Kain Ruang-Waktu

Jika sebuah lampu sorot atau senter laser kita arahkan ke angkasa, maka lintasan cahayanya tidak akan lurus. Bukan karena sinar itu mengalami pembiasan atau pemantulan, tapi karena memang ruang yang dilewatinya memang melengkung.

Seratus tahun setelah Einstein merumuskan teori relatifitas, masih banyak yang tidak sadar bahwa meraka sedang tinggal "diatas" kain ruang-waktu.

Ruang

Ruang adalah tempat semua materi di alam ini berada. Jika semua benda di sekitar anda: meja, kursi, laptop, smartphone, mobil, manusia, hewan, tumbuhan, gedung, gunung, laut, bumi, matahari, planet, bintang, galaksi, dihilangkan semuanya sehingga yang tersisa hanyalah kekosongan, maka kekosongan itulah yang disebut ruang.

Menurut fisika klasik, ruang bersifat statis. Dalam geometri, ia biasa digambarkan sebagai sistem koordinat Kartesian 3 dimensi (3D) dengan 3 sumbu x-y-z yang saling tegak lurus. Dalam ruang ini cahaya pasti bergerak lurus dan tidak akan ada yang bisa mempengaruhi kelurusannnya. Cahaya adalah foton tidak memiliki massa, sehingga tidak terpengaruh oleh hukum gravitasi ala Newton.

Tapi tahun 1915, Einstein menemukan bahwa ruang memiliki sifat yang aneh. Ia tidaklah statis dan linier. Ia bisa melengkung, yang akibat lengkungannya itu, cahaya akan bergerak melengkung mengikuti lengkungan ruang yang dilewatinya.

Hukum Gravitasi Umum Newton

Tahun 1686, Sir Isaac Newton merumuskan fenomena bahwa 2 benda yang memiliki masa m1 & m2 akan "menimbulkan suatu gaya" yang membuat kedua benda itu tarik menarik. Menurut Newton, gaya inilah yang menyebabkan apel jatuh ke tanah. Disebut gaya gravitasi.

 

Newton sendiri tidak berhasil menjelaskan apa penyebab munculnya gaya gravitasi itu. Selama hampir 300 tahun hukum ini bersama dengan hukum Kepler tentang orbit benda langit telah sukses digunakan untuk menghitung sebagian besar pergerakan benda-benda langit.

Teori Relatifitas Umum (TRU)

Tahun 1915 dunia fisika dibangunkan oleh tulisan ilmiah Albert Einstein menyatakan bahwa aksi tarik-menarik antar 2 benda bermassa dan bentuk lintasan benda langit bukanlah karena adanya gaya tarik-menarik, tetapi karena memang ruang yang ditempati benda-benda itu secara geometris berubah bentuk. Jadi gravitasi bukanlah soal gaya tarik-menarik tetapi adalah soal geometri.

Suatu benda yang bermassa akan mempengaruhi ruang di sekitarnya sehingga ruang itu berubah bentuk. Benda massif (bermassa super besar) seperti planet atau bintang akan "menarik" ruang disekitarnya. Tentu saja perubahan bentuk ruang itu tidak terlihat oleh mata manusia. Selanjutnya benda lain yang bermassa lebih kecil - kita sebut saja Z - yang ada di sekitar benda massif itu - kita sebut saja X - akan bergerak mendekati X karena ruang yang ditempati Z "ditarik" oleh X.

Secara matematis, rumusan TRU amat sangat sulit untuk dicerna oleh orang awam seperti saya. Ia memerlukan pengetahuan dan ketrampilan matematika dan fisika tingkat tinggi.

Kain Kosmik

Untuk menjelaskan fenomena ini kepada orang awam para ahli fisika modern mengilustrasikan ruang 3-dimensi dengan kain (2-dimensi). Jika sebuah kain sprei kita tarik dengan kuat ujung-ujung dan sisi-sisinya secara mendatar maka kain itu akan tampak datar seperti meja. Kain ini merupakan representasi dan penyederhanaan dari ruang 3D yang kita huni bersama ini.

Jika kita meluncurkan sebuah kelereng kecil diatas kain tersebut maka kelereng itu akan bergerak lurus. Bentuk kain hampir-hampir tidak terpengaruh oleh gerak kelereng tadi. Ini adalah ilustrasi gerak lurus suatu benda bermassa ringan di dalam ruang.

Jika kita menggambar suatu garis lurus diatas kain tersebut maka garis tersebut akan tampak normal (lurus). Garis ini adalah ilustrasi lintasan cahaya yang bergerak lurus di dalam ruang.

Lintasan Cahaya Yang Melengkung

Jika kemudian kita letakkan sebuah bola bowling yang berat di tengah kain maka - karena sifat elastisitasnya - kain akan membentuk cekungan akibat berat bola bowling tadi. Garis lurus yang tadi kita gambar akan tampak tidak lurus lagi, tapi ikut melengkung mengikuti cekungan kain (space curvature). Bola bowling adalah ilustrasi benda langit massif seperti matahari, bintang, planet. Cahaya yang bergerak lurus jika mendekati benda masif akan melengkung akibat perubahan ruang akibat massa benda tadi.

Fenomena inilah yang menjelaskan terjadinya kesalahan dalam pengamatan posisi suatu bintang saat terjadi gerhana matahari. Cahaya bintang yang ada di belakang matahari mengalami defleksi sehingga pengamat di bumi melihatnya berada di samping matahari.

Gravitasi

Jika kita letakkan sebuah kelerang di pinggir kain, maka kelereng akan bergerak perlahan dan makin cepat meluncur jatuh kedalam cekungan kain. Ini adalah ilustrasi dari gaya tarik-menarik antar benda langit. Menurut Einstein, gravitasi adalah perubahan geometri ruang, dan bukanlah gaya tarik-menarik seperti yang dikira oleh Newton.

Bentuk Orbit Benda langit.

Jika kita gelindingkan kelereng/koin logam dengan cukup cepat ke arah diantara tengah dan pinggir kain, maka kelereng/koin akan bergerak berputar-putar mengelilingi bola bowling karena terjebak di dalam cekungan kain seperti sepeda motor yang meluncur berputar-putar di dalam tong setan. Ini adalah ilustrasi bagaimana orbit planet mengelilingi bintang/matahari bisa terbentuk menurut TRU. Kelereng/koin adalah perumpamaan planet yang mengelilingi matahari atau bulan mengelilingi bumi.

TRU berhasil mengoreksi kesalahan perhitungan bentuk lintasan planet Merkurius - yang sebelumnya menggunakan formulasi mekanika klasik - menjadi lebih akurat.

Kesatuan Ruang-Waktu

Lebih jauh, dalam TRU, Einstein mengatakan bahwa ruang dan waktu adalah satu kesatuan (spacetime continuum). Kembali kepada sprei kosmik diatas, bila ruang bisa melengkung maka waktu pun dapat mengalami kontraksi mengikuti perubahan bentuk ruang (space-time curvature).

Benda yang bergerak ke medan gravitasi yang lebih kuat mengalami perlambatan waktu. Jam yang berada di dekat benda massif (medan gravitasi yang kuat) akan berdetak lebih lambat daripada jam yang berada jauh dari benda massif (medan gravitasi yang lebih lemah).

Secara geometri, kehadiran benda massif tidak hanya "menarik" kain ruang-waktu. Benda langit yang berotasi (misalnya: bumi) juga "memilin" ruang disekitarnya akibat gerak rotasinya itu.

Misteri Ruang-Waktu

Konsep spacetime continuum menjadi koreksi bagi hukum mekanika klasik yang menganggap ruang dan waktu adalah 2 hal yang independen. Dalam mekanika klasik, ruang didefinisikan karena adanya materi. Sedangkan waktu didefinisikan karena adanya perubahan.

Setelah teori relatifitas, manusia baru insyaf bahwa yang terjadi adalah sebaliknya. Ruang-waktu sejatinya harus ada terlebih dahulu sebelum materi. Ruang-waktu adalah platform paling dasar bagi eksistensi materi dan kehidupan.

Tanpa materi, ruang tampak seperti kekosongan belaka. Tapi dibalik kekosongan itu ada struktur geometri yang misterius dengan mekanisme kompleks. Ribuan tahun manusia tidak menyadari eksistensi ruang-waktu. 100 tahun setelah Einstein pun, mungkin hanya sedikit yang memikirkan hakikat ruang dan waktu. Kebanyakan kita cuma memahami ruang dalam konteks: ruang tamu, ruang kelas, ruang hijau, dan sejenisnya. Waktu pun masih dipahami sebatas jam-menit-detik.

Tidak seperti materi, ruang-waktu adalah abstrak. Tidak dapat dilihat, didengar, diraba. Tapi cuma "diatas" kain ruang-waktu itulah materi dapat "digambarkan" dan kehidupan bisa "dituliskan". Ketiadaan ruang-waktu niscaya meniadakan materi dan kehidupan.

Jika pertanyaan besar Newton dulu tentang apa penyebab gaya gravitasi telah dijawab oleh Einstein dengan TRU-nya, maka pertanyaan besar berikutnya sekarang adalah: bagaimana kain ruang-waktu dengan kompleksitas mekanismenya itu muncul?

Mengapa harus ada "kain ruang-waktu" yang aneh itu?
Mengapa tidak cukup dengan ruang yang statis dan waktu yang absolut saja?

(Yaitu) pada hari Kami gulung langit
seperti menggulung lembaran - lembaran kertas.
Sebagaimana Kami telah memulai panciptaan pertama,
begitulah Kami akan mengulanginya.
Itulah suatu janji yang pasti Kami tepati;
sesungguhnya Kamilah yang akan melaksanakannya. (QS 21:104)

Dan mengapa mereka tidak memikirkan tentang (kejadian) diri mereka?
Allah tidak menjadikan langit dan bumi dan apa yang ada diantara keduanya
melainkan dengan (tujuan) yang benar dan waktu yang ditentukan.
Dan sesungguhnya kebanyakan di antara manusia benar-benar ingkar
akan pertemuan dengan Tuhannya. (QS 30:8)