Selama lebih dari dua abad, para ilmuwan telah mencoba menentukan salah satu bilangan terpenting dalam fisika: konstanta gravitasi universal, yang dikenal sebagai “angka besar”. G“Ini mendefinisikan gaya gravitasi di seluruh alam semesta, mempengaruhi segala sesuatu mulai dari jatuhnya benda di Bumi hingga pergerakan galaksi. Namun meskipun penting, para peneliti masih belum bisa menyepakati nilai pastinya.
Ketidakpastian ini sangat membebani Stephan Schlamminger, fisikawan di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST), saat dia bersiap membuka amplop tertutup berisi nomor rahasia penting. Selama hampir 10 tahun, Schlamminger mengabdikan sebagian besar karirnya untuk mengukur skala besar G dengan ketelitian yang luar biasa. Nomor yang disembunyikan di dalam amplop akhirnya memungkinkan dia memecahkan kode hasil timnya.
Mengapa mengukur gravitasi begitu sulit
Gravitasi mungkin membentuk kosmos, namun ternyata gravitasinya sangat lemah jika dibandingkan dengan gaya fundamental alam lainnya. Elektromagnetisme, misalnya, jauh lebih kuat. Bahkan magnet kecil pun dapat mengangkat klip kertas melawan tarikan seluruh medan gravitasi bumi.
Kelemahan ini menjadi tantangan besar di laboratorium. Para ilmuwan perlu mengukur tarikan gravitasi antara benda-benda yang relatif kecil, dan gaya-gaya ini sangat lemah. Massa yang digunakan dalam percobaan ini sekitar 500 miliar miliar kali lebih kecil dari Bumi, sehingga gaya tarik gravitasi di antara keduanya sangat sulit dideteksi secara akurat.
Para peneliti telah menghabiskan lebih dari 225 tahun mencoba memperbaiki pengukuran besar G sejak Isaac Newton pertama kali menjelaskan gravitasi secara matematis. Meskipun peralatan semakin canggih, eksperimen modern masih menghasilkan respons yang sedikit berbeda. Perbedaannya kecil, sekitar satu bagian dalam 10.000, namun perbedaannya lebih besar dari ketidakpastian eksperimental yang diperkirakan.
Hal ini menimbulkan pertanyaan yang tidak nyaman. Apakah para ilmuwan mengabaikan kelemahan kecil dalam eksperimen mereka, atau adakah sesuatu yang tidak lengkap dalam pemahaman kita tentang gravitasi itu sendiri?
Menciptakan kembali eksperimen gravitasi bersejarah
Untuk mempelajari perbedaan ini, Schlamminger dan rekan-rekannya memutuskan untuk mereplikasi eksperimen populer yang dilakukan pada tahun 2007 oleh International Bureau of Weights and Measures (BIPM) di Sèvres, Perancis. Pada prinsipnya tujuannya sederhana: untuk melihat apakah tim independen dari NIST di Gaithersburg, Maryland, dapat mencapai hasil yang sama.
Schalamminger juga ingin menghindari kemungkinan bias. Dia khawatir mengetahui nilai yang diharapkan secara tidak sadar akan mempengaruhi analisisnya. Untuk menghindari hal tersebut, dia meminta rekannya Patrick Abbott untuk mengacak sebagian data.
Abbott diam-diam mengurangi nilai tersembunyi dari pengukuran yang melibatkan beberapa massa eksperimental. Hanya Abbott yang mengetahui nomornya. Sampai amplopnya dibuka, Schlamminger tidak tahu nilai sebenarnya yang dihasilkan eksperimennya.
Momen kebenaran
Amplopnya sudah hampir dibuka satu kali. Pada tahun 2022, Schlamminger siap untuk mengungkapkan hasilnya tetapi berhenti pada saat-saat terakhir setelah menyadari bahwa efek tekanan atmosfer yang halus dapat mempengaruhi pengukuran. Dia menunda pengungkapannya dan terus menyempurnakan analisisnya.
Akhirnya, pada tanggal 11 Juli 2024, pada Konferensi Pengukuran Elektromagnetik Presisi tahunan di Aurora, Colorado, saatnya tiba.
Schalamminger melewatkan sesi konferensi pagi hari, karena disibukkan oleh kekhawatiran tentang fluktuasi suhu, perubahan tekanan, dan dampak kecil lainnya yang dapat merusak hasil. “Saya benar-benar telah menjelaskan semua hal dalam pengalaman saya,” katanya.
Selama presentasi sorenya, dia membuka amplop dan membaca nomor tersembunyi Abbott. Awalnya dia merasa lega. Nilai rahasianya harus besar dan negatif agar pengalamannya sesuai dengan ekspektasi.
Itu tadi.
Namun seiring berjalannya waktu, rasa lega itu memudar. Jumlah tersebut terlalu besar untuk hasil NIST untuk menyamai pengalaman Perancis sebelumnya.
Perbedaan baru di Big G
Setelah dua tahun tambahan analisis terperinci, Schlamminger dan rekannya mempublikasikan hasilnya Metrologi. Nilai terukurnya untuk G adalah 6,67387×10-11 meter3/kilogram/detik2yaitu 0,0235% lebih kecil dari pengukuran Perancis.
Ini mungkin tampak sepele, namun fisikawan menganggap serius perbedaan ini. Kebanyakan konstanta fundamental lainnya diketahui hingga enam angka penting atau lebih dengan persetujuan yang jauh lebih besar.
Kesenjangan tersebut tidak cukup besar untuk mempengaruhi kehidupan sehari-hari. Itu tidak akan mengubah berat badan Anda pada timbangan kamar mandi atau mengubah cara produsen mengukur bahan-bahan seperti selai kacang untuk toples 16 ons. Namun, sepanjang sejarah ilmu pengetahuan, ketidakkonsistenan kecil terkadang menunjukkan penemuan-penemuan besar dan mengungkap kesenjangan tersembunyi dalam teori-teori yang ada.
Bagaimana para ilmuwan mengukur gravitasi
Eksperimen BIPM dan NIST mengandalkan perangkat yang disebut keseimbangan torsi, yang mendeteksi gaya yang sangat kecil dengan mengukur jumlah putaran pada serat tipis.
Teknik ini sudah ada sejak fisikawan Inggris Henry Cavendish, yang melakukan eksperimen perintis tentang gravitasi pada tahun 1798. Cavendish menggantungkan dua bola timah pada kawat dan menempatkan massa yang lebih besar di dekatnya. Tarikan gravitasi di antara keduanya menyebabkan balok yang digantung berputar sedikit, memutar kawat. Dengan mengukur pergerakan ini, Cavendish memperkirakan gaya gravitasi.
Versi modern yang digunakan oleh BIPM dan NIST jauh lebih maju. Konfigurasinya mencakup delapan massa logam silinder. Empat silinder yang lebih besar bertumpu pada komidi putar yang berputar, sementara empat silinder yang lebih kecil digantung di dalamnya pada pita tembaga-berilium setebal rambut manusia.
Ketika massa luar menarik massa dalam, keseimbangan torsi berputar dan memutar pita. Mengukur pergerakan kecil ini memberikan perkiraan besarnya G.
Tim juga menggunakan teknik kedua yang melibatkan listrik. Para peneliti menerapkan tegangan ke elektroda di dekat massa internal, menciptakan gaya elektrostatis yang melawan gravitasi. Dengan mengatur tegangan secara hati-hati hingga skala berhenti berputar, mereka memperoleh pengukuran independen lainnya G.
Pengujian massa tembaga dan safir
Tim Schlamminger menambahkan langkah ekstra pada eksperimen tersebut. Untuk menentukan apakah material itu sendiri dapat mempengaruhi pengukuran, mereka mengulangi penelitian dengan menggunakan massa tembaga dan safir.
Hasilnya hampir sama, menunjukkan bahwa komposisi massa tidak bertanggung jawab atas perbedaan tersebut.
Meski eksperimen tersebut belum memecahkan misteri besar yang menyelimutinya Gini menambahkan poin data penting lainnya ke semakin banyak bukti.
“Setiap tindakan penting, karena kebenaran itu penting,” kata Schalamminger. “Bagi saya, melakukan pengukuran yang tepat adalah cara untuk memulihkan keteraturan alam semesta, apakah jumlahnya sesuai dengan nilai yang diharapkan atau tidak,” tambahnya.
Setelah menghabiskan satu dekade mengatasi masalah ini, Schlamminger mengatakan dia siap untuk melanjutkan.
“Saya serahkan kepada ilmuwan generasi muda untuk mengatasi masalah ini,” tambahnya.
“Kita harus melanjutkan.”
G Besar vs G Kecil
Hukum gravitasi Newton memuat keduanya “besar G” dan “g kecil”, tetapi keduanya menggambarkan hal yang berbeda.
G kecil mengacu pada percepatan yang disebabkan oleh gravitasi di dekat benda besar seperti Bumi. Di permukaan bumi, g kecil kira-kira 9,8 m/s2. Di Bulan, yang gravitasinya lebih lemah karena massa Bulan lebih kecil, g kecil hanya sekitar 1,62 m/s.2.
Besar Gdi sisi lain, dianggap universal. Para ilmuwan percaya bahwa nilai tersebut memiliki nilai yang sama di semua tempat di alam semesta. Ini menentukan gaya gravitasi antara dua benda, baik planet, manusia, atau benda berat laboratorium.
Persamaan Newton menghitung gaya gravitasi dengan mengalikan dua massa, membaginya dengan kuadrat jarak antara keduanya, dan mengalikannya dengan huruf kapital G. Secara matematis, hukum tersebut dinyatakan sebagai berikut: GM1M2/R2.
