Siapa sih yang nggak kenal nama Einstein, dan rumusnya yang terkenal E=mc^2? Nama (dan wajah!) Einstein, juga rumusnya, ‘dicomot’ jutaan produk sebagai representasi ‘jenius’.
Tapi akui sajalah, rata-rata hanya mengenal sampai di situ saja, tanpa benar-benar tahu apa sebenarnya yang dibicarakan Einstein dalam teori relativitasnya, dan apa kontribusi besarnya dalam dunia ilmu pengetahuan.

Selain mereka yang benar-benar terjun ke dunia fisika teori dan astronomi, rata-rata orang tidak akan pernah mempelajari teori relativitas Einstein, baik teori relativitas khusus apalagi teori relativitas umum. Tentu saja saya termasuk di sini. Karenanya membaca buku ini sangat menantang, karena ia merupakan buah pikiran langsung mbah Einstein (by proxy, lewat terjemahan bahasa Inggris resmi oleh Robert W. Lawson).

Menurut saya sangat penting mendapatkan informasi dari ‘sumber pertama’, karena jika disampaikan oleh orang lain, bisa jadi ada penambahan atau pengurangan akibat ‘filter’ tafsir dan bias. Karena ditulis oleh Einstein langsung, dari buku ini pembaca bisa tahu bagaimana alur berpikir Einstein sampai menemukan teori-teorinya ini.

Relativity: The Special and the General Theory

Albert Einstein
1916
diterjemahkan dari bahasa Jerman oleh Robert W. Lawson
(edisi yang saya baca terbitan The Folio Society, London 2004)
192 hal

Albert Einstein merumuskan teori relativitas khusus pada tahun 1905 (di usia 26 tahun!) dan teori relativitas umum sepuluh tahun kemudian, sebelum menerbitkannya tahun 1916. Perjalanannya menemukan teori-teori ini diceritakannya di dalam buku ini, yang juga terbit tahun 1916. Kita patut bersyukur Einstein mau menyempatkan diri menulis buku ‘versi populer’ yang menjelaskan teori-teori rumitnya yang mengubah secara radikal pandangan manusia tentang bagaimana alam semesta bekerja.

FYI, meskipun disebut ‘buku untuk orang awam’, perlu dipahami bahwa buku ini diterjemahkan dari bahasa Jerman, juga dalam gaya bahasa >100 tahun yang lalu. Karenanya untuk standar bahasa Inggris sekarang, buku ini bahasanya sangat akademik, mungkin seperti bahasa paper ilmiah di jurnal sains, haha! Ini masalah saya juga waktu baca buku “What Is Life”-nya Schrödinger.
Jadi untuk membantu memahami buku ini (selain bacanya pelan-pelan dan diulang-ulang!), saya dibantu buku seri Theoretical Minimum dari Leonard Susskind yang membahas special relativity (soalnya buku yang ini pakai bahasa percakapan, meskipun tetap teknikal), plus apa yang sudah saya baca tentang general relativity di buku Stephen Hawking.

Buku ini terbagi menjadi 3 bagian (+ Apendiks, termasuk yang ditambahkan Einstein tahun 1952):
The Special Theory of Relativity
The General Theory of Relativity
Considerations on the Universe as a Whole

Einstein menjelaskan proses berpikirnya dengan teratur, melalui langkah-langkah yang jelas agar pembaca yang awam bisa mengikuti.

Ia memulai dengan menjelaskan tentang geometri Euclid (geometri yang menjelaskan bidang datar) dan sistem koordinat Cartesian yang selama ini digunakan dalam fisika klasik Newton. Dalam fisika klasik, ruang dan waktu adalah dimensi terpisah dan independen, di mana waktu bersifat absolut.

Einstein lalu melakukan sebuah ekperimen pikiran tentang gerak kereta, orang yang berjalan di dalamnya, dan platform statis sepanjang jalur kereta, dan mengaitkannya dengan kecepatan cahaya (yang selalu konstan). Melalui eksperimen ini Einstein menemukan bahwa suatu kejadian yang sama akan tertangkap dalam waktu yang berbeda oleh pengamat yang berada dalam kerangka acuan yang berbeda. Waktu, ternyata relatif, tidak absolut. Bagi suatu objek yang bergerak, waktu berjalan lebih lambat dibanding objek yang diam. Kalau bergeraknya lambat sih perbedaan waktunya tidak kentara, karena itu dalam teori relativitas Galileo di fisika klasik, waktu dianggap absolut. Namun ketika geraknya sangat cepat bahkan mendekati kecepatan cahaya, perbedaan waktu ini menjadi besar. Karena itu astronot yang jalan-jalan dalam roket di luar angkasa, ketika kembali ke bumi akan berusia lebih muda dibanding kembarannya. Untuk menghitung perbedaan sistem kerangka acuan ini digunakan tranformasi Lorentz.

Selain itu, insight lain yang didapat Einstein ketika memikirkan ‘objek-objek yang bergerak mendekati kecepatan cahaya’ seperti elektron dan ion, adalah bahwa ternyata ini sangat berkaitan dengan konsep massa (m) objek. Energi kinetik objek tersebut tidak lagi bisa diekspresikan oleh rumus E=1/2 mv^2 seperti dalam fisika klasik. Melalui transformasi Lorentz, didapatkanlah ekspresi E=mc^2. Artinya, materi menyimpan energi yang sangat besar. Bisa dilihat (negatifnya) dari kekuatan bom atom, di mana sedikit saja materi bisa punya daya hancur yang begitu besar.

Selanjutnya, dalam merumuskan Teori Relativitas Umum, Einstein memulai dengan berpikir bahwa prinsip relativitas mestilah bekerja pada semua kerangka acuan, tidak ada satu kerangka dasar yang diutamakan. Dengan membayangkan bahwa ketika suatu kereta direm mendadak, pengamat di dalamnya akan mengalami gaya sehingga terdorong ke depan, maka disimpulkan bahwa teori relativitas Galileo tidak bisa diterapkan pada suatu sistem yang mengalami percepatan (bukan kecepatan konstan).

Kemudian ia berpikir tentang medan gravitasi dan kenapa kok semua materi dalam vakum mengalami gaya gravitasi (Bumi) yang sama berdasarkan teori Galileo, dengan kata lain, massa inersia sama dengan massa gravitasi. Melalui sebuah eksperimen pemikiran (alias imajinasi!) tentang pengamat di dalam box yang mengalami percepatan di ruang angkasa vakum, Einstein menyimpulkan bahwa medan gravitasi bukanlah suatu gaya inersia yang dihasilkan oleh suatu benda terhadap sekitarnya, melainkan efek dari percepatan suatu benda yang berputar dengan percepatan konstan. Dari sini disimpulkan bahwa seharusnya, cahaya di ruang angkasa tidak terpengaruh gravitasi, karena tidak ada.

Di suatu ruangwaktu tanpa gravitasi, cahaya seharusnya berjalan dalam garis lurus, seperti dalam geometri Euclid. Tetapi ternyata dari pengamatan, ditemukan bahwa cahaya melengkung ketika melalui benda-benda langit yang masif seperti matahari, padahal di luar matahari sendiri seharusnya tidak ada gravitasi itu. Dari sini disimpulkan bahwa geometri ruangwaktu bukanlah geometri Euclid yang datar, melainkan melengkung-lengkung (geometri Riemann) mengikuti distribusi materi dan energi di dalamnya.

Melalui teori relativitas umum Einstein ini, untuk pertama kalinya umat manusia bisa membayangkan secara presisi bagaimana bentuk alam semesta, dan mengusut asal-usulnya (dipelopori oleh Roger Penrose dan Stephen Hawking, sebagaimana diceritakan di buku A Brief History of Time).

Dari sini bisa terlihat bagaimana teori-teori Einstein mengubah paradigma sains di awal abad 20 secara revolusioner dan besar-besaran. Teori-teorinya ini pun sudah dikonfirmasi melalui temuan-temuan para ilmuwan.

Bagi saya pribadi, pelajaran yang saya tangkap dari buku ini adalah bahwa realitas alam semesta itu lebih dalam dari yang tertangkap di permukaan. Hal-hal yang “taken for granted” atau sudah dianggap ‘memang begitu dari sananya’, jika dipikirkan lebih dalam, ternyata aslinya tidak seperti itu. Kita bisa saja yakin 100% tentang suatu hal karena “melihat dengan kepala sendiri” tanpa menyadari bahwa dalam proses ‘melihat’ itu ada filter-filter fisik dan psikis yang membuatnya hanya menjadi satu perspektif di antara tak terhingga perspektif lainnya.

Artinya, kita tidak bisa hanya mengandalkan panca indera dan/atau perasaan, dalam memahami alam semesta.

Dari buku ini juga terlihat bagaimana kekuatan imajinasi pikiran dapat menuntun manusia menemukan hukum-hukum alam. Mengutip Einstein sendiri, “Imagination is more important than knowledge. Knowledge is limited. Imagination encircles the world.”

===

Tambahan:
FYI, ada buku sains populer yang membahas teori relativitas khusus. Judulnya E=mc2: A Biography of the World’s Most Famous Equation
dari David Bodanis. Buku ini juga sudah dibuat film dokumenternya berjudul Einstein’s Big Idea (2005). Dulu saya tonton di channel PBS di sini. Silakan dicari.

Terkait: buku A Brief History of Time dari Stephen Hawking
https://www.facebook.com/bookolatte/posts/pfbid0PCNo2enBU9eY5A5FdtJHCPTf2xwKUDVEFodQR5XLMFJq3s86dSNjdjvznGYaqNyEl