Apa itu gravitasi?

Apa itu gravitasi? dan hubungannya dengan kecepatan cahaya dan god particle apa?
(novakristian – SMP Dharma Putra, Tangerang)

Gravitasi adalah satu dari empat gaya fundamental di alam semesta ini. Apa yang kita namakan sebagai gaya fundamental adalah interaksi antara materi yang tidak dapat lagi kita turunkan menjadi sesuatu yang lebih mendasar lagi. Gaya gesek, misalnya, bukanlah gaya fundamental karena gaya ini muncul akibat interaksi antar atom dan molekul pada kedua permukaan yang saling bergesekan.

Gaya gravitasi dibangkitkan dari massa suatu objek, dan selalu menarik objek lain yang juga memiliki massa. Besarnya gaya ini berbanding lurus dengan massa kedua objek, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua benda. Secara singkat, pernyataan ini dinyatakan secara matematis dengan persamaan:

Di sini m₁ dan m₂ adalah massa kedua benda dan r adalah jarak kedua benda. G adalah bilangan yang kita namakan Konstanta Gravitasi, dan nilainya selalu sama dimanapun di alam semesta. Nilainya angka ini kecil sekali yaitu G = 6.67 × 10^-11 m³ kg^-1 s^-2.

Apabila kita melihat persamaan ini, artinya setiap benda yang memiliki massa pada prinsipnya punya gaya gravitasi. Anda, pembaca, punya gaya gravitasi. Komputer Anda punya gaya gravitasi, ibu Anda pun punya gaya gravitasi. Hanya saja, gaya gravitasi yang ditimbulkan oleh objek-objek sehari-hari ini sangat lemah. Cobalah menghitung berapa gaya gravitasi tubuh Anda yang dirasakan suatu objek seberat 1 kilogram yang berjarak 1 meter dari tubuh Anda.¹⁾

Gaya gravitasi yang dihasilkan Bumi jauh lebih besar, dan itulah sebabnya mengapa gerak benda-benda lebih dipengaruhi oleh gaya gravitasi Bumi daripada oleh tubuh kita. Benda-benda yang kita lemparkan, selalu jatuh kembali ke tanah. Sekuat-kuatnya kita melompat, selalu jatuh kembali ke tanah. Bahkan, untuk dapat mengalahkan gaya gravitasi Bumi dan meninggalkan planet ini, kita membutuhkan teknologi roket.

Gravitasi bersifat universal, artinya berlaku di manapun di alam semesta ini. Mengapa objek jatuh ke tanah, mengapa ada gerak peluru, mengapa Bulan bergerak mengorbit Bumi, dan mengapa planet-planet bergerak mengitari Matahari dalam lintasan elips.

Gravitasi dalam relativitas umum

Konsep gravitasi klasik menggambarkan bahwa gaya gravitasi adalah sifat yang muncul dari setiap objek bermassa. Berdasarkan teori relativitas umum, gravitasi justru menjadi bagian dari ruang-waktu. Ruang-waktu (spacetime) di sini maksudnya adalah kesatuan ruang berdimensi tiga, dengan waktu. Di dalam ruang-waktu ini, keberadaan massa akan melengkungkan ruang-waktu, dan objek-objek di sekitar massa tersebut akan bergerak mengikuti kelengkungan ruang-waktu tersebut.

Sebuah analogi yang baik diberikan dalam ilustrasi di bawah ini: Bayangkan sebuah bola bowling diletakkan di atas permukaan lentur (misalnya matras karet atau trampolin). Permukaan lentur ini dapat diandaikan sebagai ruang dua-dimensi. Dalam ruang dua-dimensi ini kita hanya dapat bergerak sepanjang dua sumbu saja pada permukaan karet, namun tidak dapat bergerak sepanjang sumbu ketiga yang mengarah keluar dari permukaan karet. Ini penyederhanaan dari ruang tiga-dimensi untuk memudahkan kita memvisualkan ruang empat dimensi.

Bola bowling, yang memiliki massa, akan melengkungkan permukaan karet, yang dimisalkan sebagai ruang-waktu. Apabila kita meletakkan kelereng di dekat bola bowling dan memberinya kecepatan awal, maka kelereng akan dapat bergerak mengitari bola bowling. Yang dilakukan kelereng ini pada dasarnya adalah bergerak dalam lintasan garis lurus, hanya saja pada permukaan melengkung.

Dengan kata lain, dalam teori relativitas umum, gravitasi bukan lagi sebuah gaya namun merupakan konsekuensi dari kelengkungan ruang-waktu. Ia berubah menjadi teori geometri. Beberapa prediksi relativitas umum selama ini selalu terbukti. Pada waktu teori ini pertama kali disusun, fisikawan Albert Einstein meramalkan bahwa seberkas cahaya yang melintas di dekat Matahari akan terbelokkan. Akibatnya posisi bintang-bintang di sekitar posisi Matahari akan bergeser karena cahanya terbiaskan oleh Matahari. Kita dapat membuktikan ini dengan mengamati bintang-bintang di sekitar Matahari, pada saat terjadi gerhana matahari total. Saat gerhana matahari terjadi, siang hari akan menjadi gelap selama beberapa saat dan bintang-bintang di sekitar matahari akan teramati dan posisinya dapat diukur. Pada tahun 1919, saat terjadi gerhana matahari di Pulau Principe di Afrika Tengah, sekelompok astronom Inggris mengukur posisi bintang-bintang di sekitar Matahari dan menemukan bahwa posisi mereka bergeser sedikit, sesuai ramalan Einstein.

Di jaman modern ini, setiap kali kita menentukan posisi kita dengan menggunakan GPS atau Google Maps, kita menggunakan teori relativitas umum untuk menentukan posisi kita dengan akurat. GPS bekerja dengan cara menerima sinyal dari paling sedikit tiga satelit yang mengorbit Bumi. Karena kita mengetahui posisi satelit dan selang waktu antara sinyal dikirimkan dan diterima, maka kita dapat menarik tiga garis khayal dari ketiga satelit tersebut menuju titik manapun di permukaan Bumi untuk menemukan di mana ketiga garis tersebut bertemu. Proses ini namanya triangulasi, dan kita harus tahu dengan akurat, kapan sinyal dikirimkan dan diterima. Karena satelit berada beberapa kilometer di atas kita, akibat kelengkungan ruang-waktu maka waktu yang diukur satelit akan lebih cepat dari yang kita ukur di permukaan Bumi. Perbedaan ini hanya 38 mikrodetik (38/1000 detik) saja per hari, namun GPS harus mampu mengukur perbedaan waktu dalam skala nanodetik (satu per semilyar detik). Dengan menambahkan koreksi perbedaan waktu ini, maka GPS dapat menentukan posisi kita dengan akurat hingga beberapa meter saja.

Gravitasi dan kecepatan cahaya. Di masa lalu, Isaac Newton menduga bahwa gaya gravitasi berlaku seketika. Artinya perubahan dalam medan gravitasi merambat dengan kecepatan tak berhingga, tanpa dibatasi oleh kecepatan cahaya. Setelah Einstein merumuskan prinsip relativitas, di mana tidak ada objek yang boleh bergerak melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa, maka seharusnya gravitasi juga merambat dengan kecepatan cahaya. Dalam model standar fisika partikel, gaya fundamental dimediasi oleh partikel yang dinamakan boson, dan interaksi gravitasi dimediasi oleh graviton. Graviton ini bergerak dengan kecepatan cahaya.

Artinya, apabila massa Matahari tiba-tiba berkurang, maka efeknya baru akan dirasakan Bumi setelah sekitar 8.5 menit (cahaya Matahari membutuhkan waktu 8.5 menit untuk mencapai Bumi).

Gravitasi dan boson Higgs

Mohon jangan lagi menyebut boson Higgs sebagai “partikel tuhan”. Sudah cukup kita memperpanjang kesalahpahaman mengenai pemanggilan partikel ini.

Mengenai hubungan gravitasi dan boson Higgs, yaitu partikel yang menjadi mediator interaksi materi dengan medan Higgs, sekilas boson Higgs punya hubungan penting interaksi gravitasi. Apakah ini benar?

Tidak.

Satu hal yang harus dipahami adalah: Interaksi medan Higgs dengan zarah-zarah fundamental lain tidak memberikan massa untuk semua zarah. Zarah yang berinteraksi kuat dengan medan Higgs hanya boson W dan Z, dan dari hasil interaksi inilah mereka memperoleh massa. Partikel lain, misalnya proton dan neutron, memperoleh massa dari energi ikat gluon yang mengikat ketiga quark. Massa boson Higgs itu sendiri tidak dihasilkan dari medan Higgs! Dengan kata lain, medan Higgs tidak memberikan massa untuk semua zarah, dan massa zarah-zarah terpenting dalam interaksi gravitasi pun tidak dihasilkan melalui medan Higgs.

Keberadaan medan Higgs tidak menjelaskan asal usul gaya gravitasi. Hal ini barangkali baru akan kita ketahui apabila kita berhasilkan menyatukan teori gravitasi dengan teori kuantum.

CATATAN KAKI:
1) Apabila berat badan Anda misalnya 60 kg, maka gaya gravitasi yang dirasakan sebuah benda seberat 1 kg yang jaraknya 1 meter dari tubuh Anda hanya 4 × 10^-9 kg m s^-2. Ini kecil sekali. Gaya gravitasi yang dihasilkan Bumi jauh lebih besar yaitu sekitar 9.8 kg m s^-2

Punya pertanyaan tentang astronomi? Silahkan Tanya LS!