan gravitasi. Einstein meyakini medan sebagai realitas basit.

Lalu, apa sulitnya? Bukankah itu semua masuk akal?

Memang masuk akal tetapi sulit sekali EE di atas. Dengan beragam penyederhanaan, EE akan berubah menjadi persamaan gravitasi Newton. Dengan penyederhanaan lain, EE menjadi teori relativitas khusus. EE sendiri adalah relativitas umum.

Sebelum membahas hebatnya relativitas umum, mari kita pertimbangkan dulu alasan mengapa kita perlu relativitas umum?

5.1 Postulat Klasik

Kita sudah bahas di atas, postulat klasik mengasumsikan eksistensi ruang hampa dan waktu mutlak. Postulat ini tidak bisa dipertahankan. Mengapa atau bagaimana ada ruang hampa yang istimewa? Waktu-mutlak mengakibatkan tidak konsisten di berbagai tempat. Proses spontan, perubahan dengan waktu 0, menyebabkan kekacauan struktur alam semesta.

Poincare menunjukkan bahwa persepsi ruang hampa datar, sesuai Euclid, adalah interpretasi manusia belaka. Kita bisa membuat interpretasi yang berbeda dari interpretasi Euclidean. Misal, ruang melengkung. Dan, pada waktunya, berkembang geometri non-Euclidean. Tentu saja, Einstein memanfaatkan geometri non-Euclidean.

Dengan menolak waktu-mutlak dan membatasi kecepatan maksimum adalah c, maka, segala proses membutuhkan waktu. Tidak ada proses spontan. Tidak ada proses yang tidak membutuhkan waktu. Dan, proses ini pun bersifat lokal. Yaitu, lokal dibatasi oleh jarak tempuh cahaya. Kita mengenal istilah corong-cahaya.

Semua problem mekanika klasik di atas, bisa diselesaikan oleh relativitas-khusus. Bagaimana pun, relativitas-khusus tetap berlaku secara khusus.

5.2 Batasan Relativitas Khusus

Einstein sendiri mengungkapkan keterbatasan dari relativitas-khusus. Yaitu, hanya berlaku untuk kerangka acuan diam atau bergerak dengan kecepatan tetap. Memang, di lama raya ini, ada kerangka acuan yang diam? Ada kerangka acuan dengan kecepatan tetap?

Bila kita mempertimbangkan kecepatan sebagai vektor, yang punya besar dan arah, apakah ada vektor kecepatan yang tetap arahnya?

Ringkasnya, meski relativitas-khusus berhasil mengatasi problem mekanika klasik, relativitas-khusus tidak berhasil menjelaskan banyak fenomena alam. Kita memerlukan relativitas-umum untuk mengatasi beragam batasan itu.

Di sisi lain, relativitas-khusus mengasumsikan eksistensi ruang, waktu, dan materi sudah ada begitu saja. Dari mana, dan bagaimana, mereka bisa eksis? Hanya relativitas-umum yang akan mampu menjawabnya.

5.3 Statistik Quantum

Tahun 1915, ketika relativitas-umum terbit, mekanika quantum masih dalam tahap awal pengembangan. Pertama, Planck menyatakan bahwa radiasi benda hitam berupa paket-paket quanta – bukan kontinu. Bagi Planck, quanta adalah sekedar trik menghitung realitas radiasi bukan radiasi itu sendiri. Kedua, Einstein menyatakan bahwa energi pada efek fotolistrik juga berupa paket quanta sesuai Planck. Dalam kasus fotolistrik, quanta adalah realitas ontic, bukan sekedar trik menghitung. Ketiga, Bohr menyatakan bahwa elektron mengitari inti atom hanya pada lintasan tertentu saja. Tidak bisa sebarang lintasan.

Perkembangan teori quantum, di masa awal itu, sudah cukup menyulitkan mekanika klasik. Pada tahun 1920an, prinsip ketidak-pastian Heisenberg memastikan fisika quantum berbeda dengan fisika klasik. Fisika quantum bersifat probabilistik-statistik atau tidak pasti.

Einstein mengantisipasi perkembangan teori quantum ini dan menolaknya. Quantum bersifat statistik karena tidak lengkap, menurut Einstein. Jika teori quantum merupakan teori yang lengkap maka akan mampu memberi prediksi secara pasti dari sudut sains. Relativitas-umum adalah solusi dari ketidak-pastian quantum tersebut.

5.4 Solusi Relativitas Umum

Sangat besar tugas relativitas-umum untuk menyelesaikan beragam problem sains. Einstein, tampaknya, memang menempatkan target yang sangat tinggi. Akankah Einstein berhasil meraihnya?

Ujian penentuan bagi kehebatan teori relativitas-umum terjadi tahun 1919. Massa dan ruang saling bersatu. Massa yang besar, misal matahari, mampu membelokkan ruang di dekatnya. Ketika cahaya melewati dekat matahari maka cahaya akan ikut dibelokkan karena ruang berbelok. Apakah benar?

Tentu, kita tidak bisa melihat pembelokan cahaya di dekat matahari karena cahaya matahari sendiri terlalu kuat. Kita perlu menunggu gerhana matahari yang akan terjadi pada tahun 1919, waktu itu. Teori relativitas-umum sedang dipertaruhkan.

Hasil pengamatan ketika terjadi gerhana matahari menunjukkan bahwa sinar dibelokkan oleh matahari. Teori relativitas-umum terkonfirmasi benar. Nama Einstein dan teorinya makin diterima masyarakat luas.


6. Medan Gravitasi
7. Teori Medan Quantum

Iklan

Diterbitkan oleh Paman APiQ

Lahir di Tulungagung. Hobi: baca filsafat, berlatih silat, nonton srimulat. Karena Srimulat jarang pentas, diganti dengan baca. Karena berlatih silat berbahaya, diganti badminton. Karena baca filsafat tidak ada masalah, ya lanjut saja. Menyelesaikan pendidikan tinggi di ITB (Institut Teknologi Bandung). Kini bersama keluarga tinggal di Bandung.

Tinggalkan komentar

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout /  Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout /  Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout /  Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: