PARADOKS KEMBAR

-->

 
A. ALBERT EINSTEIN PENGGAGAS PARADOKS KEMBAR (RELATIVITAS KHUSUS)

Siapa yang tidak kenal formula Einstein E=mc² atau paradoks si kembar yang mendapati saudara kembarnya sudah jauh lebih tua setelah ia melakukan perjalanan dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya? Namun, tidak semua orang tahu kalau "keajaiban" tersebut hanyalah bagian kecil dari teori relativitas Einstein, serta bagaimana Einstein mendapatkan teorinya.

Albert Einstein, tak salah lagi, seorang ilmuwan terhebat abad ke-20. Cendekiawan tak ada tandingannya sepanjang jaman. Termasuk karena teori "relativitas"-nya. Sebenarnya teori ini merupakan dua teori yang bertautan satu sama lain: teori khusus "relativitas" yang dirumuskannya tahun 1905 dan teori umum "relativitas" yang dirumuskannya tahun 1915, lebih terkenal dengan hukum gaya berat Einstein. Teori Einstein bukanlah sekedar mengunyah-ngunyah ungkapan yang nyaris membosankan itu. Yang dimaksudkannya adalah suatu pendapat matematik yang pasti tentang kaidah-kaidah ilmiah yang sebetulnya relatif. Hakikatnya, penilaian subyektif terhadap waktu dan ruang tergantung pada si penganut. Sebelum Einstein, umumnya orang senantiasa percaya bahawa dibalik kesan subyektif terdapat ruang dan waktu yang absolut yang boleh diukur dengan peralatan secara obyektif. Teori Einstein menjungkir-balikkan secara revolusioner pemikiran ilmiah dengan cara menolak adanya sang waktu yang absolut. Contoh berikut ini dapat menggambarkan betapa radikal teorinya, betapa tegasnya dia merombak pendapat kita tentang ruang dan waktu.

Bayangkanlah sebuah pesawat ruang angkasa --sebutlah namanya X--meluncur laju menjauhi bumi dengan kecepatan 100.000 kilometer per detik. Kecepatan diukur oleh pengamat, baik yang berada di pesawat ruang angkasa X maupun di bumi, dan pengukuran mereka bersamaan. Sementara itu, sebuah pesawat ruang angkasa lain yang bernama Y meluncur laju pada arah yang sama dengan pesawat ruang angkasa X tetapi dengan kecepatan yang berlebih. Apabila pengamat di bumi mengukur kecepatan pesawat ruang angkasa Y, mereka mengetahui bahawa pesawat itu melaju menjauhi bumi pada kecepatan 180.000 kilometer per detik. Pengamat di atas pesawat ruang angkasa Y akan berkesimpulan serupa.

Karena kedua pesawat ruang angkasa itu melaju pada arah yang bersamaan, akan tampak bahawa beda kecepatan antara kedua pesawat itu 80.000 kilometer per detik dan pesawat yang lebih cepat tak dapat tidak akan bergerak menjauhi pesawat yang lebih lambat pada kadar kecepatan ini.Tetapi, teori Einstein memperhitungkan, jika pengamatan dilakukan dari kedua pesawat ruang angkasa, mereka akan bersepakat bahawa jarak antara keduanya bertambah pada tingkat ukuran 100.000 kilometer per detik, bukannya 80.000 kilometer per detik.

Kelihatannya hal ini mustahil. Kelihatannya seperti bercanda. Pembaca menduga seakan ada tipuan. Menduga jangan-jangan ada perincian yang disembunyikan. Padahal, sama sekali tidak! Hasil ini tidak ada hubungannya dengan tenaga yang digunakan untuk mendorong mereka.Tak ada keliru pengamatan. hasilnya, tak ada apa pun yang kurang, alat rusak atau kabel melintir. Mulus, polos, tak mengecoh. Menurut Einstein, hasil kesimpulan yang tersebut di atas tadi semata-mata sebagai akibat dari sifat dasar alamiah ruang dan waktu yang sudah boleh diperhitungkan lewat rumus ihwal komposisi kecepatannya.

Tampaknya merupakan kedahsyatan teoritis, dan memang bertahun-tahun orang menjauhi "teori relativitasas" bagaikan menjauhi hipotesa "menara gading," seolah-olah teori itu tak punya arti penting samasekali. Tak seorang pun --tentu saja tidak-- membuat kekeliruan hingga tahun 1945 tatkala bom atom menyapu Hiroshima dan Nagasaki. Salah satu kesimpulan "teori relativitas" Einstein adalah benda dan energi berada dalam arti yang berimbangan dan hubungan antara keduanya dirumuskan sebagai E =mc^2. E menunjukkan energi dan m menunjukkan massa benda, sedangkan c merupakan kecepatan cahaya. Nah, karena c adalah sama dengan 180.000 kilometer per detik (artinya merupakan jumlah angka amat besar) dengan sendirinya c^2 (yang artinya c x c) karuan saja tak tepermanai besar jumlahnya. Dengan demikian berarti, meskipun pengubahan sebahagian kecil dari benda mampu mengeluarkan jumlah energi luar biasa besarnya.

Orang pintar saja tak bakal bisa membikin sebuah bom atom atau pusat tenaga nuklir semata-mata berpegang pada rumus E =mc^2. Haruslah dikaji pula dalam-dalam, ramai orang memainkan peranan penting dalam proses pembangkitan energi atom. Namun, bagaimanapun juga, sumbangan pikiran Einstein tidaklah meragukan lagi. Tak ada yang cekcok dalam soal ini. Lebih jauh dari itu, tak lain dari Einstein orangnya yang menulis surat kepada Presiden Roosevelt di tahun 1939, menunjukkan terbukanya kemungkinan membikin senjata atom dan sekaligus menekankan arti penting bagi Amerika Serikat selekas-lekasnya membikin senjata itu sebelum didahului Jerman. Gagasan itulah kemudian mewujudkan "Proyek Manhattan" yang akhirnya bisa menciptakan bom atom pertama. "Teori relativitas khusus" mengundang beda pendapat, tetapi dalam satu segi semua sepakat, teori itu merupakan pemikiran yang paling meragukan yang pernah dirumuskan manusia. Tetapi, tiap orang ternyata terkecoh karena "teori relativitas umum" Einstein merupakan titik tolak pikiran lain bahawa pengaruh gaya berat bukanlah lantaran kekuatan fisik dalam makna yang biasa, melainkan akibat dari bentuk lengkung angkasa luar sendiri, suatu pendapat yang amat mencengangkan!

Bagaimana bisa orang mengukur bentuk lengkung ruang angkasa?Einstein bukan sekedar mengembangkan secara teoritis, melainkan dituangkannya ke dalam rumusan matematik yang jernih dan jelas sehingga orang bisa melakukan ramalan yang nyata dan hipotesanya bisa diuji. Pengamatan berikutnya --dan ini yang paling cemerlang karena dilakukan tatkala gerhana matahari total-- telah berulang kali diyakini kebenarannya karena bersamaan benar dengan apa yang dikatakan Einstein.

Teori umum tentang relativitas berdiri terpisah dalam beberapa hal dengan semua hukum-hukum ilmiah. Pertama, Einstein merumuskan teorinya tidak atas dasar percobaan-percobaan, melainkan atas dasar-dasar kehalusan simetri dan matematik. Pendeknya berpijak diatas dasar rasional seperti lazimnya kebiasaan para filosof Yunani dan para cendekiawan abad tengah perbuat. Ini bererti, Einstein berbeda cara dengan metode ilmuwan modern yang berpandangan empiris. Tetapi, bedanya ada juga: pemikir Yunani dalam hal pendambaan keindahan dan simetri tak pernah berhasil mengelola dan menemukan teori yang mekanik yang mampu bertahan menghadapi percobaan pengujian yang rumit-rumit, sedangkan Einstein dapat bertahan dengan sukses terhadap tiap-tiap percobaan. Salah satu hasil dari pendekatan Einstein adalah bahawa teori umum relativitasnya dianggap suatu yang amat indah, bergaya, teguh dan secara intelektual memuaskan semua teori ilmiah.

Meskipun Einstein sangat terkenal dengan "teori relativitas"-nya, keberhasilan karyanya di bidang ilmiah lain juga membuatnya terkenal selaku ilmuwan dalam segala hal. Nyatanya, Einstein memperoleh Hadiah Nobel untuk bidang fisika terutama lantaran buah pikiran tertulisnya membeberkan efek-efek foto elektrik, sebuah fenomena penting yang sebelumnya merupakan teka-teki para cerdik pandai. Dalam karya tulisan ilmiah itu Einstein membuktikan eksistensi photon, atau partikel cahaya.

Dalam hal menilai arti penting Einstein, suatu perbandingan dengan Isaac Newton merupakan hal menyolok. Teori Newton pada dasarnya mudah dipahami, dan kegeniusannya sudah tampak pada awal mula perkembangan. Sedangkan "teori relativitas" Einstein teramat sulit dipahami biarpun lewat penjelasan yang cermat dan hati-hati. Lebih-Lebih rumit lagi jika mengikhtisarkan asalnya! Tatkala beberapa gagasan Newton mengalami benturan dengan gagasan ilmiah pada jamannya, teorinya tak pernah tampak luntur atau goyah dengan pendiriannya. Sebaliknya, "teori relativitas" penuh dengan hal yang saling bertentangan. Ini merupakan bahagian dari kegeniusan Einstein bahawa pada saat permulaan, ketika gagasannya masih merupakan hipotesa yang belum diuji yang dikemukakannya selaku orang muda belasan tahun yang samasekali tidak dikenal, dia tak pernah membiarkan kontradiksi yang nyata-nyata ada ini dan mencampakkan teorinya. Sebaliknya malahan dia dengan sangat cermat dan hati-hati merenungkan terus hingga ia mampu menunjukkan bahawa kontradiksi ini hanya pada lahirnya saja sedangkan sebenarnya tiap masalah selalu tersedia untuk memecahkan kontradiksi itu dengan cara yang halus namun cerdik dan tegas. Kini, kita anggap teori Einstein itu pada dasarnya lebih "correct" ketimbang teori Newton.

Einstein lahir tahun 1879, di kota Ulm, Jerman. Dia memasuki perguruan tinggi di Swiss dan menjadi warganegara Swiss tahun 1900. Di tahun 1905 dia mendapat gelar Doktor dari Universiti Zurich tetapi (anehnya) tak bisa meraih posisi akademis pada saat itu. Di tahun itu pula dia menerbitkan kertas kerja perihal "relatif khusus," perihal efek foto elektrik, dan tentang teori gerak Brown. Hanya dalam beberapa tahun saja kertas-kertas kerja ini, terutama yang menyangkut relativitas, telah mengangkatnya menjadi salah seorang ilmuwan paling cemerlang dan paling orisinal di dunia. Teori-teorinya sangat kontroversial. Tak ada ilmuwan dunia kecuali Darwin yang pernah menciptakan situasi kontroversial seperti Einstein. Akibat itu, di tahun 1913 dia diangkat sebagai mahaguru di Universiti Berlin dan pada masa yang sama menjadi Direktur Lembaga Fisika "Kaisar Wilhelm" serta menjadi anggota Akademi Ilmu Pengetahuan Prusia. Jabatan-jabatan ini tidak mengikatnya untuk sebebas-bebasnya mengabdikan sepenuh waktu melakukan penyelidikan-penyelidikan, kapan saja dia suka.

Pemerintah Jerman tidak menyesal menyiram Einstein dengan sebarisan panjang kedudukan yang istimewa itu karena persis dua tahun kemudian Einstein berhasil merumuskan "teori umum relativitas," dan tahun 1921 dia memperoleh Hadiah Nobel. Sepanjang paruhan terakhir dari kehidupannya, Einstein menjadi buah bibir dunia, dan hampir dapat dipastikan dialah ilmuwan yang masyhur yang pernah lahir ke dunia.

Karena Einstein seorang Yahudi, kehidupannya di Jerman menjadi tak aman begitu Hitler naik berkuasa. Di tahun 1933 dia hijrah ke Princeton, New Jersey, Amerika Serikat, bekerja di Lembaga Studi Lanjutan Tinggi dan di tahun 1940 menjadi warga negara Amerika Serikat. Perkawinan pertama Einstein berujung dengan perceraian, hanya perkawinannya yang kedua tampaknya baru bahagia. Punya dua anak, keduanya laki-laki. Einstein meninggal dunia tahun 1955 di Princeton.

Einstein senantiasa tertarik pada ihwal kemanusiaan dunia di sekitarnya dan sering mengemukakan pandangan-pandangan politiknya. Dia merupakan pelawan teguh terhadap sistem politik tirani, seorang pendukung gigih gerakan Pacifis, dan seorang penyokong teguh Zionisme. Dalam hal berpakaian dan kebiasaan-kebiasaan sosial dia tampak seorang yang individualistis. Suka humor, sederhana dan ada bakat gesek biola. Tulisan pada nisan makam Newton yang berbunyi: "Bersukarialah para arwah karena hiasan yang ditinggalkannya bagi kemanusiaan!" sebetulnya lebih tepat untuk Einstein.

B.RELATIVITAS DARI INTERVAL WAKTU

Kini, relativitas waktu adalah fakta yang terbukti secara ilmiah. Hal ini telah diungkapkan melalui teori relativitas waktu Einstein di tahun-tahun awal abad ke-20. Sebelumnya, manusia belumlah mengetahui bahwa waktu adalah sebuah konsep yang relatif, dan waktu dapat berubah tergantung keadaannya. Ilmuwan besar, Albert Einstein, secara terbuka membuktikan fakta ini dengan teori relativitas. Ia menjelaskan bahwa waktu ditentukan oleh massa dan kecepatan. Dalam sejarah manusia, tak seorang pun mampu mengungkapkan fakta ini dengan jelas sebelumnya.

Untuk menurunkan sebuah hubungan kuantitatif diantara interval pada sisitm koordinat yang berbeda, marilah kita tinjau ekspeimen lain yang dipikirkan. Seperti sebelumnya, sebuah kerangka acuan S’ bergerak sepanjang sumbu bersama x-x’ dengan laju u yang konstan relatif terhadap sebuah kerangka S. Dimana u harus lebih lambat daripada laju cahaya c. Mavis yang berkendara bersama kerangka S’, mengukur interval waktu diantara dua peristiwa yang terjadi di titik yang sama dalam ruang. Peristiwa 1 adalah peristiwa sebuah kilatan cahaya dari sebuah sumber cahaya meninggalkan O’. Peristiwa 2 adalah ketika kilatan cahaya itu kembali ke O’, setelah direfleksikan dari sebuah cermin yang berada sejauh d. Interval waktu ditandai oleh ∆to, dengan menggunakan indeks bawah nol untuk mengingatkan bahwa peralatan itu berada dalam keadaan diam, dengan kecepatan nol, dalam kerangka S’. Kilatan cahaya itu menempuh jarak total 2d, sehingga interval waktu itu adalah

Δt₀=2d/c

Perjalanan bolak-balik atau pulang pergi yang diukur oleh Einstein dalam kerangka S adalah sebuah interval ∆t yang berbeda; dalam kerangka acuannya kedua peristiwa itu terjadi di titik-titik berbeda dalam ruang. Selama waktu ∆t, sumber itu bergerak relatif terhadap S sejauh u ∆t . Dalam S’ jarak perjalanan pulang pergi adalh 2d yang tegak lurus terhadap kecepatan relatif itu, tetapi jarak perjalanan pulang pergi itu dalam S adalah jarak 2l yang lebih panjang, di mana

l=(d²+(uΔt/2)²)^-2

Dalam menuliskan pernyataan ini, kita telah menganggap bahwa kedua pengamat mengukur jarak d yang sama. Laju cahaya itu sama untuk kedua pengamat, sehingga waktu pulang pergi yang diukur dalam S adalah

Δt=2l/c=2/c(d²+(uΔt/2)²)^-2

Di inginkan untuk mempunyai sebuah hubungan diantara Δt dan Δt₀ yang tak bergantung pada d. Diperoleh

Δt =2/c((c Δt₀/2)²+(uΔt/2)²)^-2

Δt=Δt₀/(1-(u/c)²)^1/2

Kita mengingat kembali bahwa tidak ada pengamat inersia yang dapat berjalan pada laju u=c dan perhatikan bahwa (1-(u/c)²)^1/2 adalah imajiner untuk u > c. Δt selalu lebih besar dari Δt₀ , kita menamakn efek ini dilatasi waktu.

Dilatasi waktu (waktu relativistik)

Menurut Einstein, selang waktu yang diukur oleh pengamat yang diam tidak sama dengan selang waktu yang diukur oleh pengamat yang bergerak terhadap suatu kejadian.

Waktu yang diukur oleh sebuah jam yang bergerak terhadap kejadian lebih besar dibandingkan yang diam terhadap kejadian, peristiwa ini disebut dilatasi waktu sehingga :

Δt = Δt₀/(1-(u/c)²)^1/2

Δt =γ Δt₀

Keterangan :

∆t : selang waktu yang diukur oleh pengamat/jam yang bergerak terhadap kejadian

∆to : selang waktu yang diukur oleh pengamat/jam yang diam terhadap kejadian.

C.SEJARAH PARADOKS KEMBAR

1. Bagaimana Albert Einstein Membangun Teori Relativitas

Berikut ini adalah terjemahan dari kuliah Einstein pada tanggal 14 Desember 1992 di depan mahasiswa Kyoto Imperial University,Jepang:

BUKAN suatu hal mudah menceritakan secara lengkap bagaimana Einstein mendapatkan teori relativitas. Ini akibat adanya beragam kompleksitas yang secara tidak langsung memotivasi pemikiran manusia. Einstein pun tidak ingin menyampaikan secara rinci perkembangan pemikiran Einstein berdasarkan makalah-makalah ilmiah Einstein, namun Einstein akan secara sederhana menyampaikan esensi perkembangan pemikiran tersebut.

Pertama kali Einstein mendapatkan ide membangun teori relativitas sekitar 17 tahun lalu (1905). Einstein tidak dapat mengatakan secara eksak dari mana ide muncul, namun Einstein yakin ini berasal dari masalah optik pada benda-benda yang bergerak.Cahaya merambat dalam lautan ether dan Bumi bergerak dalam ether yang sama. Oleh karena itu, gerakan ether haruslah dapat diamati dari Bumi. Namun Einstein tidak pernah menemukan satu bukti pengamatan aliran ether dalam literatur fisika. Einstein sangat terdorong membuktikan aliran ether relatif terhadap Bumi atau dengan kata lain gerakan Bumi di dalam ether. Saat itu Einstein sama sekali tidak meragukan eksistensi ether serta gerakan ether tersebut.

Sebenarnya Einstein mengharapkan kemungkinan pengamatan pada perbedaan antara kecepatan cahaya yang bergerak searah dengan gerakan bumi dan cahaya yang bergerak berlawanan (dengan bantuan pantulan cermin). Ide Einstein dapat direalisasi dengan menggunakan sepasang termokopel untuk mengukur perbedaan panas atau energi mereka. Ide ini mirip dengan eksperimen interferensi Albert Michelson, namun saat itu Einstein tidak begitu familier dengan eksperimen Michelson.

Einstein berkenalan dengan hasil-nihil (null-result) eksperimen Michelson saat Einstein masih mahasiswa dan sejak saat itu Einstein sangat terobsesi dengan idenya. Secara intuisi Einstein merasakan bahwa jika kita menerima hasil-nihil tersebut, maka ia akan mengantarkan kita pada satu kesimpulan bahwa pandangan kita tentang Bumi yang bergerak di dalam ether adalah salah. Ini adalah langkah pertama yang menarik Einstein ke arah teori relativitas khusus. Sejak saat itu Einstein mulai yakin bahwa jika Bumi bergerak mengelilingi Matahari maka gerakannya tidak pernah dapat dideteksi dengan eksperimen cahaya.

Tahun 1895 Einstein membaca makalah Hendrik Lorentz yang mengklaim bahwa ia dapat memecahkan problem elektrodinamika seutuhnya melalui pendekatan pertama, yaitu suatu pendekatan di mana pangkat dua atau lebih dari rasio antara kecepatan benda dan kecepatan cahaya diabaikan. Setelah itu Einstein mencoba mengembangkan argumen Lorentz pada hasil eksperimen Armand Fizeau dengan mengasumsikan bahwa persamaan gerak elektron, sebagaimana telah dibuktikan Lorentz, berlaku dalam sistem koordinat baik yang mengacu pada benda bergerak maupun pada vakuum.

Einstein yakin dengan keabsahan elektrodinamika yang disusun oleh Maxwell dan Lorentz dan Einstein sangat yakin bahwa mereka dengan tepat menjelaskan fenomena alam yang sebenarnya. Lebih-lebih pada fakta bahwa persamaan yang sama berlaku dalam sistem koordinat bergerak serta sistem vakuum, jelas memperlihatkan sifat invarian (tidak berubah) cahaya.Walau demikian, kesimpulan ini bertentangan dengan hukum komposisi kecepatan yang dianut saat itu. Mengapa kedua hukum dasar ini bertentangan satu sama lain? Masalah besar ini membuat Einstein berpikir keras. Einstein harus menghabiskan setahun penuh dengan sia-sia mengeksplorasi kesempatan memodifikasi teori Lorentz. Masalah ini terlihat terlalu berat untuk Einstein!

Suatu hari, suatu percakapan dengan teman di Bern membantu Einstein memecahkan masalah besar ini. Einstein mengunjunginya pada hari yang cerah dan bertanya kepadanya: "Saat ini saya sedang dihadapkan pada masalah besar yang saya kira tidak pernah dapat diselesaikan. Sekarang saya ingin membagi masalah ini dengan Anda."Einstein menghabiskan pelbagai diskusi dengannya. Tiba-tiba Einstein mendapatkan ide sangat penting. Esoknya Einstein katakan, "Terima kasih banyak. saya telah memecahkan masalah saya."

Ide utama untuk pemecahan masalah ini berkenaan dengan konsep waktu. Waktu tidak boleh didefinisikan apriori sebagai suatu realitas absolut. Waktu haruslah bergantung pada kecepatan sinyal. Masalah besar ini dapat diselesaikan dengan konsep baru tentang waktu.Hanya dalam lima minggu Einstein dapat menyelesaikan prinsip relativitas khusus setelah penemuan tersebut. Einstein juga tidak memiliki keraguan akan keabsahan prinsip ini dari sisi filosofis. Lagi pula prinsip ini sesuai dengan prinsip Mach, paling tidak sebagian jika dibandingkan dengan kesuksesan teori relativitas umum. Inilah cara Einstein membangun teori relativitas khusus.

2.Paradoks Kembar Konsekuensi Dari Teori Relativitas

Pada tahun 1905, Einstein memublikasikan lima makalah dalam jurnal Annalen der Physik yang berisi tiga topik mahakarya bidang fisika. Yaitu efek fotolistrik, gerak Brown, dan yang paling terkenal, teori relativitas khusus. Secara singkat ketiga topik tersebut berturut-turut memaparkan sifat kuantum cahaya, memperkuat bukti-bukti adanya keberadaan molekul dan atom, dan mendobrak pengertian kita akan ruang, waktu, dan energi.

Melalui karya-karyanya ini, Einstein seperti menemukan mata rantai yang putus yang menjembatani topik-topik utama fisika klasik saat itu. Yaitu efek fotolistrik menjembatani elektromagnetika dan termodinamika, efek Brown menjembatani termodinamika dan mekanika klasik, lalu teori relativitas khusus menjembatani mekanika klasik kembali ke elektromagnetika. Hal inilah yang menambah daya tarik magis karya-karya Einstein tersebut, terutama teori relativitas khususnya yang revolusioner.

Tak mengherankan karya-karyanya ini menjadi monumen kejeniusan Einstein dan menempatkan dirinya sebagai raksasa intelektual dalam sejarah peradaban manusia setelah Galileo Galilei dan Isaac Newton. Sehingga layaklah tahun 1905 ini disebut annus mirabilis-nya Einstein. Pada tahun yang sama dia menerima gelar PhD dari Universitas Zurich dengan tesisnya yang berjudul "On a new determination of molecular dimensions".

Karya Einstein tentang teori relativitas khusus di tahun 1905 ini tertuang dalam makalahnya yang berjudul "On the electrodynamics of moving bodies". Di sini Einstein berusaha merekonsiliasikan mekanika klasik dengan teori elektromagnetika Maxwell. Dalam usahanya, Einstein terpaksa merobohkan fondasi konsep mekanika Newton yang selama ini bertumpu pada kemutlakan ruang dan waktu dan menggantinya dengan postulat bahwa kecepatan cahaya di ruang hampa itulah yang mutlak, tidak tergantung kecepatan atau kerangka acuan pengamat.

Tanpa mengecilkan arti kedua makalah yang lain, karya Einstein Teori Relativitas Khusus merupakan yang paling kontroversial saat dipublikasikan. Sampai kini, tetap menjadi bahan diskusi. Teori ini bagi sebagian ilmuwan merupakan dasar kuat yang memungkinkan perjalanan waktu ke masa depan. Sepuluh tahun sebelum Einstein muncul dengan gagasannya itu, ide perjalanan waktu seperti ditulis H.G. Wells dalam novel The Time Machine adalah fiksi ilmiah yang bertentangan dengan Hukum Fisika.

“Newton Forgive Me...”Itu kata-kata Einstein saat teori yang dihasilkannya ternyata berhasil menggulingkan teori Isaac Newton, seorang fisikawan legendaris, yang teorinya dipercaya oleh dunia sebelum munculnya teori Einstein yang mengobrak-abrik semuanya. Albert Einstein membuat heboh dengan Teori Relativitas Khusus (The Special Theory of Relativity) yang ditelorkannya pada tahun 1905.

Ada dua postulat dalam teori relativitas khusus ini. Yang pertama menyatakan bahwa semua hukum fisika yang berlaku di bumi, berlaku juga di seluruh jagad raya. Yang kedua menyatakan bahwa kecepatan cahaya di ruang hampa selalu konstan (sekitar tiga ratus juta meter per detik, atau sering ditulis dalam bentuk kerennya: 3.10⁸ meter per detik). Postulat yang kedua ini menunjukkan bahwa bagaimanapun cara kita mengukurnya, kecepatan cahaya tidak pernah berubah. Apa pun patokan yang kita gunakan untuk mengukur kecepatan cahaya, di mana pun posisi kita saat mengukur, dan berapa pun kecepatan kita (apakah kita sedang bergerak atau sedang duduk diam) saat mengukur, kecepatan cahaya selalu konstan. Ini menunjukkan bahwa kecepatan cahaya merupakan satu-satunya yang bersifat absolut. Postulat yang pertama pun menyatakan bahwa kondisi ini selalu berlaku di mana pun juga. Ini berarti, jika kita mengukur kecepatan cahaya di galaksi lain, kita tetap mendapatkan hasil yang sama, yaitu tiga ratus juta meter per detik!

Postulat-postulat Einstein ini ternyata memberi dampak besar bagi dunia. Ia pernah mencoba menjelaskan efek yang dihasilkan dari teorinya ini dalam perumpamaan berikut. Misalnya ada sebuah kereta yang sedang meluncur cepat. Si A sedang duduk dengan tenang dalam salah satu gerbong kereta itu. Si B sedang berdiri diam di luar kereta dan mengamati kereta yang meluncur di depannya itu. Sewaktu gerbong kereta yang dinaiki si A meluncur tepat di depannya, tiba-tiba ada kilat menyambar di dua tempat yang berbeda. Kilat pertama menyambar 100 meter di sebelah kanan B, sedangkan kilat yang satunya lagi menyambar 100 meter di sebelah kiri B. Saat kedua kilat menyambar, posisi A tepat di depan B. Karena si B sedang berdiri diam di luar kereta yang sedang meluncur, si B melihat kedua kilat itu menyambar pada saat yang bersamaan. Tetapi lain halnya dengan si A. Si A yang sedang berada di dalam kereta yang meluncur cepat (ke arah kanan si B) melihat kedua kilat menyambar satu per satu. Kilat yang pertama terlihat lebih dulu, beberapa saat kemudian baru kilat yang kedua terlihat oleh A. Padahal jarak A terhadap kilat pertama dan kedua sama dengan jarak B terhadap kedua kilat itu. Perbedaan ini disebabkan bedanya kerangka acuan A dan B (frame of reference). Si A sedang ‘meluncur’, sedangkan si B sedang berdiri ‘diam’. Karena si A sedang bergerak menuju kilat yang pertama, tentu saja kilat yang pertama itu terlihat lebih dulu. A bergerak menjauhi kilat yang kedua, sehingga kilat yang kedua tampak menyambar sesudah kilat yang pertama. Bagi si B yang sedang diam dan tidak mendekati maupun menjauhi kedua kilat itu, keduanya tampak menyambar pada waktu yang bersamaan. Yang mana yang benar? Keduanya benar! Tidak ada yang salah. Karena itulah ini dinamakan relativitas. Semua bergantung pada kerangka acuan yang digunakan. Dan apa pun kerangka acuannya, hukum-hukum fisika yang sama selalu berlaku (postulat 1). Sekarang jika si A dan si B sama-sama diminta untuk menghitung kecepatan cahaya, apa hasilnya akan berbeda? Tidak! Walaupun si A sedang bergerak dan si B sedang diam, keduanya akan mendapati bahwa kecepatan cahaya tetap tiga ratus juta meter per detik.

Ada konsekuensi dari teori relativitas ini. Yang paling terkenal adalah mulurnya waktu dan kontraksi panjang. Mulurnya waktu, atau bahasa kerennya Time Dilation, ini maksudnya bahwa jika suatu jam bergerak dengan kecepatan tertentu, waktunya akan memuai (mulur). Misalnya ada seorang astronot yang membawa jam tangannya saat menjalankan misi ke luar angkasa. Pesawat luar angkasa yang membawanya meluncur sangat cepat. Jika kita, yang berada di bumi, punya teropong yang sangat sensitif dan bisa melihat ke dalam pesawat yang sedang meluncur cepat itu, kita bisa menggunakan teropong itu untuk mengintip jam tangan si astronot. Sebelum si astronot berangkat kita sudah menyesuaikan jam tangan itu dengan jam tangan yang kita gunakan di bumi. Aneh, di jam tangan si astronot yang sedang meluncur di luar angkasa itu koq lebih lambat dibanding jam tangan kita di bumi? Padahal sebelum ia berangkat kedua jam sudah dicocokkan dan si astronot tidak mengubahnya sama sekali sejak keberangkatannya itu. Jarum detiknya tampak bergerak lebih lambat dibanding jarum detik di jam tangan kita. Inilah yang disebut dengan waktu yang mulur saat bergerak pada kecepatan tinggi. Semakin besar kecepatan gerak suatu benda atau partikel, waktu akan berjalan semakin lambat bagi benda atau partikel tersebut! Tentu saja hal ini tidak dirasakan oleh si astronot. Menurut si astronot, jam tangannya tidak berubah kecepatannya, yang berubah justru kecepatan jam tangan kita di bumi yang tampak bergerak lebih cepat. Hal ini disebabkan segala sesuatu di dalam pesawat astronot bergerak lambat termasuk proses metabolisma tubuh, getaran atom dan sebagainya.

Ada yang lebih seru lagi dari ini. The Twin Paradox. Apa itu? Misalnya kita pergi ke ruang angkasa menggunakan pesawat yang meluncur sangat cepat menjauhi bumi, dan kemudian kembali lagi ke bumi sepuluh tahun setelah pesawat lepas landas. Bagi kita yang berada di pesawat itu, kita hanya pergi selama satu tahun saja (karena adanya time dilation)! Jika kita punya saudara kembar yang menunggu kita di bumi, kita bisa melihat sendiri bahwa saat kita mendarat, kembaran kita (yang lahirnya bersamaan dengan kita) sudah 9 tahun lebih tua dari kita! Ini adalah salah satu akibat dari dilatasi waktu. Aneh tapi nyata!

Menurut Teori Relativitas Khusus, ruang dan waktu tidak absolut, melainkan relatif. Artinya, ruang dan waktu berbeda untuk setiap orang. Bagaimana seseorang mengalami kejadian dalam ruang dan waktu bergantung pada dua hal: di mana orang tersebut mengamatinya dan seberapa cepat ia bergerak bila dibandingkan dengan kecepatan cahaya..

Sesuai dengan rumus, kecepatan (v) adalah jarak (d) dibagi waktu (t). Jika v adalah konstan, t dan d-lah yang seharusnya berubah-ubah. Salah satu konsekuensi adalah bahwa jam yang ada di dalam sesuatu yang bergerak selalu berdetak lebih lambat ketimbang jam yang diam di tempat.

Dari sini muncul hipotesis yang terkenal paradoks kembar. Sepasang kembar dipisahkan, seorang menjadi astronot diterbangkan dengan roket berkecepatan tinggi menjelajahi galaksi dan kembali ke bumi, yang lain tinggal di bumi. Meskipun kecepatan roket mendekati kecepatan cahaya, butuh 10 ribu tahun bagi astronot itu menjelajah galaksi dan kembali ke titik tertentu di bumi. Karena geraknya relatif tinggi, usia astronot itu lebih lama ketimbang orang lain yang tinggal di bumi. Astronot akan kembali ke bumi hanya lebih tua beberapa tahun dari waktu ia meluncur. Sementara itu, saudara kembarnya sudah lama meninggal.

Disamping Teori Relativitas Khusus, Einstein juga mengembangkan Teori Relativitas Umum (The General Theory of Relativity).

D.PARADOKS DARI “PARADOKS KEMBAR” DAN SOLUSINYA

Persamaan dilatasi waktu Δt = Δt₀/(1-(u/c)²)^1/2 menyarankan sebuah paradoksnya “paradoks kembar” (twin paradox). Tinjaulah yang kembar identik yang bernama Yadin dan Atin. Yadin tinggal di bumi sedangkan kembarannya Atin berangkat melakukan sebuah perjalanan tamasya keluar angkasa dengan laju tinggi melalui galaksi. Karena dilatasi waktu, Yadin melihat denyut jantung Atin dan semua proses kehidupan lainnyaberlangsung secara lebih lambat dari pada denyut jantung Yadin sendiri. Jadi bagi Yadin, unur Atin bertambah secara lebih lambat dari pada pertambahan umur Yadin. Ketika Atin kembali ke bumi maka umur Atin lebih muda (telah berumur lebih sedikit) dibanding Yadin.

Nah, inilah paradoksnya: semua kerangka inersia adalah ekuivalen. Tidak dapatkah Atin membuat persis argumen yang sama untuk menyimpulkan bahwa Yadin ternyata adalah lebih muda? Maka masing-masing kembaran itu mengukur yang lainnya lebih muda ketika keduanya bersama-sama bertemu kembali, dan hal itu adalah sebuah paradoks.

Untuk memecahkan paradoks itu, kita mengenal bahwa kembar itu tidak identik dalam semua hal. Sementara Yadin tinggal dalam sebuah kerangka inersia secara aproksimasi sepanjang waktu, Atin harus menambah kecepatan sehubungan dengan kerangka inersia itu selama bagian-bagian perjalanannya untuk meninggalakan, berputar, dan kembali ke bumi. Kerangka acuan Yadin selalu inersia secara aproksimasi. Kerangka acuan Atin seringkali jauh dari kerangka inersia. Jadi ada sebuah perbedaan fisika yang nyata diantara lingkungan kedua kembar itu. Analisis yang cermat memeperlihatkan bahwa Yadin memang betul, ketika Atin kembali, dia lebih muda daripada Yadin.