G a y a



Salah satu hal mendasar dalam fisika adalah keberadaan gaya yang berperan dalam mengikat materi. Misalnya, gaya yang menyebabkan sel-sel tubuh kita dapat bersatu dan membangun tubuh manusia, gaya yang membuat kaki kita dapat tetap menjejak ke bumi, serta menyebabkan bulan, bumi, dan benda-benda planet lain tetap berputar mengelilingi orbitnya. Kita juga dapat membuat diri kita mengalami gaya dengan mendorong suatu benda, kita melakukan gaya pada benda tersebut dan benda itu balik mengerjakan gaya terhadap kita. Bagi seorang insinyur, mereka dapat memperoleh sejumlah energi yang terkandung dalam minyak dan mengubahnya menjadi gaya pada roda yang membuat kendaraan dapat bergerak.

Dari perspektif makroskopis, kita dapat membayangkan berbagai jenis gaya, baik gaya yang timbul sebagai reaksi langsung atas interaksi benda-benda, maupun gaya yang bekerja terhadap sebuah jarak seperti gaya gravitasi. Interaksi pada suatu jarak, istilah Newton.

Fisika senantiasa berupaya melakukan sistematisasi serta menemukan sejumlah konsep-konsep dasar. Salah satu bentuk upaya sistematisasi ini adalah mencari bagian paling terkecil yang membangun suatu benda. Upaya lainnya adalah mencari gaya-gaya apa yang bekerja di antara benda-benda tersebut.

Pada upaya pertama, kita dapat mengurai materi menjadi susunan atom-atom, dan atom-atom tersusun atas elektron dan inti atom, kemudian inti atom terdiri atas proton-proton dan neutron-neutron. Dengan menumbukkan antara proton dengan proton atau antara proton dengan elektron, fisikawan partikel selanjutnya menemukan sesuatu yang baru bahwa semua materi dapat terbentuk dari sejumlah quark dan leptons (elektron-elektron dan neutron-neutron serta sepupu mereka yang lebih berat). Konsep quark pertama kali diperkenalkan oleh Murray Gell-Mann pada tahun 1960-an.

Dengan cara yang sama fisikawan pun telah menemukan adanya empat jenis gaya yang bekerja antara partikel-partikel penyusun materi itu. Keempat gaya ini adalah gravitasi, elektromagnetisme, gaya nuklir lemah, dan gaya nuklir kuat. Hanya gaya pertama dan kedua yang dapat teramati langsung dalam dunia makroskopis kita, sedangkan yang lainnya bekerja dalam dunia mikroskopis.

Mari kita bincangkan tentang keempat gaya ini. Kita mulai dengan gaya gravitasi. Gaya-gaya lainnya kita bicarakan pada tulisan selanjutnya.

Gaya Gravitasi

Teori gravitasi pertama kali diformulasi oleh fisikawan Sir Isaac Newton pada tahun 1687 yang dituangkan dalam bukunya yang terkenal Principia. Perumusan teorinya didasarkan pada hasil observasi yang dilakukannya selama bertahun-tahun serta hasil data-data observasi fisikawan sebelumnya. Dalam buku itu Sang Maestro Fisikawan ini menuliskan bahwa gaya gravitasi yang bekerja pada matahari dan planet-planet sistem tata surya bergantung pada kandungan materinya masing-masing. Kandungan materi ini secara teknis disebut massa. Gaya gravitasi ini dapat merambat melewati sebuah jarak yang sangat luar biasa jauhnya dan semakin berkurang besarnya dengan pengurangan yang sebanding dengan pangkat dua dari jarak tersebut.

Secara matematis gaya gravitasi yang bekerja antara dua benda dengan massa m1 dan m2 yang terpisah sejarak r dituliskan dalam bentuk persamaan:



Dengan G adalah konstanta gravitasi.

Sesungguhnya, Newton kurang berkenan dengan teorinya ini sendiri sebab teori ini menggambarkan sebuah interaksi pada sebuah jarak. Namun pada akhirnya keberatan ini terpecahkan juga saat konsep tentang medan gravitasi dikenalkan, sebuah medan yang dapat merambati ruang. Teori gravitasi Newton ini sangat berhasil dalam penerapannya pada mekanika benda-benda langit selama abad ke-18 hingga awal abad ke-19. Salah satu penerapannya dilakukan oleh J. C. Adams dan U. J. J. Leverrier yang menggunakan teori ini untuk memprediksikan keberadaan planet di luar Uranus karena ketidakteraturan orbitnya. Pada gilirannya, planet tersebut ditemukan, Planet Neptunus. Namun demikian, tetap tersisa masalah bagi Leverrier.

Pada tahun 1845, Leverrier menghitung bahwa orbit Mercurius mengalami penyimpangan dari orbitnya sebesar 35 inci per seratus tahun. Hitungan ini bertentangan dengan teori Newton yang meramalkan harga nol untuk nilai tersebut. Pengukuran terakhir menunjukkan penyimpangan sebesar 43 inci. (Pengukuran sebenarnya memberikan harga 5270 inci per seratus tahun, namun pengukuran yang saksama dengan memperhitungkan pengaruh dari planet-planet lain memberikan nilai 43 inci). Teka-teki ini tidak terjawab hingga kemudian pada tahun 1915 Albert Einstein memecahkannya dengan menggunakan teori relativitas umum yang dikemukakannya.

Galileo adalah orang pertama yang mengamati bahwa benda-benda nampaknya jatuh dengan mengalami kecepatan yang sama tanpa bergantung pada massanya. Dalam persamaan Newton, konsep massa muncul dalam dua persamaan yang berbeda. Hukum kedua Newton tentang gerak mengatakan bahwa sebuah gaya F yang bekerja pada sebuah benda dengan massa m akan menghasilkan percepatan menurut persamaan
F = m.a. Sementara pada hukum Gravitasinya, gaya gravitasi memenuhi persamaan F = m.g, dimana g bergantung pada benda lain yang menimbulkan gaya pada benda tersebut (biasanya benda lain ini adalah bumi jika kita berbicara tentang gaya gravitasi). Dalam kedua persamaan tersebut, m merupakan faktor kesebandingan (massa inersia dan massa gravitasi) dan tidak ada alasan yang jelas bahwa keduanya harus sama untuk dua benda yang berbeda. Namun demikian, semua eksperimen mengindikasikan bahwa ternyata kedua jenis massa ini sama.

Fakta ini digunakan oleh Einstein sebagai titik awal teori gravitasinya. Jika seseorang tidak dapat membedakan antara massa inersia dengan massa gravitasinya, maka kita juga tidak dapat membedakan antara gravitasi dan percepatan. Sebuah eksperimen yang dilakukan pada sebuah medan gravitasi seharusnya dapat pula dilakukan dalam sebuah elevator yang mengalami percepatan yang berada dalam ketiadaan medan gravitasi. Manakala seorang astronot dalam sebuah roket dipercepat menjauhi bumi maka sang astronot akan merasakan sebuah gaya gravitasi yang besarnya beberapa kali lebih besar dibandingkan dengan gaya gravitasi yang dialami di permukaan bumi. Gaya gravitasi yang dialaminya ini hampir semuanya disebabkan karena percepatan. Jika seseorang tidak dapat membedakan antara percepatan dan gravitasi, maka kita selalu dapat menggantikan gaya gravitasi dengan mengatakannya berada dalam sebuah kerangka acuan yang dipercepat. Sebuah kerangka acuan dimana percepatan meniadakan gaya gravitasi disebut sebuah kerangka acuan inersial. Dengan demikian bulan yang sedang mengorbit mengelilingi matahari dapat dianggap berada dalam sebuah kerangka acuan yang dipercepat. Namun demikian kerangka acuan ini akan berubah-ubah di setiap titik karena medan gravitasinya juga berubah-ubah. Dalam contoh kita ini, medan gravitasi berubah-ubah arahnya dari satu titik ke titik yang lain.

Prinsip bahwa seseorang dapat selalu mendapatkan sebuah kerangka inersial pada setiap titik dalam ruang dan waktu dimana hukum-hukum fisika dapat berlaku dengan ketiadaan medan gravitasi disebut prinsip ekuivalensi.

Fakta bahwa gaya gravitasi dapat dianggap sebagai sebuah sistem koordinat yang berbeda dari satu titik ke titik yang lain berarti bahwa gravitasi merupakan sebuah teori geometris. Sistem koordinat yang sebenarnya yang mencakup seluruh ruang dan waktu sesungguhnya jauh lebih rumit dari sekedar sistem koordinat yang mendatar seperti yang digunakan pada geometri klasik yang dipakai selama ini. Jenis geometri ini disebut geometri tak-Euclid atau Geometri Non-Euclidean. Gaya yang kita saksikan tak lain adalah sebuah karakteristik dari ruang-waktu. Kita katakan bahwa ruang-waktu itu terlengkungkan.

Bayangkan sebuah bola yang berada di atas permukaan yang mendatar. Maka bola ini tidak akan bergerak, atau jika tidak terdapat gesekan, maka bola ini akan bergerak dengan kecepatan yang seragam apabila tidak terdapat gaya yang bekerja padanya. Jika permukaan tempat bola ini melengkung, maka bola ini akan bergerak ke arah bawah ke titik yang terendah dengan melalui lintasan terpendek yang dapat dilewatinya. Einstein menunjukkan bahwa medan gravitasi adalah sebuah besaran geometris yang mendefinisikan apa yang disebut waktu-proper, yang merupakan sebuah konsep yang memiliki nilai yang sama dalam semua sistem koordinat yang identik dengan jarak dalam ruang datar. Einstein juga memandu penyusunan persamaan untuk medan gravitasi, sebuah persamaan Einstein, dimana dengan persamaan ini dia dapat menghitung dengan tepat pergeseran orbit merkurius yang menjadi teka-teki bagi Leverrier.

Persamaan ini juga memprediksikan nilai hasil pengukuran penyimpangan berkas cahaya saat melewati matahari dan tidak ada keraguan pun bahwa persamaan ini memberikan hasil yang benar untuk gravitasi tingkat makroskopis. Teori gravitasi Einstein, atau Relativitas Umum, seperti yang dikemukakannya sendiri merupakan salah satu keberhasilan tertinggi bagi ilmu sains modern.
G a y a G a y a Reviewed by Momang Yusuf on 12/15/2008 10:11:00 PM Rating: 5

Tidak ada komentar:

Diberdayakan oleh Blogger.