ETHER AND THE THEORY OF RELATIVITY

ETER DAN TEORI RELATIVITAS

Pidato Albert Einstein di Universitas Leiden, 5 Mei 1920

Mengapa Konsep Eter Muncul?

Para fisikawan menempatkan gagasan tentang "eter" (zat halus yang mengisi ruang) di samping konsep materi biasa karena dua hal: fenomena aksi jarak jauh dan sifat cahaya yang menyerupai gelombang.

Di luar fisika, kita tidak mengenal aksi jarak jauh. Dalam pengalaman sehari-hari, sepertinya hanya ada interaksi lewat kontak langsung—seperti mendorong, menarik, atau membakar. Meskipun gravitasi (yang sebenarnya aksi jarak jauh) kita alami setiap hari, kita tidak menyadarinya sebagai aksi jarak jauh karena gravitasi terasa konstan dan tidak dipikirkan penyebabnya.

Newtonlah yang pertama menafsirkan gravitasi sebagai aksi jarak jauh yang berasal dari massa. Teorinya merupakan langkah terbesar dalam memahami hubungan sebab-akibat alam. Namun, teori ini membuat tidak nyaman para ilmuwan sezamannya karena bertentangan dengan prinsip bahwa interaksi hanya bisa terjadi melalui kontak.

Bayangkan: Anda ingin menggerakkan meja. Anda harus menyentuhnya, bukan? Nah, gravitasi tampaknya "menyentuh" benda dari jarak jauh tanpa perantara. Inilah yang membingungkan para ilmuwan dulu.

Ada dua jalan untuk menyatukan pemahaman: (1) menganggap gaya kontak sebagai gaya jarak jauh yang hanya terlihat pada jarak sangat kecil, atau (2) menganggap aksi jarak jauh Newton sebenarnya diteruskan oleh medium yang meresapi ruang. Jalan kedua inilah yang melahirkan hipotesis eter.

Dukungan dari Teori Cahaya

Pada paruh pertama abad ke-19, ditemukan kemiripan besar antara cahaya dan gelombang elastis pada benda padat. Cahaya harus ditafsirkan sebagai getaran dalam medium elastis yang mengisi seluruh ruang. Karena cahaya bisa terpolarisasi, medium ini (eter) harus bersifat padat—gelombang transversal tidak bisa terjadi dalam fluida.

Ini melahirkan teori "eter cahaya yang hampir kaku," yang bagian-bagiannya tidak bisa bergerak relatif satu sama lain kecuali getaran kecil untuk cahaya. Teori ini didukung eksperimen Fizeau, yang menunjukkan bahwa eter tidak ikut bergerak bersama benda.

Perkembangan Teori Listrik

Maxwell dan Lorentz mengubah pemikiran tentang eter secara tak terduga. Maxwell sendiri masih menganggap eter memiliki sifat mekanis, meskipun rumit. Namun, baik Maxwell maupun pengikutnya gagal membuat model mekanis yang memuaskan untuk hukum medan elektromagnetik.

Hertz kemudian menerima gaya listrik dan magnet sebagai konsep dasar tanpa perlu penjelasan mekanis. Ini meninggalkan dualisme yang tidak tertahankan antara mekanika dan elektromagnetisme. Dalam teori Hertz, materi menjadi pembawa medan elektromagnetik, begitu juga eter—sehingga eter dan materi hampir tidak bisa dibedakan.

Namun teori Hertz bertentangan dengan hasil eksperimen Fizeau tentang kecepatan cahaya dalam fluida yang bergerak.

Terobosan Lorentz

H. A. Lorentz menyederhanakan teori dengan cemerlang: ia mengambil sifat mekanis dari eter dan sifat elektromagnetik dari materi. Menurut Lorentz, hanya partikel elementer materi yang bisa bergerak; eterlah (bukan materi) yang menjadi tempat medan elektromagnetik. Eter Lorentz hanya memiliki satu sifat mekanis tersisa: ketidakbergerakan (immobilitas).

Apa yang Diubah Teori Relativitas Khusus?

Teori relativitas khusus mengambil ketidakbergerakan itu dari eter. Jika sistem koordinat K membuat eter diam, dan sistem K' bergerak seragam terhadap K, mengapa harus membedakan keduanya? Asimetri seperti ini tidak bisa diterima.

Bayangkan dua orang di kereta dan di stasiun. Relativitas mengatakan tidak ada yang "benar-benar diam." Nah, jika eter hanya diam terhadap satu kerangka, itu seperti menganggap satu orang lebih istimewa—padahal secara fisik mereka setara.

Satu posisi yang mungkin: menganggap eter tidak ada sama sekali. Medan elektromagnetik adalah realitas independen yang tidak bisa direduksi, seperti atom materi.

Namun, pemikiran lebih hati-hati menunjukkan bahwa relativitas khusus tidak memaksa kita menolak eter. Kita boleh menganggap eter ada, asalkan kita tidak memberi padanya keadaan gerak tertentu.

Argumen untuk Eter: Rotasi dan Ruang Hampa

Untuk menolak eter berarti menganggap ruang hampa tidak memiliki sifat fisik sama sekali. Ini bertentangan dengan mekanika. Perilaku mekanis suatu sistem yang melayang bebas di ruang hampa tidak hanya tergantung pada posisi dan kecepatan relatif, tetapi juga pada keadaan rotasinya.

Newton mengatasi ini dengan menjadikan ruang absolut sebagai sesuatu yang nyata. Ia bisa menamainya "Eter." Intinya: selain benda yang teramati, harus ada sesuatu yang tidak teramati agar percepatan atau rotasi dianggap nyata.

Mach mencoba alternatif: mengganti percepatan terhadap ruang absolut dengan percepatan rata-rata terhadap seluruh massa alam semesta. Tapi ini memerlukan aksi jarak jauh, yang tidak dipercaya fisikawan modern. Jadi gagasan Mach kembali ke eter sebagai medium efek inersia—bedanya, eter Mach dipengaruhi oleh keadaan massa, tidak hanya mempengaruhi massa.

Eter dalam Teori Relativitas Umum

Gagasan Mach mencapai perkembangan penuh dalam eter relativitas umum. Menurut teori ini, kualitas metrik ruang-waktu berbeda di lingkungan titik yang berbeda, dan sebagian ditentukan oleh materi di sekitarnya. "Ruang hampa" secara fisik tidak homogen dan tidak isotropik, melainkan digambarkan oleh sepuluh fungsi (potensial gravitasi g_mn).

Ini menghapus anggapan bahwa ruang secara fisik kosong. Eter relativitas umum adalah medium tanpa sifat mekanis dan kinematis sama sekali, tetapi ikut menentukan peristiwa mekanis (dan elektromagnetik).

Perbedaan mendasar dengan eter Lorentz: keadaan eter relativitas umum di setiap tempat ditentukan oleh hubungan dengan materi dan eter di tempat tetangga (diatur persamaan diferensial). Sedangkan eter Lorentz, tanpa medan elektromagnetik, sama di mana-mana dan tidak dipengaruhi apa pun di luarnya.

Masa Depan: Antara Eter Gravitasi dan Medan Elektromagnetik

Dari sudut pandang eter, ada perbedaan mencolok antara medan gravitasi dan elektromagnetik: tidak ada ruang tanpa potensial gravitasi—ruang tidak bisa dibayangkan tanpanya. Sebaliknya, bagian ruang bisa dibayangkan tanpa medan elektromagnetik. Medan elektromagnetik tampak hanya terikat sekunder pada eter.

Partikel elementer materi pada dasarnya adalah kondensasi medan elektromagnetik. Jadi alam semesta kini menyajikan dua realitas yang terpisah secara konseptual: eter gravitasi dan medan elektromagnetik—atau dengan kata lain, ruang dan materi.

Akan menjadi kemajuan besar jika kita bisa menyatukan medan gravitasi dan elektromagnetik sebagai satu kesatuan. Matematikawan H. Weyl telah mencoba, tapi Einstein meragukan teorinya akan bertahan. Selain itu, teori kuantum mungkin membatasi teori medan.

Kesimpulan

Menurut relativitas umum, ruang memiliki sifat fisik; dalam pengertian ini, eter ada. Ruang tanpa eter tidak terpikirkan—tanpanya tidak ada perambatan cahaya, tidak ada alat ukur ruang-waktu, tidak ada interval ruang-waktu secara fisik.

Namun eter ini tidak boleh dianggap memiliki sifat medium kasat mata, terdiri dari bagian-bagian yang bisa dilacak sepanjang waktu. Gagasan gerak tidak bisa diterapkan padanya.

"Ruang tanpa eter tidak terpikirkan; dalam ruang seperti itu bukan saja tidak ada perambatan cahaya, tetapi juga tidak ada kemungkinan keberadaan standar ruang dan waktu (alat ukur dan jam), dan karenanya tidak ada interval ruang-waktu dalam pengertian fisik."