Arah Gerak Dunia: Dari Geosentris ke Heliosentris (Bagian 1)

“Akan tetapi, jika sesuatu yang begitu besarnya seperti Bumi ini berputar satu kali sehari, pastilah ia akan bergerak begitu cepatnya. Semua yang ia ketahui pasti akan berpusar dengan kecepatan yang begitu tinggi. Ia merasa ia bisa merasakan perputaran Bumi—Tidak hanya membayangkannya di dalam kepalanya, tapi benar-benar merasakannya di dalam perutnya. Rasanya seperti turun dengan lift yang bergerak cepat. Ia mendongakkan lehernya untuk membebaskan medan pandangannya dari apapun di Bumi, sampai ia hanya melihat langit hitam dan bintang-bintang. Ia dikuasai naluri untuk memegang erat-erat seikat rumput pada kedua sisinya, takut akan terlempar ke langit.”

—Carl Sagan, Contact

Ellie Arroway kecil punya ketertarikan besar pada cara kerja dunia di sekitarnya. Ia membuka radio tua dan menemukan bahwa di dalamnya tidak ada orkestra mini yang memainkan lagu-lagu. Di sekolah ia belajar bahwa π adalah bilangan tak rasional. Pada satu episode di masa kecilnya, sebagaimana dikutip di atas, ia membayangkan betapa cepat dan sukar dipercayanya putaran Bumi. Mengapa dunia di sekitarnya tidak terjadi angin ribut yang menderu-deru?

Pada serial tulisan sebelumnya kita telah mengetahui bahwa Bumi (kurang-lebih) berbentuk bola dengan keliling pada khatulistiwa sekitar 40 075 km. Kecepatan rotasi Bumi, sebagaimana kita ketahui, adalah 360 derajat dalam waktu 24 jam atau 15°/jam. Artinya, suatu titik pada garis khatulistiwa¹Dalam gerak rotasi, ada dua macam kecepatan: kecepatan sudut dan kecepatan tangensial. Kecepatan sudut adalah laju perubahan sudut terhadap waktu (dalam konteks rotasi Bumi, 360 derajat per 24 jam atau 15 derajat per jam), sementara kecepatan tangensial adalah perubahan posisi pada suatu titik pada jarak tertentu dari sumbu rotasi. Karena sumbu rotasi Bumi adalah garis antara Kutub Utara dan Kutub Selatan, maka kecepatan tangensial rotasi Bumi pada suatu lokasi di muka Bumi akan berbeda menurut lintang lokasi tersebut. akan bergerak secepat (kurang-lebih) 1 670 km/jam. Wah, angka yang fantastis sekali, bukan? Tak heran, membayangkan kecepatan luar biasa ini, Ellie kecil merasa harus berpegangan pada Bumi demikian eratnya.

Kecepatan rotasi Bumi (pada khatulistiwa) yang demikian dahsyat ini sudah dapat diketahui apabila kita mengetahui ukuran Bumi yang sesugguhnya. Karena kita sudah melihat bahwa pengetahuan mengenai bentuk dan ukuran Bumi sudah diketahui semenjak jaman antik dan tak lekang, maka kecepatan yang tak terbayangkan ini juga sudah diketahui oleh ilmuwan-ilmuwan jaman dahulu. Inilah satu hal mengapa mereka, sebagaimana beberapa dari kita di jaman sekarang ini, sukar mempercayai bahwa Bumi ini berotasi pada sumbunya. Lebih mudah bagi mereka untuk percaya bahwa Bumi ini diam pada tempatnya dan segala pergerakan benda langit adalah karena memang benda-benda langit ini memang bergerak mengitari Bumi.

Suatu hari saya dan beberapa teman menunggu kereta berangkat dari stasiun. Tatkala kereta bergerak meninggalkan stasiun, seorang teman berkata, “Ah akhirnya kereta ini jalan.” Teman lain menimpali, “Wuih seluruh stasiun ini bergerak! Hahaha…”

Di dalam kereta yang bergerak, kita hanya butuh sekejap saja untuk menyimpulkan bahwa memang kereta yang kita tumpangi ini yang bergerak, dan bukan seluruh alam di luar kereta. Kita juga bisa menyadari bahwa semua gerak yang kita lihat adalah gerak relatif, dalam arti semua gerakan itu tergantung pada kerangka acuan kita. Menurut seseorang di peron stasiun, ia melihat kereta bergerak menjauhi stasiun, sementara itu seseorang yang duduk manis di dalam kereta akan melihat peron bergerak menjauhi dirinya.

Berbeda dengan stasiun dan kereta api, pergerakan Bumi dan benda-benda langit tidak memberikan mekanisme yang secara eksplisit bisa membuat kita segera membedakan tanpa keraguan, siapa yang bergerak dan siapa yang diam. Terlebih lagi, jika memang yang ada hanyalah gerak relatif, mengapa gerak rotasi Bumi dan revolusi Bumi mengelilingi Matahari harus diistimewakan? Mengapa kita tidak mengadopsi saja kerangka acuan seorang pengamat di Bumi yang diam, mengamati dan menafsirkan pergerakan Matahari, Bulan, planet-planet, dan bintang-bintang? Bukankah dari kerangka acuan ini, cukup jelas apa yang kita amati: Matahari bergerak mengitari Bumi?

Menurut sebuah survey yang dilakukan Badan Ilmu Pengetahuan Nasional Amerika Serikat (NSF, National Science Foundation), sekitar 25% warga Amerika Serikat yang disurvey menganggap bahwa Matahari bergerak mengitari Bumi. Di Uni Eropa, sekitar 34% beranggapan sama, sementara di Kanada 13%. Terlepas dari berbagai cara untuk menafsirkan hasil survey ini, kita bisa melihat bahwa sebagian masyarakat lebih memilih untuk lebih mempercayai apa yang mereka amati dan alami sendiri dalam kehidupan sehari-hari daripada apa-apa yang dihasilkan oleh penelitian sains dan diajarkan di sekolah-sekolah. Mungkin juga ada sesuatu yang perlu kita diskusikan mengenai cara sains diajarkan di sekolah-sekolah.

Mana yang bisa kita percayai? Apabila kita memilih untuk lebih mempercayai apa-apa yang kita amati sehari-hari, apakah sains dengan demikian keliru? Sebaliknya, apakah penjelasan sains sudah mempertimbangkan relativitas gerak? Apakah kita tidak terlalu terburu-buru menerima begitu saja penjelasan otoritas, sehingga kita menafikan persepsi kita sendiri mengenai dunia di luar kita?

Penerimaan pandangan bahwa Bumi berotasi dan bergerak mengitari Matahari adalah sebuah perjalanan panjang, dan membutuhkan banyak motivasi: Mulai dari pengukuran posisi-posisi benda langit yang lebih cermat, teori ilmiah yang lebih komprehensif, dan penerimaan masyarakat pada ide-ide dan metode-metode sains. Orang bilang, “klaim yang luar biasa harus didukung oleh bukti yang luar biasa”. Dalam serial tulisan kali ini, kita akan mendiskusikan hal-ihwal pergerakan langit dan bagaimana kita tiba pada kesimpulan mengenai rotasi dan revolusi Bumi. Marilah kita mulai dengan mendiskusikan pergerakan benda-benda langit yang bisa diamati oleh siapapun dengan menggunakan mata telanjang, sebagaimana astronom-astronom jaman kuno melakukannya.

Gerak harian atau gerak diurnal bintang-bintang

Matahari terbit di timur, naik hingga ke atas kepala, lalu turun dan tenggelam di barat. Ini fakta dasar yang bisa kita amati sendiri. Di jaman modern yang penuh pencahayaan buatan ini, dan ketika lebih dari 50% penduduk dunia tinggal di daerah perkotaan yang penuh gemerlap lampu jalan, barangkali benda langit yang bisa kita kenali dengan mudah tinggal Matahari dan Bulan. Namun, jika kita pergi ke tempat-tempat yang bebas dari lampu kota, ketika Matahari terbenam dan malam tiba, bintang-bintang akan bermunculan dan pada cuaca cerah kita bisa mengamati ribuan hingga puluhan ribu bintang. Inilah kondisi langit sebagaimana diamati manusia pada jaman pra-industri. Bila kita mengamati posisi satu-dua bintang selama beberapa jam, kita bisa lihat bahwa bintang-bintang dan bulan juga berkelakuan seperti Matahari: Terbit di timur, naik hingga mencapai puncaknya, lalu turun dan tenggelam di barat. Kita bisa lihat di cakrawala barat, bintang-bintang akan terbenam, menyusul Matahari yang telah terbenam beberapa saat sebelumnya. Sebaliknya, di sisi yang berlawanan, di cakrawala timur, bintang-bintang baru akan bermunculan terbit. Pergerakan bintang di langit juga bisa kita lihat, apabila kita mengambil foto dengan waktu eksposur yang lama sekali, seperti pada Gambar 1.

Apabila kita mencatat posisi sebuah bintang dan jam saat bintang tersebut berada pada posisi tersebut, dan kembali mengamati langit pada malam berikutnya, kita akan melihat bahwa bintang yang sama akan berada pada posisi yang sama empat menit lebih awal dari malam sebelumnya. Inilah yang dinamakan satu hari sideris, yaitu waktu yang dibutuhkan sebuah bintang untuk kembali ke posisi yang sama. Apabila satu hari surya, yaitu waktu yang dibutuhkan Matahari untuk kembali ke posisi yang sama, lamanya 24 jam, satu hari sideris lebih pendek sekitar empat menit dari satu hari surya yaitu 23 jam 56 menit 4 detik.

Pada Gambar 1, kita juga bisa melihat adanya sumbu pergerakan bintang-bintang. Ada pusat rotasi pergerakan bintang-bintang, dan titik itu tidak bergerak. Titik pusat rotasi ini dinamakan kutub langit, dan ada sepasang: kutub langit selatan, yang ditampilkan pada Gambar 1, dan kutub langit utara. Di Bumi belahan Selatan, seperti di daerah Taman Nasional Bromo Tengger Semeru ini, kita tidak bisa melihat kutub langit utara karena terhalang oleh kelengkungan Bumi.

Posisi bintang-bintang relatif terhadap yang lain dapat dikatakan tetap, walaupun dalam skala ratusan tahun akan terasa ada perubahan posisi karena pergerakan bintang-bintang itu sendiri dan juga karena pergeseran sumbu rotasi Bumi, tapi marilah kita kesampingkan diskusi mengenai dua hal ini untuk lain waktu, dan mendiskusikan pergerakan Matahari. Bagi astronom pada masa pra-teleskop dan pengukuran yang teliti, posisi bintang-bintang latar ini menjadi acuan pergerakan benda-benda langit lainnya termasuk Matahari, Bulan, dan planet-planet.

Pergerakan Matahari

Apabila kita mengamati arah di mana Matahari terbit pada suatu pagi, dan pagi berikutnya kembali mengamati lokasi terbitnya Matahari, kita akan melihat bahwa Matahari tidak terbit pada lokasi yang sama, tetapi akan bergeser sedikit (Gambar 2). Bila kita amati terus lokasi terbitnya Matahari setiap pagi, dalam waktu 30 hari kita akan mengukur pergeseran sekitar 4 derajat. Matahari tentunya tidak akan bergeser terus-menerus hingga mencapai utara, tapi akan mencapai puncak pergeserannya sekitar tanggal 21 Juni. Pada hari ini, Matahari terbit pada arah sekitar 23.5 derajat ke Utara, diukur dari arah Timur. Peristiwa ini dinamakan Solstis Musim Panas atau Summer Solstice. Setelah tanggal ini, Matahari akan bergeser ke arah Selatan, hingga mencapai puncak pergeserannya sekitar tanggal 21 Desember, dalam peristiwa yang dinamakan Solstis Musim Dingin. Pada hari ini Matahari pada arah sekitar 23.5 derajat ke Selatan, diukur dari arah Timur. Dari titik ini, Matahari akan bergeser balik ke arah Utara dan siklus ini akan terulang kembali.

Dengan demikian ada dua macam gerakan Matahari yang bisa kita bedakan: Pertama, gerak harian yang menyerupai gerak bintang yaitu terbit di Timur dan tenggelam di Barat. Perubahan posisi relatif terhadap pengamat di Bumi ini yang menjadi definisi satu hari surya yang lamanya 24 jam. Kedua, gerak tahunan Matahari yaitu perubahan posisi Matahari relatif terhadap bintang-bintang latar yang posisinya satu sama lain relatif tak berubah. Jejak dari pergerakan tahunan ini dapat kita lihat dari mengamati pergeseran posisi Matahari terbit setiap pagi (atau posisi Matahari terbenam setiap sore), tapi beberapa saat menjelang Matahari terbit atau beberapa saat menjelang Matahari terbenam, bintang-bintang di sekitar Matahari masih dapat terlihat dan kita dapat mengukur posisi Matahari relatif terhadap bintang-bintang latar. Ternyata, setiap (kurang lebih) 365.25 hari surya, Matahari akan kembali ke posisi yang sama relatif terhadap bintang-bintang latar. Dengan demikian inilah definisi dari satu tahun yaitu waktu yang dibutuhkan Matahari untuk kembali ke posisi asal. Lamanya satu tahun ini tidaklah sama dengan jumlah hari yang bulat, dan kelebihan sebanyak seperempat hari inilah yang membuat kita menciptakan aturan tahun kabisat: Agar jumlah hari dalam periode tahunan ini akan menjadi bilangan bulat (Sebuah persoalan untuk didiskusikan lain waktu). (Bersambung)