Bab ke-5 The Grand Design, The Theory of Everything (bagian 4)

Bayangkan anda ingin bepergian dari New York ke Madrid, dua kota yang berada pada garis lintang yang hampir sama. Jika bumi ini datar, rute terpendek akan berupa garis lurus ke timur. Jika anda melakukan demikian, anda akan tiba di Madrid setelah menempuh jarak 5931 km. Namun karena lengkungan bumi, ada jalur yang pada peta datar terlihat melengkung sehingga lebih panjang, tetapi sebenarnya lebih pendek. Anda bisa menempuh 5768 km bila mengikuti rute lingkaran-akbar, yang awalnya mengarah ke timur laut lalu sedikit demi sedikit membelok ke timur lalu ke arah tenggara. Selisih jarak antara dua rute ini disebabkan oleh kelengkungan bumi, tanda dari geometri non-Euclidean. Maskapai mengetahui hal ini dan mengatur para pilotnya untuk mengikuti rute lingkaran-akbar bila memungkinkan.

Berkat hasil kerja Einstein, fisikawan menyadari bahwa dengan menetapkan kecepatan cahaya sama untuk semua kerangka acuan, teori Maxwell mengenai kelistrikan dan kemagnetan mengajarkan bahwa waktu tak dapat dipisahkan dari tiga dimensi ruang. Alih-alih, waktu dan ruang saling berjalinan. Ini seperti menambahkan arah keempat berupa masa depan/masa lalu pada tiga arah biasa yaitu kiri/kanan, maju/mundur, dan atas/bawah. Fisikawan menyebut perkawinan antara ruang dan waktu dengan “ruang-waktu.” Nah, karena ruang-waktu berisi arah keempat, mereka menyebutnya dimensi keempat. Dalam ruang-waktu, waktu tidak lagi terpisah dari tiga dimensi ruang. Pendeknya, sebagaimana definisi kiri/kanan, maju/mundur atau atas/bawah bergantung pada orientasi pengamat, demikian pula arah waktu juga bervariasi bergantung pada kecepatan pengamat. Pengamat-pengamat yang bergerak dengan kecepatan yang berbeda akan memilih arah waktu yang berbeda pula dalam ruang-waktu. Karena itu teori relativitas khusus Einstein menjadi model baru yang membuang konsep waktu mutlak dan diam mutlak (contohnya diam yang berhubungan dengan ether yang tetap).

Einstein lalu menyadari bahwa untuk membuat gravitasi cocok dengan relativitas maka perlu ada perubahan. Menurut teori gravitasi Newton, pada sembarang waktu benda-benda tertarik satu sama lain oleh suatu gaya yang bergantung pada jarak antara benda-benda itu pada saat itu. Namun teori relativitas telah membuang konsep waktu mutlak, karena itu tidak mungkin mendefinisikan kapan jarak antara kedua massa itu seharusnya diukur. Sehingga teori gravitasi Newton tidak konsisten dengan relativitas khusus sehingga harus dimodifikasi. Modifikasi ini hanya sekedar hal-hal teknis, mungkin sedikit rincian yang bisa dilakukan tanpa perubahan besar pada teorinya. Ketika modifikasi ini muncul, salah satu teori tidaklah lebih benar dari lainnya.

Selama sebelas tahun Einstein mengembangkan teori gravitasi yang baru, yang dia namakan relativitas umum. Konsep gravitasi dalam relativitas umum sama sekali berbeda dengan gravitasi dalam hukum Newton. Alih-alih, konsep ini berdasarkan gagasan revolusioner bahwa ruang-waktu tidaklah datar, seperti diasumsikan sebelumnya, namun melengkung dan dipengaruhi massa dan energi di dalamnya.

Cara yang baik untuk melukiskan kelengkungan adalah memikirkan permukaan bumi. Meskipun permukaan bumi hanya dua dimensi (karena hanya dua arah di sepanjang permukaan, katakanlah utara/selatan dan timur/barat), kami akan memakainya sebagai contoh sebab ruang dua-dimensi lengkung lebih mudah digambarkan daripada ruang empat-dimensi lengkung. Geometri dari ruang lengkung seperti permukaan bumi bukanlah geometri Euclidean yang kita kenal. Contohnya, pada permukaan bumi, jarak terpendek dari dua titik – yang kita kenal sebagai garis dalam geometri Euclidean – adalah jalur yang menghubungkan dua titik di sepanjang apa yang disebut lingkaran-akbar. (lingkaran akbar adalah lingkaran di sepanjang permukaan bumi yang titik pusatnya sekaligus adalah pusat bumi. Khattulistiwa adalah contoh lingkaran-akbar, sehingga sembarang lingkaran didapat dengan memutar-mutar khattulistiwa di sepanjang diameter-diameter yang berbeda-beda.)

Bayangkan anda ingin bepergian dari New York ke Madrid, dua kota yang berada pada garis lintang yang hampir sama. Jika bumi ini datar, rute terpendek akan berupa garis lurus ke timur. Jika anda melakukan demikian, anda akan tiba di Madrid setelah menempuh jarak 5931 km. Namun karena lengkungan bumi, ada jalur yang pada peta datar terlihat melengkung sehingga lebih panjang, tetapi sebenarnya lebih pendek. Anda bisa menempuh 5768 km bila mengikuti rute lingkaran-akbar, yang awalnya mengarah ke timur laut lalu sedikit demi sedikit membelok ke timur lalu ke arah tenggara. Selisih jarak antara dua rute ini disebabkan oleh kelengkungan bumi, tanda dari geometri non-Euclidean. Maskapai mengetahui hal ini dan mengatur para pilotnya untuk mengikuti rute lingkaran-akbar bila memungkinkan.

Menurut hukum gerakan Newton, benda-benda seperti meriam, jemblem dan planet bergerak pada garis lurus kecuali dikenai gaya terhadapnya, misalnya gravitasi. Namun gravitasi, pada teori Einstein, bukanlah gaya sebagaimana gaya-gaya yang lain; namun, gravitasi merupakan akibat dari massa yang menarik-narik ruang-waktu, sehingga tercipa kelengkungan. Menurut teori Einstein, benda bergerak dalam geodesic, yaitu bentuk terdekat dengan garis lurus pada ruang lengkung. Garis adalah geodesic pada ruang datar dan lingkaran akbar adalah geodesic pada permukaan bumi. Bila tidak ada materi, geodesic dalam ruang-waktu empat-dimensi sesuai dengan garis pada ruang tiga-dimensi. Namun ketika materi ada, menarik-narik ruang-waktu, jalur benda pada lengkungan permukaan tiga-dimensi sedemikian hingga sebagaimana pada teori Newton dijelaskan sebagai tarikan gravitasi. Ketika ruang-waktu tidak datar, jalur benda terlihat bengkok, sehingga terkesan ada gaya yang sedang bekerja pada jalur itu.

Teori relativitas umum akan menghasilkan relativitas khusus jika gravitasi tidak ada, dan relativitas khusus membuat prediksi-prediksi yang hampir sama dengan teori gravitas Newton dalam lingkungan gravitasi-lemah di tata surya – meski tidak sepenuhnya. Nyatanya, jika relativitas khusus tidak diperhitungkan dalam sistem navigasi satelit GPS, error pada posisi global akan berakumulasi hingga sepuluh kilometer per hari! Namun, pentingnya relativitas khusus bukanlah pada aplikasinya pada peralatan yang memandu anda ke restoran baru, tetapi lebih pada bahwa ini adalah model alam semesta yang sangat berbeda, yang memprediksi efek-efek baru seperti gelombang gravitasi dan lubang hitam. Demikian pula teori ini telah mengubah fisika menjadi geometri. Teknologi modern cukup peka untuk melakukan banyak pengujian terhadap relativitas umum, dan teori ini berhasil lulus pada tiap pengujian itu.

Meskipun keduanya, teori elektromagnetisme dan relativitas umum, merupakan revolusi dalam fisika namun keduanya, seperti hukum fisika Newton, masih teori klasik. Karena kedunya merupakn model di mana alam semesta mempunyai sejarah tunggal. Seperti kita lihat pada bab sebelumnya, pada tingkat atom dan sub-atom model-model ini tidak cocok dengan pengamatan. Alih-alih, kami harus memakai teori kuantum di mana alam semesta dapat mempunyai sejarah sembarang yang mungkin, masing-masing dengan intensitas dan peluangnya sendiri-sendiri. Untuk perhitungan praktis pada kehidupan sehari-hari, kita dapat terus memakai teori-teori klasik, tapi bila kita ingin memahami perilaku atom dan molekul, kita membutuhkan versi kuantum dari teori elektromagnetisme Maxwell; dan jika kita ingin memahami tahap dini alam semesta, ketika semua materi dan energi di alam semesta termampatkan dalam volume yang kecil, kita harus mempunyai versi kuantum dari teori relativitas umum. Kita juga membutuhkan versi kuantum bila kita sedang mencari pemahaman dasar dari alam semesta, tentunya tidak konsisten bila beberapa hukum adalah versi kuantum sedangkan yang lain adalah versi klasik. Karena itu kita harus mencari versi kuantum dari semua hukum alam. Teori-teori demikian disebut teori medan kuantum.

Diterjemahkan dari The Grand Design karya Hawking & Mlodinow

untuk terjemahan bab-bab lain kunjungi http://id.wordpress.com/tag/the-grand-design-2/