100 Tahun Pengamatan Eddington: Bukti Awal Relativitas Umum


116
116 points
100 Tahun Pengamatan Eddington: Bukti Awal Relativitas Umum

Potret Gerhana Matahari Total pada tahun 1919 oleh Eddington, adalah bukti penting dari teori relativitas umum Einstein. Bukti yang membuat Einstein menjadi ikon selebriti dan sains hingga saat ini.

Foto-foto menggeser posisi bintang karena penekukan cahaya oleh matahari. Foto ini adalah hasil gabungan dari dua foto berbeda yang diambil di Sobral selama Total Solar Eclipse 29 Mei 1919. Diterbitkan di London News 22 November 1919. Kredit: E. N. A / The Royal Observatory Greenwich

Perpindahan foto gabungan dari posisi bintang karena pembengkokan cahaya oleh Matahari, yang difoto dari Sobral selama Gerhana Matahari Total 29 Mei 1919. Diterbitkan di London News 22 November 1919. Kredit: E.N.A / The Royal Observatory Greenwich

Gerhana matahari total (GMT) saat ini mungkin hanya fenomena yang menakjubkan untuk dilihat. Namun, 100 tahun yang lalu, fenomena ini menjadi tonggak penting untuk menguji teori relativitas umum yang diterbitkan oleh Einstein pada tahun 1915. Sebuah teori yang menggambarkan hubungan materi dan ruang dengan waktu.

Singkatnya, jika teori relativitas umum benar, maka bintang-bintang di tepi cakram Matahari akan tampak bergeser dari lokasi mereka yang sebenarnya. Menurut teori relativitas umum Einstein, pergeseran ini disebabkan oleh pembengkokan cahaya. Rupanya, dugaan Einstein benar,

Sebuah revolusi ilmiah terjadi.

Teori relativitas umum membawa perubahan besar dalam sejarah sains dalam memahami alam semesta. Tapi, teori ini bukan hanya lahir. Prestasi sains tidak datang tiba-tiba, melainkan hasil dari perjalanan panjang yang telah dibangun oleh para pendahulunya.

Ketika teori relativitas umum Einstein terungkap, pada saat itu teori gravitasi Newton telah mampu menjelaskan fenomena alam semesta selama lebih dari dua abad. Kehadiran relativitas umum tidak diragukan lagi dianggap sebagai saingan baru yang ingin menghancurkan fondasi yang dibangun oleh Newton. Selain itu, teori Newton dapat menjelaskan hampir semua pertanyaan yang ada.

Tapi benarkah begitu?

Teori Gravitasi Newton

Perjalanan kita untuk memahami alam semesta dimulai ribuan tahun yang lalu ketika para pengamat mempelajari pergerakan benda-benda langit. Namun, era baru sains modern dimulai ketika Newton meletakkan dasar penting dalam memahami pergerakan benda-benda di Bumi dan pergerakan planet-planet sambil mengelilingi Matahari.

Berdasarkan teori gravitasi Newton, setiap objek massa memiliki gravitasi yang selalu menarik objek massa lainnya. Semakin besar massa suatu benda, semakin besar gravitasi. Semakin jauh, semakin lemah gravitasi. Dengan demikian, gerakan planet di sekitar Matahari adalah hasil dari interaksi gravitasi antara benda-benda ini. Penjelasan yang sama dapat digunakan untuk menjelaskan benda yang jatuh ke Bumi.

Menurut Newton, alam semesta itu statis dan seragam. Tetapi, kondisi statis hanya dapat dicapai jika alam semesta kosong. Jika alam semesta dipenuhi dengan benda-benda massa, alam semesta tidak statis. Agar alam semesta bisa statis, alam semesta harus tak terbatas.

Masalah lain, teori Newton masih belum bisa menjelaskan asal usul alam semesta dan hubungan sebab akibat. Dari hukum Newton, kita tahu bahwa aksi suatu reaksi terjadi sehingga sulit untuk mengetahui hubungan sebab akibat dari suatu peristiwa.

Misalnya, jika Matahari meledak, maka berdasarkan teori gravitasi Newton, pengaruh gravitasi pada planet ini akan lenyap seketika dan planet itu akan terpecah. Pertanyaannya adalah, apakah planet ini tersebar karena Matahari menghilang, atau apakah Matahari menghilang karena planet tersebut tersebar. Teori Newton menunjukkan kepada kita bahwa ruang itu relatif tetapi tidak demikian dengan waktu.

Meskipun teori Newton tidak dapat memberikan jawaban atas semua pertanyaan, teori ini dianggap cukup untuk menjelaskan pergerakan benda langit selama dua abad berikutnya.

Relativitas umum

Lengkungan ruang-waktu karena benda besar. Kredit: ESA-C.Carreau

Lengkungan ruang-waktu karena benda besar. Kredit: ESA-C.Carreau

1915 menjadi bab baru pemahaman tentang alam semesta, ketika Teori Relativitas Umum diterbitkan oleh Einstein.

Berdasarkan teori relativitas umum, gravitasi adalah bagian dari ruang-waktu. Dalam ruang-waktu, keberadaan massa akan membelokkan ruang-waktu, dan benda-benda di sekitar massa akan bergerak mengikuti kelengkungan ruang-waktu.

Teori relativitas umum menjawab pertanyaan yang tidak bisa dijawab oleh Newton. Dengan relativitas umum, kita dapat memahami gerakan galaksi di alam semesta, evolusi alam semesta, lubang hitam, atau gelombang gravitasi.

Semua ini bisa kita pahami sekarang seiring dengan perkembangan teknologi. Tidak demikian ketika teori ini pertama kali diterbitkan. Bahkan sampai Einstein meninggal pada tahun 1955, semua prediksi relativitas umum masih jauh dari bukti. Relativitas umum dianggap hanya memiliki peluang sangat kecil untuk dibuktikan.

Teori Relativitas Umum, yang diterbitkan pada tahun 1915, didahului oleh publikasi teori relativitas khusus Einstein pada tahun 1905. Dari relativitas khusus, kita tahu bahwa Hukum Fisik berlaku sama di mana pun dan kecepatan cahaya juga tetap ada. Dengan kata lain, ruang dan waktu adalah relatif dan menghasilkan terjadinya pelebaran waktu, kontraksi panjang (benda bergerak tampak lebih pendek), dan hubungan energi massa.

Pada tahun 1907, Johannes Stark meminta Einstein untuk membuat ringkasan relativitas khusus. Permintaan ini menjadi awal bagi Einstein untuk memikirkan kelanjutan relativitas khusus dan hubungannya dengan teori gravitasi Newton. Akibatnya, Einstein menemukan bahwa cahaya yang melewati benda massa besar akan mengalami tekukan.

Untuk membuktikan teorinya, ada 3 tes yang diajukan Einstein, yaitu: menghitung presesi Merkurius berdasarkan relativitas umum, mengamati lengkungan cahaya, dan pergeseran merah.

Persamaan medan Einstein. Kredit: Inside Eisntein Mind / Nova

Persamaan medan Einstein. Bahan menyebabkan ruang-waktu melengkung, dan ruang-waktu menyebabkan materi bergerak. Kredit: Inside Eisntein Mind / Nova

Perhitungan presesi Merkurius, yang pertama kali diperoleh pada tahun 1913, menghasilkan 18 detik busur per abad. Setengah dari pengamatan. Ketika Einstein berhasil menyelesaikan teori relativitas umum pada tahun 1915, perhitungan presesi Merkurius menghasilkan 43 detik busur per abad, hampir sama dengan pengamatan, 45 detik busur per abad.

Meskipun teori relativitas umum Einstein selesai pada tahun 1915, Einstein menyadari bahwa teori yang sedang dikerjakannya lebih dari sekadar persamaan. Masih membutuhkan pemahaman, penyempurnaan, dan aplikasi yang dapat memberikan gambaran lengkap tentang alam semesta yang dibayangkan Einstein.

Rupanya, meskipun Einstein berhasil menemukan presesi Merkurius, nilai yang diperoleh masih merupakan perkiraan. Karl Schwarzschild menjadi orang pertama yang berhasil membuat solusi pertama dari persamaan relativitas umum Einstein.

Tes lain yang harus dilakukan adalah menekuk cahaya saat melewati matahari. Dan kejadian ini hanya bisa diamati pada GMT.

Relativitas Umum dan Perang Dunia 1

Penjelasan tentang parit perlindungan selama Perang Dunia 1. Kredit: situs Perang Dunia 1

Penjelasan tentang parit perlindungan selama Perang Dunia 1. Kredit: situs Perang Dunia 1

Ketika Einstein bekerja pada teori Relativitas Umum, Perang Dunia 1 (PD1) pecah dan menyebabkan masalah komunikasi, makanan terbatas, dan kewajiban untuk berperang. Masalah lain yang muncul adalah penyelarasan ilmuwan dengan negara dan keterlibatan dalam perang.

Keterbatasan komunikasi menyebabkan diskusi Einstein dengan kolega fisikawan dan matematikawan menjadi terkendala. Perjalanan Einstein ke Swiss dan Belanda juga mendapat perhatian militer Jerman karena dicurigai melakukan kegiatan mata-mata. Itu tidak aneh karena Einstein adalah seorang Yahudi dengan paspor Swiss yang tinggal dan bekerja di Jerman, dan menentang perang.

Kondisi ini mempengaruhi Einstein karena ketika bekerja pada teori relativitas umum, Einstein rajin berkomunikasi dan mendiskusikan teorinya dengan sesama fisikawan dan ahli matematika di Jerman, Swiss dan Belanda. Solusi pertama untuk relativitas umum Einstein tepatnya dibuat oleh Karl Schwarzschild dari parit ketika ia berada di medan perang sebelum akhirnya mati karena autoimun.

PD1 antara aliansi Jerman, Hongaria dan Austria, dan Italia, menghadapi aliansi dengan Inggris, Prancis dan Rusia. Akibatnya, para ilmuwan terpecah belah dan memihak. Selain itu, larangan komunikasi juga berlaku untuk ilmuwan dari negara-negara yang berperang.

Sebagai hasil dari embargo komunikasi, para ilmuwan di Inggris tidak mengetahui publikasi relativitas umum di Jerman. Karena itu, Willem de Sitter, Direktur Leiden Observatory, mengirim surat tentang relativitas umum ke Inggris.

Orang yang membuka surat itu adalah Arthur Eddington, sekretaris Royal Astronomical Society. Ini adalah awal dari pengenalan Eddington tentang relativitas umum yang kemudian dipopulerkannya di Inggris. Teori negara-negara musuh dipopulerkan di Inggris. Penolakan telah dialami oleh Eddington karena para ilmuwan Inggris mengasumsikan bahwa teori gravitasi Newton sudah cukup. Apalagi Newton berasal dari Inggris dan Einstein dari Jerman.

Mengenai perang, Eddington memiliki sikap yang sama dengan Einstein. Sebagai seorang Quaker, Eddington menolak untuk bertarung. Namun, alasan resmi yang diberikan oleh lembaganya adalah pentingnya perang Eddington dalam penelitian untuk Inggris.

Eddington berasumsi bahwa para ilmuwan tidak boleh memihak dan tidak bertarung. Sesuatu yang sulit pada waktu itu, karena negara membutuhkan lebih banyak orang untuk bertarung. Ini bisa dilihat dari batas usia perang yang semakin meningkat. Sebagai hasil dari penolakan terus-menerus, Eddington telah diadili karena dia tidak mau pergi berperang. Dia mampu melarikan diri karena intervensi dari Frank Dyson, yang juga membantu Eddington untuk mendapatkan total ekspedisi dana observasi gerhana matahari 1919.

Pengamatan GMT 1914

Keinginan Einstein untuk membuktikan pembengkokan cahaya dari sebuah bintang di tepi piringan Matahari hanya dapat dilakukan selama gerhana matahari total. Pada tahun 1911, hasil perhitungan Einstein menyatakan bahwa hasil cahaya lentur akan menyebabkan bintang tampak bergeser 0,83 detik busur dari posisi sebenarnya.

Apa yang diharapkan Einstein untuk lakukan pengamatan adalah Erwin Finlay Freundlich, seorang astronom Jerman yang saat itu bekerja di Observatory di Berlin.

Pengamatan GMT jelas tidak mudah. Butuh dana dan peralatan yang cukup untuk bepergian. Karena itu, Freundlich melakukan analisis gambar gerhana yang telah difoto sebelumnya untuk mencari defleksi cahaya. Tidak ada defleksi dalam cahaya bintang yang ditemukan.

Peluang datang pada tahun 1914. Dengan bantuan Planck, Einstein berhasil mengumpulkan dana untuk perjalanan pengamatan gerhana matahari total pada tanggal 21 Agustus 1914. Pengamatan di Crimea, Rusia, akan dilakukan oleh Freundlich menggunakan 4 kamera foto. Pada 19 Juli 1914, Freundlich menuju Krimea dengan kereta api dari Berlin.

28 Juli 1914, pecah dalam Perang Dunia 1. Akibatnya, Freundlich ditangkap, instrumen disita, dan dia dibawa ke Odessa untuk diinterogasi karena dicurigai sebagai mata-mata musuh. Pada akhirnya Freundlich dibebaskan dalam pertukaran tawanan perang.

Kegagalan itu sebenarnya bermanfaat karena ternyata perhitungan Einstein salah. Rekalkulasi menggeser posisi bintang karena pembengkokan cahaya yang menghasilkan 1,7 detik busur. Jika pengamatan Freundlich berhasil, maka teori relativitas tidak akan terbukti, karena perhitungan Einstein salah.

Pengamatan GMT 1919

Toral Solar Eclipse Track 1919. Kredit: The Royal Observatory Greenwich

Toral Solar Eclipse Track 1919. Kredit: The Royal Observatory Greenwich

Untuk membuktikan bahwa teori Einstein benar atau salah, Eddington, dibantu oleh Dyson, merancang dua ekspedisi pengamatan gerhana matahari total pada tanggal 29 Mei 1919. Lokasi pengamatan adalah Sobral, Brazil, dan Pulau Principe di pantai barat. Afrika. Bagi Eddington, perjalanan ini tidak hanya membuktikan teori relativitas tetapi lebih untuk membuktikan bahwa para ilmuwan harus dapat bekerja bersama tanpa dibatasi oleh kondisi politik (PD1).

Pengamatan di Sobral dilakukan oleh Andrew Crommelin, asisten di Royal Observatory, dan Fr. Aloysius Cortie, seorang astronom Jesuit dari Stonyhurst College Observatory di Lancashire. Namun demikian, Fr. Aloysius Cortie tidak bisa bepergian dan digantikan oleh Charles Davidson. Pengamatan di Principe akan dipimpin oleh Eddington dan disertai oleh Edwin T. Cottingham, seorang pembuat jam. Perjalanan dimulai pada 8 Maret 1919 dengan RMS Anselmus.

Selama 29 Mei 1919 GMT, gerhana terjadi di depan gugus bintang Hyades dan cahaya dari bintang-bintang ini dapat digunakan untuk membuktikan pembengkokan cahaya.

Situs pengamatan di Sobral, Brasil. Foto ini adalah foto teleskop yang digunakan ketika mengamati GMT 1919 di Sobral. Kredit: Charles Davidson / The Royal Observatory Greenwich

Situs pengamatan di Sobral, Brasil. Foto ini adalah foto teleskop yang digunakan ketika mengamati GMT 1919 di Sobral. Kredit: Charles Davidson / The Royal Observatory Greenwich

Meskipun mendung, mengamati GMT di Sobral berhasil. Di sisi lain, pengamatan Eddington di Principe terhambat oleh cuaca mendung. Foto yang diambil diproses di lokasi pengamatan, tetapi analisis gambar dilakukan di Inggris secara terpisah. Analisis gambar dari Principe dilakukan di Cambridge oleh Eddington, sedangkan analisis gambar dari Sobral dipantau oleh Dyson di Greenwich.

Hasilnya, gambar yang dipotret oleh Eddington menunjukkan pergeseran posisi bintang 1,61 detik busur. Gambar dari Sobral dihasilkan oleh teleskop astrophotographic dan teleskop 4 inci (10 cm). Gambar teleskop astrophotografi menghasilkan pergeseran 0,93 busur-detik, dan gambar teleskop 4-inci menghasilkan pergeseran 1,98 busur-detik. Masalah dengan gambar teleskop astrophotographic di Sobral adalah kualitas gambar yang rendah. Diduga ada distorsi pada cermin yang jika dikoreksi akan menghasilkan pergeseran 1,52 detik busur. Namun, hasil ini dibiarkan apa adanya dan disajikan di hadapan para astronom di Inggris.

Foto negatif dari totalitas yang diambil di Sobral, Brasil. Kredit: Situs pengamatan di Sobral, Brasil. Foto ini adalah foto teleskop yang digunakan ketika mengamati GMT 1919 di Sobral. Kredit: Andrew Crommelin & Charles Davidson / The Royal Observatory Greenwich

Foto negatif dari totalitas yang diambil di Sobral, Brasil. Kredit: Situs pengamatan di Sobral, Brasil. Foto ini adalah foto teleskop yang digunakan ketika mengamati GMT 1919 di Sobral. Kredit: Andrew Crommelin & Charles Davidson / The Royal Observatory Greenwich

Sebagai kesimpulan, pembengkokan cahaya memang terjadi dan teori relativitas terbukti!

Dunia senang dengan keberhasilan para astronom Inggris dalam membuktikan teori ilmuwan Jerman. Kerjasama internasional tanpa harus dibatasi oleh patriotisme dan pergolakan politik masih terasa pengaruhnya meskipun PD1 telah berakhir sejak 11 November 1918.

Warisan Einstein & Eddington

Pertemuan Albert Einstein dan Artur Eddington pada 1930 di Observatory in Cambridge. Kredit: Galeri Potret Nasional, London / The Royal Observatory Greenwich

Pertemuan Albert Einstein dan Artur Eddington pada 1930 di Observatory in Cambridge. Kredit: Galeri Potret Nasional, London / The Royal Observatory Greenwich

Pengamatan Total Eddington terhadap Gerhana Matahari tidak hanya membuktikan bahwa teori relativitas umum tidaklah salah. Pengamatan itu menjadi sejarah penting bagi perjalanan teori relativitas umum yang mengarahkan kita untuk lebih memahami alam semesta. Dalam sains, suatu teori harus dapat dipalsukan atau diuji terus menerus untuk menemukan kesalahan. Jika teorinya tidak ditemukan salah, maka teori tersebut dapat dinyatakan ilmiah karena telah diuji. Ketika Eddington melakukan pengujian, apa yang dia lakukan memang ingin menemukan bukti bahwa teori Einstein benar.

Foto total pengamatan gerhana matahari pada tahun 1929 di Sumatra oleh Erwin Freundlich. Kredit: Erwin Finlay Freundlich

Foto-foto total pengamatan gerhana matahari pada tahun 1929 di Sumatra oleh Erwin Freundlich (tengah). Kredit: Erwin Finlay Freundlich / Klubber / Brun / Klaus Hentschel.

Dan hasilnya adalah relativitas umum dapat diuji melalui observasi. Namun, pengujian berulang atau berkelanjutan masih harus dilakukan. Dan itulah yang dilakukan dengan relativitas umum. Pengujian ulang dilakukan selama gerhana matahari total 1922 oleh Lick Observatory, dan hasilnya dikonfirmasi oleh Einstein. Tes lain yang dilakukan oleh Erwin Freundlich di Sumatra pada tahun 1926 dan 1929 berhasil menunjukkan pembengkokan cahaya dari sebuah bintang di dekat piringan Matahari. Pengamatan pada 1926 dilakukan dari Bengkulu dan 1929 dari Takingeun, Aceh.

Perdebatan kemudian muncul terkait dengan pengamatan Eddington yang memberi nilai pergeseran setengah dari yang dicurigai Einstein. Karena alasan ini, pada tahun 1979, data pengamatan pada tahun 1919 dikeluarkan dari arsip Royal Astronomical Society untuk analisis ulang. Hasil yang meragukan dari teleskop astrophotographic di Sobral dianalisis kembali dengan teknologi yang lebih baik dan menghasilkan pergeseran 1,55 detik busur, tidak jauh berbeda dari hasil koreksi yang dilakukan oleh Dyson. Sedangkan untuk teleskop 4 inci, hasil perhitungan terbaru menunjukkan pergeseran 1,9 detik busur. Jika hasil terbaru ini digabungkan, shift 1,87 arc detik yang dihasilkan tidak jauh dari prediksi Einstein tentang 1,75 arcseconds.

Gambar pertama Lubang Hitam di pusat M87 difoto oleh teleskop Event Horizon. Kedit: Kolaborasi EHT

Gambar pertama Lubang Hitam di pusat M87 difoto oleh teleskop Event Horizon. Kedit: Kolaborasi EHT

Dengan teknologi yang semakin maju, berbagai prediksi relativitas umum telah terbukti. Lubang hitam ditemukan, evolusi alam semesta di mana alam semesta ditemukan berkembang juga dikonfirmasi. Tidak hanya itu, hingga 100 tahun setelah pengamatan Eddington, bukti bahwa teori relativitas umum tidak salah berasal dari penemuan gelombang gravitasi pada 2015 dan foto pertama lubang hitam pada 2019. Foto-foto hitam lubang di pusat galaksi M87 menunjukkan bagaimana cahaya mengalami defleksi di sekitar objek yang massanya sangat kuat!

Sekali lagi, Einstein benar.

Seperti ini:

Seperti Memuat …


What's Your Reaction?

hate hate
0
hate
confused confused
0
confused
fail fail
0
fail
fun fun
0
fun
geeky geeky
0
geeky
love love
0
love
lol lol
0
lol
omg omg
0
omg
win win
0
win
admin

0 Comments

Your email address will not be published. Required fields are marked *