Salah satu soalan paling penting pernah ditanya dalam sejarah sains pastinya adalah soalan dari Sir Isaac Newton, berkaitan dengan epal dan graviti. Namun begitu, sebelum soalan tersebut dihuraikan, mungkin adalah lebih baik untuk kita memutar waktu, jauh sebelum Newton sendiri lahir, masuk ke alam tamadun Greek purba, 400 tahun sebelum masihi.

Aristotle dan Empat Unsur

Aristotle (384–322 B.C.) adalah antara tokoh penting dalam tamadun Greek. Bertindak sebagai seorang ahli falsafah, Aristotle lahir di Stagira, Chalkidiki, di utara Greece lama. Merupakan anak murid Plato, Aristotle dianggap sebagai “Bapa kepada Falsafah Barat” (Father of Western Philosophy), di mana beliau mempengaruhi banyak cabang ilmu falsafah dan sains klasik.

Menurut Aristotle, alam ini sebenarnya terdiri daripada empat unsur utama, unsur air, api, angin dan tanah (ala-ala Avatar). Dalam usaha Aristotle untuk menerangkan graviti dan sifat bahan – kenapa bahan jatuh ke bumi, Aristotle berpendapat bahawa setiap unsur mempunyai sifat semulajadinya yang tersendiri – tanah yang berat akan sentiasa berada di tengah bumi, dan sifat api adalah sentiasa ke atas. Ini adalah antara penafsiran graviti paling awal dalam sejarah: unsur yang berat seperti air dan tanah akan sentiasa ingin berada pada keadaan semulajadi mereka (di tengah bumi) manakala unsur yang ringan seperti angin dan api akan sentiasa bergerak ke atas.

Satu lagi penaakulan yang dibuat oleh Aristotle adalah objek dengan berat yang berbeza akan jatuh ke bumi dengan kelajuan yang berbeza. Dalam bahasa mudah, sekiranya anda ada sebiji bola besi yang bulat dan sehelai kertas yang ringan, menurut Aristotle, bola besi tersebut akan jatuh ke bumi dengan lebih laju berbanding kertas tadi. Rumusan yang dibuat oleh Aristotle ini ternyata salah, dan ia telah disangkal oleh Galileo Galilei.

Eksperimen Menara Condong Pisa

Eksperimen di Menara Pisa merujuk kepada eksperimen yang dilakukan oleh Galileo untuk menerangkan kesan objek yang sedang jatuh dalam keadaan bebas (freely falling object). Oleh kerana Galileo sendiri tidak pernah mengakui bahawa eksperimen di menara Pisa ini pernah terjadi, maka kebanyakan ahli sejarah berpendapat bahawa eksperimen ini sebenarnya cumalah satu eksperimen minda yang tidak pernah berlaku.

Eksperimen yang dimaksudkan boleh digambarkan dengan keadaan berikut – sekiranya anda duduk di satu tempat tinggi (menara condong Pisa misalnya), dan anda mempunyai dua biji bola yang mempunyai berat yang berbeza. Sekiranya bola tersebut anda lepaskan pada ketinggian yang sama, satu-satunya daya yang akan bertindak ke atas kedua-dua bola tersebut adalah daya graviti.

Katakan kedua-dua bola kita dalam keadaan tidak bergerak/statik (0 m/s), dan kemudian kita jatuhkan dalam keadaan serentak, kedua-dua bola tersebut akan memecut pada kadar yang sama, iaitu pada kadar graviti bumi – 9.81 m/s², dan hasilnya, disebabkan bola-bola ini memecut pada kadar yang sama, mereka juga pastinya akan sampai ke tanah pada masa yang sama. Hal ini adalah berbeza dengan anggapan Aristotle, dan telahpun disahkan oleh banyak eksperimen masa kini (lihat rujukan).

Revolusi Soalan Penting Newton

Berbalik kepada soalan pada perenggan pertama tadi, kita kini akan meninjau salah satu soalan paling penting dalam sejarah sains, dan menjadi pencetus kepada kelahiran salah satu cabang matematik penting masa kini, iaitu kalkulus (calculus).

Menurut kisah yang diceritakan oleh Professor Michio Kaku dalam The Universe in a Nutshell, Newton pada asalnya sedang berjalan-jalan, sehinggalah dia ternampak sebiji epal jatuh ke tanah. Soalan yang ditanya oleh Newton kemudiannya adalah – ‘If the apple fall, does the moon also fall?’ (Sekiranya epal itu jatuh, bagaimana pula dengan bulan?).

Untuk menjawab soalan ini, Newton sedar bahawa matematik pada zamannya tidak mampu untuk digunakan bagi menerangkan tentang situasi ‘bulan sedang terjatuh’ ini. Oleh itu, Newton mula membangunkan kerangka matematik baru berdasarkan binomial theorem, yang kemudiannya digunakan untuk mencipta kalkulus.

Untuk menjawab soalan Newton tadi, benar, bulan sebenarnya sedang ‘terjatuh’ ke bumi! Namun jangan bimbang, kerana meskipun bulan sedang ‘terjatuh’ ke arah bumi, namun disebabkan bulan sendiri berputar pada paksinya, putaran bulan itulah yang mengelakkan bulan daripada terus jatuh dan menghentam permukaan bumi, dan sebaliknya bergerak mengelilingi bumi. ‘Jatuhan’ bulan ke bumi ini dipanggil sebagai gerakan selari (linear motion), dan lawan bagi ‘jatuhan’ ini adalah gerakan berputar (rotational motion).

Hasil dari kajian Newton tadi, Newton kemudian membina kerangka matematik bagi daya tarikan yang menarik epal dan bulan untuk jatuh ke bumi – Daya Graviti – dalam bentuk formula yang tertera di bawah.

F dalam formula di atas merujuk kepada daya graviti (Gravitational Force), manakala m₁ dan m₂ merujuk kepada jisim (mass) bagi dua jasad yang saling menarik, dan r² merujuk kepada jarak (radius) antara dua jasad tersebut, dan ia lebih dikenali sebagai hukum kuasa dua songsang (inverse square law). G dalam formulasi ini merujuk kepada pemalar tetap graviti (gravitational constant) yang bernilai 6.674×10⁻¹¹ N · (m/kg)².

Meskipun formula yang diterbitkan oleh Newton ini berfungsi dengan jayanya untuk menerangkan banyak permasalahan semesta klasik, namun terdapat beberapa kelemahan dalam teori Newton tersebut. Antara permasalahan yang dapat penulis bawa kepada pembaca adalah action at a distance – sekiranya anda berada di Malaysia dan rakan anda berada di England, oleh kerana anda berdua mempunyai jisim dan jarak, maka anda berdua sebenarnya saling tertarik antara satu sama lain (namun nilai tarikan graviti kalian adalah teramat kecil)!

Satu lagi implikasi nyata dari fungsi matematik Newton itu tadi adalah – sekiranya anda atau rakan anda tiba-tiba kehilangan berat badan, maka nilai kadaran jisim m₁ atau m₂ dalam formula itu akan berubah, dan anda berdua akan merasai perubahan daya graviti (F) tadi secara serentak dan serta merta! Untuk kes serta merta ini, ada seorang saintis lain yang tidak akan bersetuju – tidak ada perkara yang boleh berlaku secara serta merta (instantaneous interaction cannot occur), sebaliknya semua objek dalam alam semesta perlu mengikut hukum alam – kelajuan paling laju dalam alam semesta adalah kelajuan cahaya, dan orang tersebut adalah Albert Einstein.

Einstein, Relativiti Umum dan Graviti

Katakan matahari tiba-tiba hilang dari alam semesta. Menurut Relativiti Khusus, cahaya matahari hanya akan sampai ke bumi dalam masa 8 minit, maka di bumi, kita hanya akan sedar bahawa matahari telah hilang 8 minit yang lalu. Namun begitu, menurut Teori Graviti Newton, sekiranya matahari tiba-tiba hilang, kita akan merasa kehilangan tarikan graviti matahari terhadap bumi secara langsung dan terus, dan ini kemudiannya akan melanggar prinsip utama dalam Relativiti Khusus! Tiada apa mampu bergerak lebih laju daripada cahaya!

Bertitik tolak dari idea ini, dan setelah Relativiti Khusus (Special Relativity) membuatkan Einstein menjadi terkenal pada tahun 1905, Einstein kemudian cuba untuk menyambung Teori Relativiti Khusus dan mengembangkan lagi teori tersebut. Teori Relativiti Khusus berkisar kepada topik objek yang mempunyai kelajuan yang sekata (constant velocity), dan selain kelajuan dan halaju, satu lagi aspek yang diteroka oleh Einstein adalah pecutan (acceleration).

Seperti yang penulis telah bentangkan pada ruangan Galileo, objek yang ditarik oleh graviti kelihatannya seperti memecut ke arah bumi dalam keadaan sekata (constant acceleration). Dalam formulasi barunya yang dipanggil Relativiti Umum (General Relativity), Einstein membuat hujahan bahawa graviti dan pecutan adalah dua perkara yang sama, yang turut dikenali sebagai Prinsip Kesetaraan (Equivalence Principle). Oleh kerana fokus tulisan ini adalah dalam bahagian sejarah, maka penulis akan membincangkan topik Relativiti Umum pada penulisan akan datang secara lebih mendalam lagi. Secara amnya, Einstein menggambarkan graviti adalah terhasil akibat daripada lekukan fabrik ruangmasa (spacetime curvature).

Teori Kuantum dan Relativiti Umum yang Tidak Serasi

Meskipun Teori Relativiti Umum Einstein berjaya untuk menggambarkan graviti bagi objek samawi dalam alam ini, namun terdapat beberapa perkara yang tidak mampu dijawab oleh Relativiti Umum Einstein, lebih-lebih lagi yang berkaitan dengan Teori Kuantum. Sebagai contoh, lohong hitam (black hole), menurut deskripsi Relativiti Umum, adalah kawasan di mana graviti adalah teramat kuat. Menurut prospek Teori Kuantum pula, disebabkan berlakunya singularity dalam lohong hitam, keadaan di mana fabrik ruangmasa adalah terlampau kecil akibat graviti, maka graviti kini perlu diselaraskan untuk turut mematuhi hukum kuantum, kerana hukum kuantum melibatkan dimensi yang amat kecil. Oleh itu, lohong hitam perlu mampu diterangkan oleh kedua-dua teori tersebut: Teori Kuantum serta Teori Relativiti Umum, atau salah satunya akan menjadi betul, dan salah satunya akan tertolak salah.

Bidang ini (penyatuan Teori Kuantum dengan Relativiti Umum) kini sedang diteroka dengan mendalam, dengan pelbagai calon teori yang dicanang sesuai seperti Teori Tetali (String Theory) dan Loop Quantum Gravity. Pengesanan gelombang graviti baru-baru ini juga pastinya membuka idea-idea baru bagi para saintis, dengan idea seperti konsep kedualan zarah-gelombang (wave-particle duality) yang meletakkan foton sebagai pasangan partikel bagi gelombang cahaya, maka adakah graviton – pasangan partikel bagi gelombang graviti wujud?

Rujukan:

Forum fizik dalam talian –

https://physics.stackexchange.com/questions/9049/why-doesnt-the-moon-fall-upon-earth

https://physics.stackexchange.com/questions/312492/is-the-moon-in-a-freefall-around-the-earth

Michio Kaku, (2012). “The Universe in a Nutshell.” – https://www.youtube.com/watch?v=0NbBjNiw4tk

Eksperimen Galileo – https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/transcoded/e/e8/Apollo_15_feather_and_hammer_drop.ogv/Apollo_15_feather_and_hammer_drop.ogv.240p.webm

https://www.youtube.com/watch?v=QyeF-_QPSbk

Isaac, (1982). “Asimov’s Biographical Encyclopedia of Science and Technology”. 2^nd edition. Doubleday Publishing Group Inc. ISBN: 0-385-17771-2.

G. Adler & B. L. Coulter, (1978). “Galileo and the Tower of Pisa experiment”. American Association of Physics Teachers, 46(3) pp. 199-201.

Zubir, (2018). “Pengenalan Fizik Graviti Newton”. Blog Physics Coffee Talk. https://physicscoffeetalk.wordpress.com/2018/07/21/pengenalan-fizik-graviti-newtonian/