Eksperimen Lif Einstein

Setelah Albert Einstein menjadi terkenal dalam kalangan ahli akademik berikutan Teori Relativiti Khusus (Special Relativity Theory) yang beliau hasilkan pada 1905, dua tahun kemudian, Einstein mendapat ilham yang menurut Einstein adalah ilham paling menggembirakan (happiest thoughts) yang pernah beliau dapat.

Bayangkan anda sedang berada di dalam sebuah lif di angkasa lepas. Disebabkan tiada daya yang bertindak ke atas lif tersebut, dan lif tersebut tidak dipengaruhi oleh tarikan graviti, maka anda terhuyung hayang, berada di tengah-tengah lif, tidak mampu memijak ke lantai, dan tak mampu menyentuh bumbung lif tersebut.

Namun, katakan lif kita kini memecut 9.81 m/s² ke atas. Saya rasa, ramai pembaca pernah mengalami perkara ini. Sekiranya lif kita bergerak ke atas dalam keadaan memecut, badan kita akan terasa seperti tertarik ke bawah. Menarik bukan? Lif tersebut sedang bergerak ke atas, namun kita merasa tertarik ke bawah. Tahukah anda bahawa eksperimen lif ini telah digunapakai oleh Einstein untuk menerangkan serta membina kerangka salah satu mahakarya beliau dalam sains – ‘Teori Relativiti Umum’ (General Relativity Theory)?

Menggunapakai Gedanken Eksperimen yang sama seperti di atas, Einstein menyatakan satu lagi kes menarik mengenai eksperimen lif ini. Katakan kita masih lagi berada dalam lif tersebut, namun kali ini lif kita tidak bergerak, sebaliknya lif kita sekarang berada di atas tanah lapang di atas bumi, dengan pecutan graviti yang kita rasa adalah berkadar pada 9.81 m/s²; kita masih lagi akan merasa tertarik ke bawah.

Maka ini pertanyaan yang ingin ditanyakan oleh penulis – apa bezanya tarikan yang kita rasa sewaktu lif kita memecut ke atas, dengan tarikan yang kita rasakan akibat dari lif yang tidak bergerak, namun tertarik ke bawah akibat graviti? Jawapannya: kedua-dua situasi tersebut adalah situasi yang tidak mampu kita bezakan; tarikan lif yang memecut ke atas itu sama keadaannya dengan tarikan akibat graviti.

Nampak ganjil dan mustahil bukan? Mana mungkin, objek yang sedang memecut itu sama dengan objek yang sedang duduk pegun! Namun begitu, daripada situasi yang penulis ceritakan tadi, Einstein kemudian membina prinsip utama dalam Relativiti Umum, yang diberi nama Prinsip Kesetaraan (Equivalence Principle). Dalam bahasa mudah, Prinsip Kesetaraan bermaksud:

“Buat seseorang yang berada dalam ruang yang tertutup dan merasa tertarik, dia tidak mampu tahu sama ada dia sebenarnya sedang ditarik oleh tarikan graviti, ataupun ditarik akibat lifnya yang sedang memecut.”

Setelah faham bahawa kedua-dua situasi tersebut adalah bersandarkan kepada situasi yang sama, kita kemudian membuat penambahan kepada Eksperimen Gedanken ini. Jika kita merujuk kepada Figure 1, sekiranya kita menjatuhkan bola di dalam lif yang memecut, bola tersebut akan terjatuh ke lantai, seolah-olah kita sedang duduk di kawasan dengan tarikan graviti (sedangkan kita sekarang berada di dalam lif di kawasan tanpa graviti).

Untuk menambahkan sedikit lagi kerumitan bagi eksperimen minda kita ini, kita akan menambahkan satu lagi entiti – cahaya.

Sebelum Einstein memperkenalkan Relativiti Umum, cahaya diketahui bergerak dalam keadaan lurus. Contohnya, jika kita memancarkan laser (sumber cahaya) ke arah bulan, maka cahaya laser tersebut akan bergerak lurus ke arah bulan, sepertimana yang dibincangkan oleh saudara Izzat Zubir dalam blog beliau. Mudah bukan?

Bayangkan, jika di dalam lif kita tadi, kita pancarkan lampu (sumber cahaya) ke arah dinding lif tersebut. Maka, menurut perspektif kita, cahaya tersebut akan bergerak secara lurus, bukan?

Tidak semestinya.

Berdasarkan lif kita yang bergerak tadi, sekiranya kita memancarkan lampu ke arah dinding lif, lif kita sendiri sedang bergerak ke atas (simultaneous event). Ini bermakna, sewaktu cahaya lampu kita ingin bergerak sampai ke dinding lif tersebut, lif kita telah terlebih dahulu bergerak ke atas, menjadikan cahaya kita itu tidak bergerak dalam keadaan lurus, sebaliknya bergerak dalam keadaan terbengkok (bend), seolah-olah ia ditarik oleh lif tersebut.

Maka, sekali lagi penulis ingin bertanya, apa bezanya tarikan di dalam lif yang bergerak dengan tarikan disebabkan graviti? Menurut Prinsip Kesetaraan Einstein, oleh sebab tarikan graviti adalah sama dengan tarikan yang berlaku akibat pecutan lif, maka – cahaya akan terbengkok dalam kawasan dengan tarikan graviti, sama seperti cahaya terbengkok akibat pecutan lif tadi; cahaya sebenarnya ditarik oleh graviti, sama seperti cahaya ditarik oleh lif tadi!

Graviti, Cahaya dan Masa

Anda rasa rumusan Einstein di atas adalah sesuatu yang ganjil? Tunggu dulu. Kita masih belum masuk ke dalam keganjilan sebenar Relativiti Umum. Untuk meneruskan lagi pemahaman kita mengenai perkaitan antara masa dan graviti, pembaca perlu terlebih dahulu memahami tajuk yang lepas mengenai perkaitan antara masa dan cahaya dari tajuk Sebenarnya Masa Tidaklah Tetap.

Di dalam tulisan tersebut, penulis menggunapakai idea berkenaan jam cahaya, sejenis jam yang diperbuat daripada pantulan cahaya, di mana satu pantulan cahaya adalah bersamaan dengan satu saat. Masih ingat dengan eksperimen tersebut? Untuk kali ini, kita akan menggunapakai jam yang sama, jam cahaya, dengan satu saat didefinasikan sebagai masa satu pantulan cahaya berlaku.

Jadi bayangkan sekiranya jam cahaya kita ini berada di dalam lif di kawasan tanpa graviti. Oleh kerana ketiadaan graviti di dalam lif, maka cahaya kita akan bergerak dari A ke cermin B tanpa terjejas akibat graviti, sebelum kembali semula ke sumber A. Ini kita namakan sebagai Situasi 1.

Namun begitu, untuk Situasi 2, bayangkan sekiranya jam cahaya kita kini berada di kawasan dengan tarikan graviti. Pergerakan cahaya dari sumber A akan terjejas dan cahaya akan bergerak lebih perlahan kerana cahaya ditarik oleh tarikan graviti, dan akan sampai ke cermin B agak lambat berbanding Situasi 1. Sewaktu bergerak dari cermin B kembali ke sumber A pula, meskipun ditarik oleh tarikan graviti ke bawah, kelajuan cahaya akan kekal sama kerana cahaya merupakan kelajuan maksimum bagi alam semesta (rujuk: Mengejar Kelajuan Cahaya.).

Dari sini, kita dapat lihat bahawa dalam kawasan tanpa graviti (Situasi 1), masa yang diambil untuk satu pantulan cahaya (satu saat) berlaku adalah berbentuk biasa (normal), namun untuk Situasi 2, masa yang diambil untuk satu pantulan cahaya (satu saat) berlaku adalah lebih perlahan, ataupun dalam erti kata lain, telah berlaku pengembangan masa akibat graviti (gravitational time dilation).

Lebih Berat bermakna Lebih Graviti

Menurut Teori Graviti Newton, jasad yang lebih berat mempunyai tarikan graviti yang lebih tinggi. Merujuk kepada eksperimen-eksperimen minda kita di atas pula, kawasan dengan graviti tinggi akan menyebabkan masa menjadi lebih lama dan lambat, akibat dari pengembangan masa (time dilation).

Maka, objek lebih berat = tarikan graviti lebih tinggi = masa berlalu lebih lambat. Mudah bukan?

Jadi, adakah apa-apa cara untuk kita menyemak semula idea ini: adakah benar bahawa sekiranya berada dalam kawasan bergraviti tinggi, masa akan menjadi lebih lama/lambat?

Menurut Richard Feynman sewaktu dalam salah satu syarahannya, bumi sendiri boleh menjadi manifestasi terhadap kesan pengembangan masa akibat graviti. Kerak bumi atau permukaan bumi (earth crust), seperti yang kita tahu, terdiri daripada lapisan luar bumi yang nipis, menjadikan ketumpatannya dan beratnya lebih ringan, jika dibandingkan dengan teras bumi (inner core) yang mempunyai berat dan ketumpatan yang lebih tinggi. Jadi, menurut Feynman, masa untuk teras bumi sepatutnya bergerak lebih perlahan berbanding dengan permukaan bumi, menjadikan teras bumi sepatutnya ‘lebih muda’ jika dibandingkan dengan permukaan bumi.

Meskipun Richard Feynman ini merupakan seorang ahli fizik yang terkenal, namun beliau melakukan sedikit kesilapan dalam pengiraan beliau. Menurut Feynman, beza masa antara teras bumi dengan permukaan bumi sepatutnya adalah dalam selang masa beberapa hari, namun menurut perkiraan terbaru, saintis menganggarkan beza masa antara teras bumi dengan permukaan bumi adalah setinggi 2.49 tahun! Teras bumi lebih muda 2.49 tahun berbanding permukaan bumi!

Untuk masa sekarang, kita belum mampu melihat bukti fizikal pengembangan masa akibat graviti bagi kes ini, kerana kita belum mampu meneroka sehingga ke teras bumi. Namun begitu, relativiti telahpun diaplikasikan ke dalam sistem GPS, untuk memperbetulkan masa akibat perbezaan graviti antara permukaan bumi dengan graviti bagi satelit di angkasa.

Merujuk kepada eksperimen National Physical Laboratory yang lepas juga, saintis telah mengkaji beza masa bagi jam yang berada di bumi dengan jam yang berada di udara. Seperti yang kita ketahui, semakin kita bergerak menjauhi bumi, tarikan graviti juga semakin lemah. Maka, eksperimen ini adalah eksperimen yang sesuai untuk melihat beza masa antara dua kawasan dengan tarikan graviti yang berbeza; permukaan bumi dengan tarikan graviti yang tinggi, dan kawasan udara dengan tarikan graviti yang lebih rendah.

Saintis mendapati jam di permukaan bumi bergerak lebih lambat, dengan perbezaan masa sebanyak 53 nano saat, sekaligus membenarkan Teori Relativiti Umum bahawa masa akan bergerak lebih perlahan untuk objek di kawasan bergraviti tinggi, jika dibandingkan dengan objek di kawasan dengan medan graviti yang lebih rendah.

Satu lagi implikasi idea Relativiti Umum ini adalah pembengkokan cahaya itu sendiri. Menurut Einstein, sekiranya benar bahawa graviti mampu membengkokkan cahaya, maka cahaya bintang yang berada tersembunyi di sebalik matahari juga sepatutnya mampu dilihat akibat dari bengkokan cahaya bintang itu sendiri. Hal ini telah menjadi bukti utama di zaman Einstein, di mana Sir Arthur Eddington telah menjalankan pencerapan ke atas fenomena gerhana pada tahun 1919, sekaligus menjadikan Einstein seorang saintis selebriti yang sensasi pada zaman itu.

Setelah berkelana dalam geometri matematik bagi merangka Relativiti Umum, Einstein mendapati bahawa graviti sebenarnya bukanlah tarikan sepertimana yang didakwa oleh Newton, namun sebaliknya adalah berbentuk lekukan fabrik ruangmasa, dan bengkokan yang terjadi itu sebenarnya termaktub dalam kerangka yang kini dikenali sebagai Persamaan Medan Einstein (Einstein Field Equation).

Sehingga ke hari ini juga, ada saintis yang cuba membuktikan bahawa Einstein dan Teori Relativiti Umum beliau salah, namun ternyata teori ini masih kekal berdiri teguh selepas 100 tahun ia dicipta (1915 – 2015). Idea pengembangan masa yang dibina oleh Einstein ini juga telahpun diabadikan dalam salah satu filem Christopher Nolan yang berjudul ‘Interstellar’,di mana watak utamanya berkelana di kawasan lohong hitam yang mempunyai medan graviti tinggi. Idea Relativiti Umum juga merupakan tunjang utama dalam sains moden, terutamanya dalam bidang astrofizik.

Rujukan:

Link eksperimen oleh National Physical Laboratory:

http://www.npl.co.uk/upload/pdf/metromnia_issue18.pdf

Ashby, N., (2003). “Relativity in the Global Positioning System” (PDF). Living Reviews in Relativity. 6: 16.  doi:10.12942/lrr-2003-1

Buchen, L., (2009). “May 29, 1919: A Major Eclipse, Relatively Speaking”. Wired.

Jaquith T., (2016). “Thanks to Time Dilation, Earth’s Core is 2.5 Years Younger Than its Surface”. Futurism.

Uggerhøj, U.I., Mikkelsen, R. E., Faye, J., (2016). “The young centre of the Earth”. European Journal of Physics. 37 (3).

Zubir I., (2018). “Eksperimen Prinsip Kesetaraan”. Physics Coffee Talk blog.