Sains dalam Teori Mekanika Newton, Gravitasi Einstein, Kaitannya dengan Gambaran Alam Semesta

Prasyarat Teori 

Agar bisa berbicara mengenai hakikat alam semesta dan membahas pertanyaan seperti, ”Apakah alam semesta memiliki permulaan atau akhiran ? ”, kita harus mengetahui apa itu teori sains.

Terdapat pandangan sederhana bahwa teori hanyalah model alam semesta dan satu set aturan yang menghubungkan kuantitas-kuantitas dari model ke pengamatan yang telah dibuat. Teori hanya ada dalam akal budi dan tidak punya realitas lain.

Sebuah teori dianggap bagus bila memenuhi dua syarat:

Pertama

teori harus secara akurat menjabarkan sekelompok besar pengamatan berdasarkan suatu model yang hanya mengandung sedikit unsur arbitrer (suka-suka);

Kedua

teori harus membuat suatu prediksi tertentu mengenai hasil pengamatan pada masa depan. Sebagai contoh, ilmuan Aristoteles mempercayai teori Empedokles, yang menyatakan bahwa segala benda terbuat dari empat unsur, yaitu unsur tanah, air, udara dan api.

Teori ini sederhana, namun tidak membuat prediksi untuk masa depan. Kontradiksi dengan contoh lain; teori gravitasi Newton, didasarkan pada model yang lebih sederhana lagi, di mana benda-benda saling tarik dengan gaya yang sebanding dengan besaran massa dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda tersebut. Teori Newton juga mampu memprediksi gerak Matahari, Bulan, planet-planet dengan akurat.

Newmoon taken from Karangpucung, Cilacap, Central Java, Indonesia

Teori Bersifat Temporer

Segala teori fisika selalu bersifat sementara, artinya bahwa teori tersebut hanya hipotesis, tidak bisa dibuktikan dengan benar. Tidak peduli seberapa banyak hasil percobaan yang sesuai dengan suatu teori, tidak dapat dipastikan bahwa kelak hasil tidak akan bertentangan dengan teori. Suatu teori dapat disangkal dengan menemukan walaupun satu saja pengamatan yang tidak cocok dengan prediksi teori tersebut. Apabila setiap kali percobaan baru di masa depan memberi hasil yang cocok dengan prediksi, teori terus berjalan; akan tetapi jika pengamatan baru yang diperoleh tidak cocok, maka teori tersebut harus dirubah atau ditinggalkan.

Setidaknya, itu lah yang seharusnya berjalan, akan tetapi orang selalu mempertanyakan kompetensi dari orang lain yang melakukan pengamatan. Dalam praktiknya, sering terjadi bahwa teori baru digagas sebagai perpanjangan teori sebelumnya. Misalnya teori relativitas umum Einstein memprediksi gerak yang sedikit berbeda dengan teori gerak Newton.

Kenyataan bahwa prediksi teori Einstein cocok dengan apa yang dilihat di kemudian hari sedangakan prediksi Newton tidak cocok adalah salah satu konfirmasi penting bagi teori baru tersebut. Tapi teori Newton masih digunakan untuk keperluan praktis karena perbedaan antara prediksi teori Newton dan teori reltivitas umum Einstein sangat kecil. Terlebih teori Newton lebih sederhana dari pada teori Einstein.

Tujuan Sains

Tujuan akhir sains adalah menyediakan satu teori yang menjabarkan seluruh alam semesta, dikenal dengan $Theori$ $of$ $Everything$, $TOE$. Pendekatan yang diikuti sebagian besar saintis adalah memecah persoalan menjadi dua bagian. Pertama, ada hukum-hukum yang memberitahu manusia bagaimana alam semesta berubah seiring berjalannya waktu.

Apabila manusia mengetahui seperti apa alam semesta pada suatu waktu, maka hukum-hukum fisika akan memeberitahu manusia seperti apa alam semesta pada waktu berikutnya. Kedua, terdapa persoalan keadaan awal alam semsesta ($initial$ $state$). Beberapa orang merasa bahwa sains seharusnya hanya membahas bagian permulaan, mereka menganggap persoalan keadaan awal adalah urusan metafisika atau agama.

Seperti yang kita lihat, sukar sekali merumuskan teori yang menjelaskan alam semesta secara keseluruhan dalam sekali jalan, sekali perumusan. Ilmuan malah memecah persoalan itu menjadi potongan kecil dan menciptakan sejumlah teori yang hanya menjelaskan sebagian. Sebagai contoh teori gravitasi Newton, yang memberitahu bahwa gaya gravitasi antara dua benda bergantung hanya kepada satu bilangan yang terkait dengan tiap benda, yakni massa benda tersebut, akan tetapi tidak terkait dengan apa yang menyusun benda.

Gambaran Alam Semesta

Pada saat ini para ilmuan menjelaskan alam semesta berdasarkan dua teori dasar yang menjelaskan sebagian, yaitu teori relativitas umum dan mekanika kuantum. Keduanya adaah prestasi besar intelektual abad ke dua puluh. Teori relativitas umum menjelaskan gaya gravitasi dan struktur skala besar alam semesta, dari beberapa kilometer sampai sebesar $10^{24}$ kilometer, ukuran alam semesta yang bisa diamati. Mekanika kuantum membahas fenomena di skala luar biasa kecil, seperti satu per empat juta $centimeter$. Sayangnya kedua teori tersebut tidak konsisten satu sama lain –tidak mungkin benar kedua-duanya. 

Salah satu usaha fisika sekarang adalah pencarian teori baru yang akan mencakup keduanya –$Teori$ $Gravitasi$ $Kuantum$. Teori tersebut belum ada, dan bisa jadi masih jauh dari memperolehnya. Sekarang kita tahu, alams semesta tidak teratur namun diatur oleh hukum-hukum tertentu. Karenanya kita harus menggabungkan teori-teori tersebut yang menjelaskan sebagian menjadi satu teori terpadu, $Unified$ $Theory$, lengkap yang menjelaskan segala isi alam semesta.

Penjelasan terkait baca:  Postulat Relativitas Khusus Einstein