Kuliah Sesi 2 "GELOMBANG GRAVITASI"

Ilmu fisika tumbuh karena budaya riset yang terbangun sejak 400 - 500 tahun sebelum masehi. Masa yang dikenal sbg filsafat klasik dengan tokoh utama Aristoteles.

Di abad pertengahan 900 - 1400 sesudah masehi, budaya riset diambil oleh ilmuan muslim seperti Al Khawarizmi, Al Hazen, Ibnu Sina dst. Selama periode itu ilmu pengetahuan ditulis dan diajarkan dalam bahasa Arab. Perpindahan budaya riset terjadi saat Cordova dan Toledo runtuh dan kembali ke tangan bangsa Spanyol.

Ilmu pengetahuan dan teknologi pindah ke dtaran eropa barat khsusnya Italia, Inggris, belanda, dan perancis. Copernicus adalah penggagas utama yang dengan berani menantang para ilmuan dan pelaut dunia untuk berkeliling dunia dengan tujuan mempelajari kondisi bumi, budaya serta arus perdagangan dunia. Copernicus yang memulai bahwa bumi bukanlah pusat alam semesta serta sistem tata surya. Beliau menyadari berdasarkan informasi ilmuan muslim bahwa sistem tata surya kita berada di dalam galaxi bimasakti .sebuah galaxi yang pertama kali di laporkan oleh astronom muslim. Pandangan Copernicus ini diadopsi oleh Galileo di Italia yang kemudian dituliskannya dalam buku The Dialog of Two Bodies.sebuah buku matematika yang diharamkan oleh gereja katolik.

Galileo adalah periset unggul.dia ke belanda mempelajari teleskop yang kemudian dibuatnya sendiri dengan perbesaran 30 x, dan dengan teleskop itu beliau mempelajari permukaan bulan serta planet2 dalam. Galileo adalah ilmuan yang tidak puas dengan pandangan Aristoteles tentang gerak.karena itu beliau melakukan percobaan dengan menggelindingkan benda-benda speris di permukaan miring.jadi tidak benar kalo dia naik ke menara pisa lalu membuang benda-benda. Hehehe

Percobaan yang berulang tersebut membawanya ke kesimpulan bahwa gerak benda tidak bergantung pada beratnya dan jika gesekan bisa diabaikan niscaya benda-benda tersebut tiba di tanah bersamaan. Galileo sudah mulai menyadari akan adanya gaya yang menarik benda ke permukaan bumi. Galileo mendapati karya Aryabhata, matematikawan India yang menuliskan bahwa benda-benda tidak akan jatuh ketika berotasi atau kerangkanya berotasi. Besar kemungkinan istilah gravitasi diusulkan oleh Aryabhata.

Thn 1687, Newton meneruskan karya Galileo dengan mengajukan hukum kuadrat terbalik.yang kemudian disebut hukum gravitasi universal. Para fisikawan ribut karena di dalam hukum tersebut terdapat suku massa. Hal ini terjadi karena hukum kedua newton F = ma, juga mengandung massa yang oleh Newton sendiri disebut massa inersia.

Di dalam hukum gravitasi universal F =G (M m)/r.r juga ada massa yang oleh Newton disebut massa gravitasi. Jadi ada dua jenis massa? Massa gravitasi dan Massa inersia. Hal itu menimbulkan kerancuan akan definisi massa. Beberapa tahun kemudian Lorand Eotvos melakukan pengujian dengan timbangan torsi yang sangat presisi dan melaporkan bahwa massa inersia dan massa gravitas bersifat ekuivalen dan disebutnya equivalen principle.

Hukum gravitasi Newton sukses digunakan oleh John Couch Adams dan Urbain Le Verrier untuk menetapkan orbit planet khususnya Neptunus dan Uranus. Tapi tidak cocok untuk orbit merkurius. Astronom menyebutnya perturbation orbit.halloo.ada yang tau apa itu perturbation orbit. Mereka mengira ada objek lain yang mengganggu orbit merkurius karena sangat dekat dengan matahari. Gagasan itu sangat tidak disukai oleh Eddington di Cambridge. Diam-diam Eddington menulis surat ke Einstein dan mengajukan masalah tersebut. Surat itu menjadi awal teori relativitas umum Einstein.

Persoalan gerak dengan sistem kerangka acuan dimulai oleh Galileo dan dikenal dengan transformasi Galileo. Jika kita naik mobil ke suatu tempat dan melihat keluar. Semua pepohonan, rumah dan gadis cantik di tepi jalan bergerak berlawanan dengan arah gerak mobil Anda. Semua itu karena Gerak bersifat relatif dan bergantung pada kerangka acuan.

Apakah transformasi galileo berlaku untuk benda yang dipercepat? Jawabannya hanya uuntuk kerangka inersia.

Terjadi perbedaan kecepatan benda ketika diamati oleh pengamat diam dan pengamat yang bergerak relatif terhadap yang pertama. Hukum itu disebut hukum penjumlahan kecepatan dan kita semua memakainya ketika ada kasus sederhana anak berenang menyeberang sungai tegak lurus denga arah arus?

Anggaplah gravitasi adalah gaya yang bekerja mempertahankan benda-benda langit pada orbitnya, mempertahankan segala sesuatu di atas permukaan bumi termasuk kita yang tidak terlempar keluar. Anggapan itu juga yang kita pakai jika kita melepaskan sebuah benda dan jatuh ke permukaan bumi.

Apa yg Anda katakan bila sebuah gelas cantik jatuh tanpa sengaja dari tangan Anda dan pecah berantakan? Apakah gelas yang menabrak bumi ataukah bumi yang menabrak gelas? ilustrasikan benda A dan B pada jarak r saling tarik. Bagaimana anda menggambar vektornya? sesungguhnya garis gaya vektor itu bermakna apa? tarik menarik saling mendekati. tetapi kenapa yg kita kesani hanya gelas yg bergerak?

Melalui berbagai percobaan fisika di lab. Kita menetapkan dua hal. Konstanta gravitasi G pada orde 10-11 dan percepatan gravitasi 9,8 m/s2. Gaya gravitasi bumi dan gelas sama besarnya. Namun massanya berbeda sehingga Percepatanx juga berbeda. Sesungguhnya pertanyaan itu yang mengganggu alam berpikir Eistein mengenai gravitasi Newton.

Eistein adalah fisikawan yang awalnya ragu dengan transformasi galileo dan gravitasi newton. Keraguan itu diungkapkannya dalam pertanyaan apa yang terjadi jika saya mengendarai cahaya. Itulah titik awal Einstein berpikir tentang waktu dan mekanika yang baru. Ia lalu menggunakan transformasi lorentz untuk gel EM dan memberi syarat kecepatan cahaya sebagai kecepatan tertinggi yang dapat diukur. hasilnya sangat menabjukkan kawan.

Apakah sahabat ketika mengajarkan teori reltivitas khusus dimulai dari transformasi lorentz?

Andaikan seorang pilot pesawat. Mengendarai pswt 0,5c kemudian menembakkan sinar laser searah gerak psewat. Berapa kecepatan sinar laser tersebut menurut pengamat yang diam di bumi? Kecepatannya adalah sebesar C.  Kemana 0,5 C? Menggunakan transformasi lorentz. Karena itu Einstein menetapkan postulat yang sangat fundamental yakni kec cahaya tidak bergantung pada gerak benda atau pengamat, dan hukum-hukum fisika bersifat invarian. Konsekuensi dari 2 postulat tersebut mengherankan banyak fisikawan bahkan hingga saat ini.

Anda semua tentu mengajarkan konstraksi lorentz, dilasi waktu, dan hubungan massa - energi E= m c2.

Mungkin anda juga menurunkan persamaan Hukum kedua Newton secara relativistik?

Secara matematika, hukum gerak Newton adalah aproksimasi mekanika relarivistik Einstein. Artinya hukum Newton bersifat kasuistik. Sederhananya hukum-hukum newton dapat diperoleh kembali dari teori relativistik einstein. Tapi tidak sebaliknya.

Untuk dunia quantum, ukuran partikel yang kecil, kecepatan yang tinggi hukum Newton menemui lorong buntu. Karenanya ditinjau secara relativistik, terima kasih kepada Paul Dirac dan Klein-Gordon untuk perumusan Quantum Relarivistik yang anggun.

Ada yang sudah pernah bertemu dengan pers Shrodinger relativistik?

Einstein berpikir bahwa apa yang terjadi jika seseorang naik lift tiba2 tali lift putus dan lift dipercepat menuju bumi? Orang tersebut merasa kehilangan bobot atau berat badannya.

Ada yang pernah naik dragon tower di trans studio? Sama kalau kita naik mobil. Sopirnya balap dijalan perosotan dan mobil terbang. Kita merasa perut anda kosong. Situasi itu memaksa Einstein berpikir ulang tentang gravitasi dan dengan komukasi intens ke Eddington. Einstein memperkenalkan kurva ruang-waktu.

Perumusan matematika ruang waktu dikerjakannya bersama Max Planck dan dengan keberanian yang luar biasa Einstein menyimpulkan bahwa gravitasi buka GAYA sebagaimana yang dimaksud Hukum Newton. Ruang-waktu 4 dimensi dilukiskan secara sederhana dalam sumbu xy. Sumbu x waktu dan sumbu ruang y. Kondisi ini disebut time line yang melahirkan kurva piramida waktu. Menurut Einstein, semua benda yang bermassa menyebakan lekukan ruang waktu di sekitarnya yang volume dan radiusnya bergantung pada massanya.

Bayangkan anda punya selembar karet tipis lalu anda letakkan sebuah bola besi pejal di tengahnya .apa yang terjadi dengan lembaran karet itu?

Lekukan itu adalah lekukan ruang dan waktu. Apa yang terjadi jika anda melepaskaskan sebuah bola lain di lekukan tersebut. Benda lain tersebut akan bergerak melingkar di dalam lekukan tersebut dan menyebabkan gangguan yang mengarah keluar dengan kecepatan tinggi sebesar c.

Gangguan pada lekukan tersebut disebut ripple dan merambat di percepat ke arah luar sebagimana layaknya gelombang air yang membesar seiring waktu. Kondisi serupa diperoleh pada saat muatan listrik dipercepat dan menghasilkan medan EM.

Henri Poincare 1905 mengusulkan istilah gelombang gravitasi.yang membuat Einstein marah. Dia menolak gagasan Poincare karena masalah dipol. Einstein bilang mana ada dipol gravitasi? Kalo muatan listrik jelas ada dipolnya. Plus dan minus.

Diam-diam Einstein melanjuntukan ide Poincare dan pada tahun 1915 menerbitkan teori relativitas umum dan menyatakan gelombang gravitasi dengan tiga bentuk. longitudinal-longitudinal, trans - long, dan tran - trans.

1922, Arthur Eddington di Cambridge memperbaiki teori itu. Thn 1936, Einstein dan Nathan Rosen mempublikasikan perbaikan gagasan itu di Physical Review dan dikoreksi oleh Howard Robertson. Sinar yang dibelah dua merambat ke cermin pemantul sempurna dan dikembalikan lagi. Kedua cermin tersebut bekerja sebagai sumber gelombang baru.

Apa yang terjadi pada kedua gelombang tersebut ketika mereka bertemu kembali? idenya adalah dapatkah kita temukan interfernsi dari riak gel ruang waktu gelas dan bumi tadi? Gagasan itu mendorong Kip Thorne 1984 untuk membangun Laser Interferometry Gravitational Observatory (LIGO) antara washington - lousiana dengan jarak 4 km untuk mendeteksi gelombang gravitasi yang frekuensinya sekitar 0.5 hz dan panjang gelombangnya 600000 km. Akibat gangguan ruang waktu bintang biner.

Lengan ligo itu masing-masing 4 km dan setiap cermin dapat digerakkan menjauh dan mendekati beam splitter dalam skala nanometer. Agar gelombang gravitasi yang tiba di washington dan yang tiba di lousiana memiliki lintasan optik yang berbeda dalam skala 1/10 pangkat 20.  Lintasan optik yang berbeda akan menghasilkan interferensi.

Pada tgl 11 Feb 2016 ligo berhasil mendeteksi gelombang gravitasi dari 2 black holes dengan massa 29 dan 36 massa sistem tata surya kita dengan frek 35 hingga 250 Hz untuk 5 orbit. Hasil kedua diumumkan pada tgl 15 juni 2016.

Perhatikan data itu, diimpitkan antara teori dan hasil eksperimen. Strain dan waktu. Artinya regangan gelombang gravitasi dan waktu dalam skala sekon.

Ingat kekuatan gravitasi 10 pangkat 36 lebih kecil dari  gaya inti. Itulah sebabnya mengapa teori Newton tidak mungkin digunakan untuk menjelaskan masalah gravitasi. Bahkan sekalipun jarak kedua detektor ditambah ribuan km.riak yang diperoleh hanya sebesar diamter rambut.

Kesimpulannya adalah gravitasi bukanlah gaya melainkan riak ruang waktu akibat interaksi ruang waktu dua benda atau lebih. Sekali lagi Einstein dan Henri Poincare seharunyanya benar. Implikasinya adalah mungkinkah gelombang gravitasi menggantikan cahaya untuk mengenali alam semesta kita.

Gambar tersebut di atas itu adalah ilustrasi artis. Bukan potret black hole yang menyatu seperti gelas dan bumi.

Jd bgmn cara menjelskn ke anak smp supaya mereka mudah memahami karena selama ini pemahamannya adalahh gaya? Hukum-hukum Newton adalah kasus khusus teori relativitas khusus dan umum. Untuk level smp dan sma ajarkann kasus khusus itu saja.

Uraian matematika gelombang ruang waktu tidak terlalu rumit sebenarnya. hanya perlu belajar sedikit tentang tensor dan ruang datar euclidian.

SUMBER : Kuliah Online Fisika di grup Telegram "Physics Online Course" Alumni UNM yang di bawakan oleh Ayahanda Bapak Prof. Subaer, M.Phil, Ph.D, pada Hari Senin, 2 Januari 2017 Pukul 20.00-24.00 Wita...