100 Tahun Pengamatan Eddington: Bukti Awal Relativitas Umum

Potret Gerhana Matahari Total 1919 oleh Eddington, merupakan bukti penting dari teori relativitas umum Einstein. Bukti yang menjadikan Einstein selebriti dan ikon sains sampai saat ini.

Gerhana Matahari Total (GMT) di masa kini mungkin hanya menjadi fenomena menakjubkan untuk dilihat. Akan tetapi, 100 tahun lalu, fenomena ini menjadi tonggak sejarah penting untuk menguji teori relativitas umum yang dipublikasikan Einstein pada tahun 1915. Teori yang menggambarkan hubungan materi dan ruang waktu.

Singkatnya, jika teori relativitas umum benar, maka bintang yang berada di tepi piringan Matahari akan tampak bergeser dari lokasi sebenarnya.  Menurut teori relativitas umum yang dikemukakan Einstein, pergeseran tersebut disebabkan oleh pembelokan cahaya. Ternyata, dugaan Einstein itu benar,

Revolusi sains pun terjadi.

Teori relativitas umum membawa perubahan besar dalam sejarah ilmu pengetahuan dalam  memahami alam semesta. Tapi, teori ini tidak lahir begitu saja. Pencapaian sains tidak datang tiba-tiba, melainkan hasil dari perjalanan panjang yang sudah dibangun oleh para pendahulu.

Ketika teori relativitas umum dikemukakan Einstein, saat itu sudah ada teori gravitasi Newton yang mampu menjelaskan fenomena alam semesta selama lebih dari dua abad. Kehadiran relativitas umum tak pelak dianggap sebagai saingan baru yang ingin merobohkan dasar yang dibangun Newton. Apalagi, teori Newton bisa menjelaskan hampir semua pertanyaan yang ada.

Tapi apakah memang demikian?

Teori Gravitasi Newton

Perjalanan kita memahami alam semesta dimulai ribuan tahun lalu ketika para pengamat mempelajari pergerakan benda-benda langit. Akan tetapi, era sains modern baru dimulai ketika Newton meletakkan dasar penting dalam memahami pergerakan benda-benda di Bumi maupun pergerakan planet saat mengelilingi Matahari.

Berdasarkan teori gravitasi Newton, setiap benda bermassa memiliki gravitasi yang selalu menarik objek bermassa lainnya. Semakin besar massa sebuah benda maka gravitasinya makin besar. Semakin jauh, maka gravitasinya semakin lemah.  Dengan demikian, gerak planet mengelilingi Matahari merupakan hasil interaksi gravitasi antara benda-benda tersebut. Penjelasan yang sama bisa digunakan untuk menjelaskan benda yang jatuh ke Bumi.

Menurut Newton, alam semesta itu statis dan seragam. Tapi, kondisi statis hanya bisa tercapai jika alam semesta kosong. Jika alam semesta diisi objek bermassa, maka alam semesta tidak statis. Supaya alam semesta bisa statis, maka alam semesta harus tidak berhingga.

Problema lain, teori Newton masih belum bisa menjelaskan awal mula alam semesta dan hubungan sebab akibat. Dari hukum Newton, kita tahu bahwa aksi reaksi terjadi serentak sehingga sulit diketahui hubungan sebab akibat dari suatu kejadian.

Contohnya, jika Matahari meledak, maka berdasarkan teori gravitasi Newton, pengaruh gravitasi pada planet akan lenyap seketika dan planet pun berpencar. Pertanyaannya, apakah planet berpencar karena Matahari menghilang, ataukah justru Matahari menghilang karena planet berpencar.  Teori Newton memperlihatkan pada kita kalau ruang itu relatif tapi tidak demikian dengan waktu.

Meskipun teori Newton belum bisa memberi jawaban dari semua pertanyaan, teori ini dirasa cukup untuk menjelaskan pergerakan benda-benda langit selama dua abad kemudian.

Relativitas Umum

Tahun 1915 menjadi babak baru pemahaman tentang alam semesta, ketika Teori Relativitas Umum dipublikasikan oleh Einstein.

Berdasarkan teori relativitas umum, gravitasi merupakan bagian dari ruang-waktu. Di dalam ruang-waktu, keberadaan massa akan melengkungkan ruang-waktu, dan objek-objek di sekitar massa tersebut akan bergerak mengikuti kelengkungan ruang-waktu tersebut.

Teori relativitas umum menjawab pertanyaan yang belum bisa dijawab Newton. Dengan relativitas umum, kita bisa memahami gerak galaksi di alam semesta, evolusi alam semesta, lubang hitam, ataupun gelombang gravitasi.

Semua ini bisa kita pahami sekarang seiring dengan perkembangan teknologi. Tidak demikian ketika teori ini pertama kali dipublikasikan. Bahkan sampai saat Einstein meninggal pada tahun 1955, semua prediksi relativitas umum masih jauh dari pembuktian. Relativitas umum dianggap hanya punya kesempatan yang sangat kecil untuk bisa dibuktikan.

Teori Relativitas Umum yang dipublikasikan pada tahun 1915, didahului oleh publikasi Einstein untuk teori relativitas khusus pada tahun 1905. Dari relativitas khusus, kita mengetahui bahwa Hukum Fisika berlaku sama dimanapun dan kecepatan cahaya juga tetap. Dengan kata lain, ruang dan waktu relatif dan mengakibatkan terjadinya dilasi waktu, kontraksi panjang (benda bergerak tampak lebih pendek), serta hubungan massa energi.

Pada tahun 1907, Johannes Stark meminta Einstein untuk membuat ringkasan terkait relativitas khusus. Permintaan ini menjadi awal bagi Einstein untuk memikirkan kelanjutan dari relativitas khusus dan hubungannya dengan teori gravitasi Newton. Hasilnya, Einstein menemukan bahwa cahaya yang melewati objek bermassa besar akan mengalami pembelokan.

Untuk membuktikan teorinya, ada 3 pengujian yang diajukan Einstein yakni: menghitung presesi Merkurius berdasarkan relativitas umum, pengamatan pembelokan cahaya, dan pergeseran merah.

Perhitungan presesi Merkurius yang pertama kali pada tahun 1913 memperoleh hasil 18 detik busur per abad. Setengah dari hasil pengamatan. Ketika Einstein berhasil menyelesaikan teori relativitas umum pada tahun 1915, perhitungan presesi Merkurius menghasilkan 43 detik busur per abad, hampir sama dengan hasil pengamatan, 45 detik busur per abad.

Meskipun teori relativitas umum diselesaikan Einstein pada tahun 1915, Einstein menyadari bahwa teori yang ia kerjakan lebih dari sekadar persamaan. Masih perlu pemahaman, penyempurnaan, dan penerapan yang bisa memberi gambaran utuh alam semesta yang dibayangkan Einstein.

Rupanya, meskipun Einstein berhasil menemukan presesi Merkurius, nilai yang diperoleh masih berupa perkiraan. Karl Schwarzschild menjadi orang pertama yang berhasil membuat solusi pertama dari persamaan relativitas umum Einstein.

Uji coba lainnya yang harus dilakukan adalah pembelokan cahaya ketika melewati Matahari. Dan kejadian tersebut hanya bisa diamati saat GMT.

Relativitas Umum dan Perang Dunia 1

Ketika Einstein mengerjakan teori Relativitas Umum, perang dunia 1 (PD1) pecah dan menimbulkan masalah komunikasi, keterbatasan makanan, dan kewajiban untuk ikut berperang. Problema lain yang muncul adalah keberpihakan para ilmuwan pada negara dan keterlibatan dalam perang.

Keterbatasan komunikasi menyebabkan diskusi Einstein dengan para kolega fisikawan dan matematikawan menjadi terkendala. Perjalanan Einstein ke Swiss dan Belanda juga memperoleh perhatian militer Jerman karena dicurigai mata-mata. Tidak aneh karena Einstein adalah seorang Yahudi dengan paspor Swiss yang tinggal dan bekerja di Jerman, dan menentang perang.

Kondisi ini memengaruhi Einstein karena selama mengerjakan teori relativitas umum, Einstein rajin berkomunikasi dan berdiskusi tentang teorinya itu dengan rekan-rekan fisikawan maupun matematikawan yang ada di Jerman, Swiss, dan Belanda. Solusi pertama untuk relativitas umum Einstein, justru dibuat oleh Karl Schwarzschild dari parit pertahanan saat berada di medan perang sebelum akhirnya meninggal karena autoimun.

PD1 antara aliansi Jerman, Hungaria-Austria, dan Italia, berhadapan dengan aliansi Britania, Prancis, dan Rusia. Akibatnya para ilmuwan ikut terpecah dan memihak. Selain itu, larangan komunikasi juga diberlakukan bagi para ilmuwan dari negara-negara yang sedang berperang.

Efek dari embargo komunikasi, para ilmuwan di Inggris tidak mengetahui publikasi relativitas umum di Jerman. Karena itu, Willem de Sitter, Direktur Observatorium Leiden, mengirim surat tentang relativitas umum ke Inggris.

Yang membuka surat tersebut adalah Arthur Eddington, sekretaris Royal Astronomical Society. Inilah awal perkenalan Eddington dengan relativitas umum yang kemudian ia populerkan di Inggris. Teori dari negara musuh dipopulerkan di Inggris. Penolakan sempat dialami oleh Eddington karena para ilmuwan Inggris beranggapan bahwa teori gravitasi Newton sudah cukup. Apalagi Newton berasal dari Inggris dan Einstein dari Jerman.

Terkait perang, Eddington memiliki sikap yang sama dengan Einstein. Sebagai seorang Quaker, Eddington menolak untuk berperang. Akan tetapi, alasan resmi yang diberikan oleh institusinya adalah pentingnya perang Eddington dalam penelitian untuk Inggris.

Eddington beranggapan bahwa ilmuwan seharusnya tidak berpihak dan tidak ikut berperang. Sesuatu yang sulit di masa itu, karena negara membutuhkan lebih banyak orang untuk berperang. Hal ini bisa dilihat dari batasan umur untuk perang yang terus meningkat.  Akibat penolakan terus menerus, Eddington sempat disidang karena tidak bersedia ikut berperang. Ia bisa lepas karena campur tangan Frank Dyson, yang juga membantu Eddington untuk mendapatkan dana ekspedisi pengamatan Gerhana Matahari Total 1919.

Pengamatan GMT 1914

Keinginan Einstein untuk membuktikan pembelokan cahaya dari bintang yang berada di tepi piringan Matahari hanya bisa dilakukan saat gerhana matahari total. Pada tahun 1911, hasil perhitungan Einstein menyatakan bahwa akibat pembelokan cahaya akan menyebabkan bintang tampak bergeser 0.83 detik busur dari posisi sebenarnya.

Yang diharapkan Einstein untuk melakukan pengamatan adalah Erwin Finlay Freundlich, astronom Jerman yang saat itu bekerja di Observatorium di Berlin.

Pengamatan GMT jelas tidak mudah. Butuh dana dan peralatan memadai untuk melakukan perjalanan. Karena itu, Freundlich melakukan analisis citra gerhana yang pernah dipotret sebelumnya untuk mencari pembelokan cahaya. Tidak ditemukan pembelokan pada cahaya bintang.

Kesempatan itu datang pada tahun 1914. Dengan bantuan Planck, Einstein berhasil mengumpulkan dana untuk perjalanan pengamatan Gerhana Matahari Total 21 Agustus 1914. Pengamatan di Krimea, Rusia, akan dilakukan oleh Freundlich dengan menggunakan 4 kamera fotografi. Tanggal 19 Juli 1914, Freundlich munuju Krimea dengan kereta dari Berlin.

Tanggal 28 Juli 1914, pecah Perang Dunia 1. Akibatnya, Freundlich ditahan, instrumen disita, dan ia dibawa ke Odessa untuk diintrogasi karena dicurigai sebagai mata-mata musuh.  Pada akhirnya Freundlich dilepaskan dalam pertukaran tahanan perang.

Kegagalan tersebut sesungguhnya menguntungkan karena ternyata perhitungan Einstein tersebut tidak tepat. Perhitungan kembali pergeseran posisi bintang akibat pembelokan cahaya memberi hasil 1,7 detik busur.  Jika pengamatan Freundlich berhasil, maka teori relativitas tidak akan terbukti, karena perhitungan Einstein sudah salah.

Pengamatan GMT 1919

Untuk bisa membuktikan bahwa teori Einstein benar atau salah, Eddington yang dibantu oleh  Dyson merancang dua ekspedisi pengamatan Gerhana Matahari Total 29 Mei 1919. Lokasi pengamatan adalah Sobral, Brazil dan pulau Principe di pantai barat Afrika.  Bagi Eddington, perjalanan ini bukan hanya membuktikan teori relativitas melainkan untuk membuktikan bahwa ilmuwan seharusnya bisa bekerja sama tanpa dibatasi oleh kondisi politik (PD1).

Pengamatan di Sobral dilakukan oleh Andrew Crommelin, asisten di Royal Observatory, dan Fr. Aloysius Cortie, seorang astronom Jesuit dari Stonyhurst College Observatory di Lancashire. Akan tetapi, Fr. Aloysius Cortie tidak bisa melakukan perjalanan dan digantikan oleh Charles Davidson. Untuk pengamatan di Principe akan dipimpin oleh Eddington dan ditemani oleh Edwin T. Cottingham, seorang pembuat jam. Perjalanan dimulai tanggal 8 Maret 1919 dengan kapal RMS Anselm.

Saat GMT 29 Mei 1919, gerhana terjadi di depan gugus bintang Hyades dan cahaya dari bintang-bintang ini bisa digunakan untuk membuktikan pembelokan cahaya.

Meski sempat berawan, pengamatan GMT di Sobral berhasil baik. Di sisi lain, pengamatan Eddington di Principe terkendala cuaca yang berawan. Foto yang diambil diproses di lokasi pengamatan, akan tetapi analisis citra dilakukan di Inggris secara terpisah. Analisis citra dari Principe dilakukan di Cambridge oleh Eddington, sedangkan analisis citra dari Sobral diawasi Dyson di Greenwich.

Hasilnya, citra yang dipotret Eddington memperlihatkan pergeseran posisi bintang 1,61 detik busur. Citra dari Sobral dihasilkan oleh teleskop astrofotografi dan teleskop 4 inci (10 cm). Citra dari teleskop astrofotografi menghasilkan pergeseran 0,93 detik busur, dan citra dari teleskop 4 inci menghasilkan pergeseran 1,98 detik busur.  Masalah pada citra dari teleskop astrofotografi di Sobral adalah kualitas citra yang rendah. Diduga ada distorsi pada cermin yang jika dikoreksi akan menghasilkan pergeseran 1,52 detik busur. Akan tetapi hasil ini dibiarkan apa adanya dan dipaparkan di hadapan para astronom di Inggris.

Kesimpulannya, pembelokan cahaya memang terjadi dan teori relativitas terbukti!

Dunia pun heboh dengan keberhasilan para astronom Inggris dalam membuktikan teori ilmuwan Jerman. Kerjasama internasional tanpa harus dibatasi patriotisme dan pergolakan politik yang masih terasa efeknya meski PD1 telah usai sejak 11 November 1918.

Warisan Einstein & Eddington

Pengamatan Gerhana Matahari Total oleh Eddington bukan sekedar membuktikan bahwa teori relativitas umum tidak salah. Pengamatan itu menjadi sejarah penting bagi perjalanan teori relativitas umum yang membawa kita untuk memahami alam semesta dengan lebih baik. Dalam sains, sebuah teori harus bisa difalsifikasi atau diuji terus menerus untuk dicari kesalahannya. Jika teori tersebut tidak ditemukan kesalahannya maka teori tersebut bisa dinyatakan ilmiah karena sudah teruji. Ketika Eddington melakukan pengujian, yang ia lakukan memang ingin mencari bukti bahwa teori Einstein benar.

Dan hasilnya relativitas umum terbukti bisa diuji lewat pengamatan. Akan tetapi, pengujian secara berulang atau terus menerus masih harus dilakukan. Dan itulah yang dilakukan dengan relativitas umum. Pengujian kembali dilakukan saat gerhana matahari total tahun 1922 oleh Observatorium Lick, dan hasilnya mengonfirmasi digaan Einstein. Pengujian lainnya dilakukan oleh Erwin Freundlich di Sumatera pada tahun 1926 dan 1929 berhasil memperlihatkan pembelokan cahaya dari bintang di dekat piringan Matahari. Pengamatan tahun 1926 dilakukan dari Bengkulu dan 1929 dari Takingeun, Aceh.

Perdebatan kemudian muncul terkait hasil pengamatan Eddington yang memberikan nilai pergeseran setengah dari yang diduga Einstein. Untuk itu, pada tahun 1979, data pengamatan tahun 1919 dikeluarkan dari arsip Royal Astronomical Society untuk dianalisis ulang.  Hasil meragukan dari teleskop astrofotografik di Sobral kembali dianalisis dengan teknologi yang lebih baik dan menghasilkan pergeseran 1,55 detik busur, tidak berbeda jauh dari hasil koreksi yang dilakukan Dyson.  Sedangkan untuk teleskop 4 inci, hasil perhitungan terbaru memperlihatkan pergeseran 1,9 detik busur. Jika hasil terbaru ini digabungkan, maka dihasilkan pergeseran 1,87 detik busur, tidak jauh dari prediksi Einstein yakni 1,75 detik busur.

Dengan teknologi yang semakin maju, berbagai prediksi relativitas umum kembali terbukti. Lubang hitam ditemukan, evolusi alam semesta dimana alam semesta ditemukan memuai juga berhasil dikonfirmasi. Tak hanya itu, sampai 100 tahun sesudah pengamatan Eddington, bukti yang menyatakan bahwa teori relativitas umum tidak salah datang dari ditemukannya gelombang gravitasi pada tahun 2015 dan foto pertama bayangan lubang hitam pada tahun 2019. Foto lubang hitam di pusat galaksi M87 memperlihatkan bagaimana cahaya mengalami pembelokkan di sekitar objek yang massanya sangat besar!

Lagi-lagi, Einstein benar.