Mimpi Einstein

Semasa hidupnya, teori relativitas dan teori kuantum adalah dua area fisika dimana Einstein menghasilkan karya-karya terbesarnya dan paling abadi. Lewat teori relativitas khususnya Einstein mendefinisikan ulang konsep ruang-waktu relatif yang bergantung pada kerangka acuan untuk menggantikan ruang-waktu mutlak yang dikemukakan oleh Newton. Lewat relativitas khusus juga Einstein memperkenalkan entitas ruang-waktu sebagai satu kesatuan yang tidak terpisah. Sedangkan melalui relativitas umumnya Einstein seorang diri men-generalisasikan hukum gravitasi universal Newton. Einstein berhasil memberikan penjelasan yang paling baik mengenai fenomena gravitasi pada skala yang lebih luas. Konsep gravitasi sebagai gaya aksi pada jarak milik Newton direvisi oleh Einstein sebagai manifestasi dari kelengkungan ruang-waktu.

Selain berkecimpung dengan teori-teori yang mengatur alam semesta yang makroskopik, Einstein juga berjasa dalam meletakkan dasar teori kuantum yang mikroskopik. Lewat penjelasan teoritis yang kuat mengenai hasil eksperimen efek fotolistrik, Einstein memberikan bukti dukungan untuk memperkokoh konsep kuanta yang diusulkan Planck bahwa gelombang cahaya merupakan aliran partikel yang terkuantisasi dalam paket-paket energi. Pekerjaan Einstein ini dilanjutkan oleh de Broglie yang mendefinisikan partikel (elektron) dapat bertindak sebagai gelombang. Teori kuantum yang mengikuti aliran Einstein ini berujung pada penemuan mekanika kuantum gelombang Schrodinger. Aliran yang lain adalah aliran Bohr yang berujung pada penemuan mekanika kuantum matriks Heisenberg.

Selesai dengan teori relativitas umumnya yang dipublikasikan pada tahun 1916, Einstein bermimipi untuk merumuskan sebuah teori medan terpadu (grand unified theory). Ini adalah mimpi terbesar Einstein. Ia menghabiskan sisa waktu hidupnya untuk mewujudkannya, namun berakhir dengan sangat sedikit keberhasilan. Tanpa mengurangi rasa hormat atas pencapaian-pencapaiannya, mimpi Einstein tentang teori medan terpadu tidak berhasil diwujudkannya hingga ia tutup usia.

Dalam impiannya merumuskan teori medan terpadu, Einstein berharap dapat menggabungkan dua gaya fundamental yang dikenal saat itu. Dua gaya fundamental tersebut adalah teori gravitasi Einstein sendiri yang diwakili oleh persamaan medan Einstein dalam teori relativitas umum, dan yang satunya lagi adalah teori elektromagnetisme Maxwell. Einstein ingin menyatukan kedua teori ini secara bersama-sama ke dalam satu kerangka fisik dan persamaan matematika yang tunggal. Teori yang menjadi impian terbesar Einstein ini lebih jauh jangkauannya jika dibandingkan dengan salah satu dari teori-teori individual yang pernah ia rumuskan.

Dalam ilmu fisika, penyatuan atau penggabungan dua atau lebih teori dalam satu kerangka fisik atau persamaan (rumus) tunggal memainkan peranan penting dalam sejarah perkembangan ilmu fisika itu sendiri. Banyak prestasi terbesar dalam ilmu fisika merupakan hasil dari penyatuan. Penyatuan dalam konteks ini, itu berarti menyatukan dua atau lebih gagasan atau teori fisika yang dianggap sama sekali berbeda dan untuk membuktikan bahwa aspek teori yang berbeda tersebut sebenarnya berasal dari fenomena mendasar yang sama. Sebagai contoh, sebelum era Sir Isaac Newton, apa yang kita kenal sekarang sebagai gravitasi hanya dipandang sebagai kekuatan yang menarik benda-benda ke bawah menuju Bumi.

Di sisi lain, Johannes Kepler menunjukkan bahwa planet bergerak mengelilingi Matahari mengikuti orbit berbentuk elips. Pada saat itu, tidak ada satupun yang tahu mengapa dan apa yang menyebabkan planet bergerak mengelilingi matahari mengikuti orbit tersebut. Misteri ini baru bisa dipecahkan setelah Newton datang dengan teori gravitasi universal-nya. Newton menggabungkan atau menyatukan kedua fenomena yang tampaknya sangat berbeda tadi dengan satu prinsip yang menyeluruh. Newton mengusulkan bahwa semua benda yang memiliki massa (bobot) akan saling tarik-menarik satu sama lain dengan kekuatan (gaya) yang sebanding dengan massa benda-benda tersebut, dan berbanding terbalik dengan kuadrat (pangkat dua) dari jarak yang memisahkan benda-benda tersebut, - gaya ini disebut gravitasi. Dengan hubungan yang sederhana ini, Newton dapat menjelaskan bahwa peristiwa jatuhnya benda ke bumi, gerak bulan mengorbit bumi, dan gerakkan planet mengelilingi matahari disebabkan oleh gaya yang sama yaitu gravitasi.

Contoh berikutnya, sebelum abad ke-19, fenomena listrik dan magnetik dianggap sebagai fenomena yang tidak memiliki hubungan sama sekali. Fenomena listrik bertanggung jawab terhadap hal-hal seperti petir, dan muatan statis. Sedangkan di sisi lain, fenomena magnetik adalah penyebab mengapa jarum kompas mengarah ke utara, dan membuat benda yang mengandung magnet akan saling tarik menarik atau tolak menolak. Pada saat itu, listrik dan magnet dipandang sebagai kekuatan (gaya) yang sama sekali berbeda dan memiliki perilaku yang berbeda. Setelah karya eksperimental Michael Faraday dan teori dari James Clerk Maxwell pada pertengahan tahun 1800-an, baru diketahui bahwa listrik dan magnet merupakan fenomena yang saling berkaitan. Bahkan, Maxwell menemukan bahwa medan magnet itu sendiri tidak lebih dari medan listrik yang bergerak. Listrik dan magnet mungkin terlihat sebagai gaya yang berbeda yang mengakibatkan fenomena yang berbeda, tapi sebenarnya listrik dan magnet hanyalah sisi yang berbeda dari koin mata uang yang sama. Setelah karya Maxwell kita akhirnya mengenal yang namanya elektromagnetisme sebagai gabungan atau teori terpadu dari listrik dan magnet yang sebelumnya dianggap sebagai dua teori yang berbeda.

Ketika dua ide atau konsep fisika ditemukan saling terhubung, seringkali melahirkan atau mengungkapkan fenomena-fenomena baru. Dalam kasus elektromagnetisme, Maxwell membuktikan bahwa persamaan yang dirumuskan untuk menghubungkan listrik dan magnet ternyata juga menggambarkan sifat dan perilaku gelombang cahaya. Sehingga pada akhirnya Maxwell sampai pada kesimpulan yang tidak bisa dibantah bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik yaitu kombinasi dari medan listrik dan magnet yang berosilasi dan  bergerak bersama melalui ruang.

Setiap kali fisikawan berhasil menyatukan serangkaian fenomena yang tampaknya tidak berhubungan maka akan melahirkan teori baru yang lebih kuat. Teori baru (teori terpadu) yang lebih kuat ini dapat menjelaskan dan memprediksi lebih banyak hal daripada apa yang bisa dijelaskan oleh masing-masing teori tersebut sebelum digabung.

Selain itu, teori terpadu juga dapat menjelaskan hal-hal yang sebelumnya dijelaskan oleh masing-masing teori sebelum digabung menjadi jauh lebih sederhana. Teori gravitasi universal Newton misalnya, teori ini dapat menjelaskan fenomena benda jatuh dan fenomena planet bergerak dalam orbit elips sebagai sebuah fenomena yang sama. Ini jelas menjadikannya lebih sederhana dibandingkan dengan harus menjelaskannya sendiri-sendiri berdasarkan teori-teori sebelumnya. Di samping itu, teori Newton juga dapat digunakan untuk memahami dan memprediksi lebih banyak hal yang tidak bisa dilakukan oleh teori-teori sebelumnya saat masih berupa teori-teori tunggal. Maksudnya, dengan persamaan Kepler yang mendeskripsikan lintasan elips planet, tidak bisa dipakai untuk mencari tahu berapa bobot astronot saat berada di bulan, atau berapa kecepatan yang dibutuhkan satelit untuk bisa mengorbit bumi. Ini semua hanya bisa dihitung dan diprediksi menggunakan teori yang sudah terpadu yaitu teori gravitasi Newton.

Einstein juga ingin mencari teori terpadu yang sama dengan gravitasi Newton maupun elektromagnetisme Maxwell. Usaha pencarian untuk teori medan terpadu dimulai Einstein hanya beberapa tahun setelah Einstein menyelesaikan teori relativitas umumnya. Pada saat itu, ada dua teori mendasar yang menjadi pusat bagaimana fisikawan memahami alam semesta, yang pertama adalah teori relativitas umum Einstein yang menjelaskan fenomena gravitasi beserta hubungannya dengan ruang-waktu. Lalu yang kedua adalah teori elektromagnetisme yang didefinisikan dalam seperangkat empat persamaan yang dikenal sebagai persamaan Maxwell. 

Persamaan Maxwell dapat digunakan untuk menggambarkan berbagai fenomena yang terkait dengan listrik dan magnet termasuk cahaya. Jadi, dari sudut pandang Einstein, ada dua sisi alam yang berbeda di hadapannya yang diwakili oleh dua teori yang berbeda yang harus disatukan. Einstein sangat mengagumi James Clerk Maxwell, dan dia sangat menghormati dan menjunjung tinggi persamaan elektromagnetisme Maxwell. Bersama dengan teori relativitas umum, kedua teori ini merupakan beberapa pencapaian terpenting dan terbesar dalam sejarah perkembangan ilmu fisika.

Teori relativitas umum dan elektromagnetisme pada dasarnya tampak tidak berhubungan satu sama lain. Tapi Einstein tidak begitu yakin akan dengan apa yang 'tampak' tersebut. Sama seperti listrik dan magnet yang sebelumnya tampak tidak berhubungan sama sekali, namun dibuktikan oleh Maxwell bahwa keduanya berasal dari fenomena yang sama. Einstein juga menaruh curiga yang sama terhadap relativitas umumnya dan teori elektromagnetisme Maxwell. Seperti banyak fisikawan hebat sebelumnya, Einstein terinspirasi untuk membuat teori yang lebih kuat dan dapat diterapkan secara luas karena mencakup penyatuan gaya alam yang paling fundamental. Tentu saja, jika upaya ini berhasil maka teori terpadu Einstein ini dapat memprediksi dan menjelaskan lebih banyak fenomena alam daripada apa yang bisa dilakukan oleh teori-teori sebelumnya, termasuk teori relativitas umum Einstein itu sendiri.

Saat ini, kita mengetahui bahwa penyatuan teori medan terpadu adalah upaya untuk menyatukan empat macam gaya fundamental yang ada di alam semesta. Namun, bagi Einstein saat itu, teori medan terpadu hanya sebatas pada penyatuan gravitasi (relativitas umum) dan gaya elektromagnetisme. Hal ini disebabkan oleh karena pada saat itu dua gaya fundamental yang lain yaitu gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemah belum ada. Bahasa yang lebih tepat adalah bahwa keberadaan kedua gaya tersebut belum ditetapkan. Kedua gaya ini beserta teori penjelasannya baru dipahami dengan baik bertahun-tahun lamanya, jauh setelah kematian Einstein. Oleh karena eksistensi dari kedua jenis gaya nuklir ini belum ditetapkan dengan teori yang kokoh pada saat itu, maka dalam membangun teori medan terpadu-nya Einstein sama sekali tidak berpikir untuk melibatkan kedua jenis gaya nuklir tersebut. 

Pikiran Einstein hanya tertuju pada penyatuan antara medan gravitasi yang dirumuskan oleh teori relativitas umum-nya sendiri dengan medan elektromagnetik yang dirumuskan dalam satu set empat persamaan elektromagnetisme Maxwell. Dalam perkembangan fisika modern pendekatan penyatuan medan terpadu Einstein mulai ditinggalkan karena gaya fundamental yang diketahui sekarang ada empat bukan lagi dua. Hingga akhir hayatnya, Einstein tidak berhasil mewujudkan impiannya untuk menyatukan dua gaya fundamental yang teorinya sudah kokoh pada masa itu. 

Ide dan usaha Einstein yang gagal ini pada pada akhirnya menginspirasi dan memotivasi fisikawan dan penelitian modern untuk menyatukan empat gaya fundamental saat ini, yaitu gravitasi, gaya elektromagnetisme, gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemah dalam kerangka teori segalanya atau theory of everything dengan satu persamaan tunggal yang populer disebut the god equation. Sampai saat ini fisikawan baru bisa menyatukan ketiga gaya fundamental selain gaya gravitasi Einstein. Sisanya masih menjadi area penelitian terbuka untuk seluruh fisikawan dunia.

 

Referensi:

1. Hooper, D. 2020. What is Einstein's Unified Field Theory di https://www.thegreatcoursesdailiy.com

2. https://en.wikipedia.org/wiki/classical_unified_field_theories