Perkembangan Teori Gravitasi

a.       Fenomena gravitasi

-          kecenderungan benda-benda untuk jatuh ke bumi

-          keteraturan gerakan planet (termasuk matahari dan bulan yang waktu itu digolongkan sebagai planet).

Kedua fenomena tersebut masih dianggaap sesuatu yang berbeda.

b.      Teori gravitasi

Berdasarkan pole pikir yang berkembang, maka teori gravitasi dibedakan menjadi dua yaitu :

a)      Teori gravitasi klasik, pola pikir yang berkembang terkait fenomena gravitasi adalah sebagai berikut :

1)      Aristoteles percaya kalau benda yang lebih berat akan jatuh lebih cepat dari yang lebih ringan tanpa memikirkan efek gesekan udara.

2)      Menurut Plato (427 – 347 SM) dan  Claudius Ptolemaus mengemukakan bahwa  bintang dan bulan bergerak mengelilingi bumi membentuk lintasan lingkaran sempurna, yang disebut teori geosentris.

3)      Nicolaus Copernicus  mengemukakan teori heliosentris yang mengemukakan bahwa matahari sebagai pusat sistem planet dan planetplanet lain termasuk bumi mengitari matahari

4)      Pengamatan gerak benda langit oleh Tyco Brahe (1546-1610).

5)      Penafsiran data gerak planet Tyco Brahe oleh Johanes Kepler (1571-1630). Hasil penafsiran Kepler  adalah hukum Kepler  tentang gerak planet. Hukum Kepler memberi dukungan yang kuat kepada teori Copernicus, tetapi Kepler tidak mempunyai konsep gaya sebagi penyebab dari keteraturan tersebut.

b)      Teori gravitasi modern ( dimulai pada abad ke-17 ), pola pikir yang berkembang :

1)      Hambatan udara  adalah alasan mengapa benda yang ringan jatuh lebih lambat dibanding benda yang lebih berat jika dijatuhkan serentak dalam atmosfer. Hal ini diungkapkan oleh Galileo Galilei setelah menganalisis hasil percobaannya menjatuhkan bola-bola dari menara pisa, dan kemudian dengan pengukuran yang teliti pada bola yang turun pada sudut tertentu, galileo menunjukkan kalau gravitasi mempercepat semua benda pada tingkat yang sama.

2)      Mekanika benda langit dan mekanika bumi merupakan adalah yang sebelumnya merupakan dua pengetahuan yang terpisah, dianggap satu kesatuan oleh Sir Isaac Neton. Menurut Newton, Gaya gravitasi antara dua benda tergantung pada massa benda dan kebalikan kuadrat jarak antara benda. Benda yang lebih besar menghasilkan gaya yang lebih besar dan semakin jauh kedua benda, semakin lemah gaya tariknya. Sehingga teori ini mengharuskan setiap planet ditarik menuju matahari dengan sebuah gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari planet ke matahari.  Menurut teori ini, Matahari memiliki gaya tarik yang sangat besar jangkauannya sehingga bisa menarik benda-benda angkasa yang bermassa relatif lebih kecil seperti planet, komet, dan asteroid dan melayang pada orbitnya. Dengan cara ini newton mampu menerangkan gerak planet dalam tata surya dan gerak benda jatuh di dekat permukaan bumi dengan konsep yang sama.

Newton mampu menunjukkan hubungan ini dalam satu persamaan:

   

3)      Teori relativitas khusus Einstein

Kejanggalan teori gravitasi Newton, ditemukan oleh Einstein. Kejanggalannya terletak pada ketidakcocokan teori gravitasi Newton dengan teori relativitas khusus yang diajukan Einstein pada tahun 1905.

Teori relativitas khusus Einstein dibuat konsisten dengan dengan teori electromagnetik Maxwell. Hal ini mengakibatkan Einstein menrik kesimpulan bahwa cahaya memiliki kecepatan sebesar 299,792 km/detik yang merupakan kecepatan absolut ( artinya benda atau energi lain bisa bergerak mendekati kecepatan ini tetapi tidak akan pernah melebihi kecepatan cahaya ).  Kejanggalan lain dari teori gravitasi Newton adalah tidak sesuai dengan  prinsip ekuivalen. Newton tidak mengindikasikan bagaimana gaya gravitasi bekerja,  Ia hanya mengatakan bahwa gravitasi adalah satu gaya yang sudah ada dari awal yang dibawa oleh benda bermassa. Menurut Newton, sebuah benda bermasssa akan mengerjakan gaya tarik kepada benda bermassa lain yang berada dalam jangkauan gaya gravitasi benda yang bermassa lebih besar. Gaya tarik gravitasi itu bekerja dan menjelajah ruang hampa diantara dua benda tadi dalam waktu sesaat.

Hal ini bertentangan dengan klaim Einstein bahwa tidak ada energi maupun massa yang bisa memiliki kecepatan melebihi kecepatan cahaya. Mengingat jangkauan gaya gravitasi yang mencapai ribuan bahkan jutaan kilometer, maka gaya gravitasi tidaklah mungkin menjelajah angkasa luar dalam waktu yang singkat. Jika gaya gravitasi bergerak dengan cara yang sama seperti cahaya bergerak, maka Einstein berkesimpulan kecepatan gaya gravitasi bekerja juga tidak boleh melebihi kecepatan cahaya. Dengan jarak jangkauan yang jauh maka jelas gravitasi memerlukan waktu yang panjang untuk menjelajah ribuan bahkan jutaan kilometer.

Namun demikian dengan teori gravitasi Newton bentuk dan orbit planet-planet dalam tata surya bisa diprediksikan dengan tepat meskipun perhitungan dilakukan dengan anggapan bahwa gaya gravitasi bekerja dengan sesaat. Jika gravitasi bekerja tidak dalam waktu sesaat, sesuai dengan relativitas khusus Einstein, maka orbit planet ini harus mengalami koreksi. Tetapi jika koreksi Einstein dimasukkan, maka koreksi ini justru memberikan hasil prediksi orbit planet yang tidak sesuai dengan data astronomi. Pertimbangan ini membuat Einstein menyimpulkan adanya mekanisme dalam teori gravitasi yang belum dijelaskan oleh Newton. Kejanggalan kedua yang Einstein temukan berhubungan dengan prinsip ekuivalen. Secara sederhana prinsip ini menggambarkan bahwa semua hukum fisika akan berperilaku sama dalam kerangka acuan mana saja, baik dalam kerangka diam, dalam kerangka yang berjalan dengan kecepatan konstan maupun dengan laju kecepatan yang positif.

4)      Teori relativitas umum Einstein

Pada tahun 1916 Einstein muncul dengan teori gravitasi baru yang didasarkan pada cara pandang terhadap ruang dan waktu yang sama sekali berbeda dengan cara pandang Newton. Jika Newton memandang ruang angkasa sebagai ruang yang kosong maka Einstein menganggap ruang angkasa tersebut terbuat dari anyaman medan ruang dan waktu. Teori gravitasi baru ini lebih dikenal dengan nama teori relativitas umum.

Newton menyatakan  teori gravitasi dalam sebuah persamaan saja, sedangkan Einstein menyatakan dalam 16 buah persamaan di dalam sebuah persamaan matematik yang ditulis dengan notasi yang dikenal sebagai tensor. Persamaan tadi menghubungkan geometri ruang dan waktu dengan massa dan energi.