Jelaskan apa yang kalian tahu tentang teori relativitas khusus?

Table of Contents Show

Relativitas Newton
Percobaan Michelson-Morey
Relativitas Khusus
Postulat Relativitas Khusus
Dilatasi Waktu
Massa Relativistik
Kontraksi Panjang
Contoh Soal
Video yang berhubungan

Relativitas khusus merupakan suatu konsep fisika yang membahas bahwa sesuatu itu relatif terhadap sudut pandang yang mengamati. Tahukan kalian bahwa penemuan bukti relativitas ini oleh ilmuwan yang sedang mengukur partikel meson ternyata mendapatkan partikel muon. Partikel muon sendiri dapat bergerak dari kosmik ke bumi melebihi waktu hidupnya. Hal tersebut dikarenakan adanya dilatasi waktu yang dialami oleh muon karena bergerak mendekati kecepatan cahaya.

Relativitas Newton

Relativitas Newton mengatakan bahwa jika hukum newton berlaku pada suatu kerangka inersia, maka hukum newton juga akan berlaku pada kerangka inesia lain yang bergerak secara konstan relatif terhadap kerangka utama[1]. Mari kita pahami dengan ilustrasi berikut

Gambar 1 Konsep transformasi galilean pada relativitas Newton[2]

Saat pemain A melempar bola secara parabolik, pemain B dapat melihat seolah-olah bola bergerak secara vertikal karena kerangka pemain B bergerak. Namun untuk pemain A, jika ingin menghasilkan visualisasi yang sama dapat dilakukan dengan melempar bola secara vertikal ke atas. Jika kerangka pemain B diam, maka pemain B dapat melihat bola yang bergerak secara parabolik dari pemain A. Intinya yaitu semua pengamat dapat melihat fenomena yang sama meskipun kerangka inersianya berbeda.

Percobaan Michelson-Morey

Michelson-Morey melakukan keberadaan eter di alam pada tahun 1887. Keberadaan eter sendiri merupakan gagasan mengenai perantara suatu gaya atau gelombang saat melakukan perambatan. Percobaan ini dilakukan menggunakan interferometer. Konsep yang digunakan yaitu interferensi dari gelombang. Jika dua gelombang dengan fase yang sama saling bertemu maka intensitasnya akan meningkat sedangkan jika fasenya berlawanan maka intensitasnya akan menjadi nol atau hilang.

Gambar 2 Interferometer Optik oleh Michelson

Seperti pada gambar di atas, interferometernya disusun dari beam splitter yang digunakan untuk memantulkan cahaya serta dua cermin dimana cermin bagian kanan dimiringkan untuk mengubah fase dari gelombang. Misal arah dari eter dari bawah ke atas, hal ini mengakibatkan gelombang yang bergerak ke arah sumbu-y positif akan bergerak mengikuti arah eter positif, sedangkan saat kembali akan bergerak mengikuti arah eter negatif.

Pada bagian yang terpantul, gelombang akan dipantulkan sehingga berubah fase pada beam splitter. Karena eter bergerak secara vertikal ke sumbu-y positif, pergerakan dari gelombang dipengaruhi dan terjadi pembelokan sedikit. Dari hasil eksperimen yang dilakukan didapat bahwa tidak ditemukan interferensi apapun pada perambatan gelombang cahaya. Eksperiman yang bertujuan untuk membuktikan keberadaan eter justru menjadi bukti bahwa eter itu tidak ada. Percobaan ini pun menjadi salah satu percobaan paling fenomenal mengenai pembuktian bahwa teori sebelumnya tidak benar dan kunci untuk teori relativitas Einstein.

Relativitas Khusus

Menurut Britannica, Relativitas Khusus merupakan bagian dari teori relativitas yang dikemukakan oleh Albert Einstein yang berhubungan mengenai objek yang bergerak terhadap kerangka inersia referensi. Teori ini juga menyatakan bahwa partikel yang bergerak pada kecepatan mendekati kecepatan chaya dapat mempengaruhi waktu di sekitarnya[3].

Postulat Relativitas Khusus

Hukum fisika memiliki bentuk yang sama pada semua kerangka inersia referensi yang bergerak secara konstan.
Kecepatan cahaya sama pada ruang hampa memiliki nilai yang sama pada semua kerangka inersian referensi. m/s atau m/s.

Untuk postulat pertama, contohnya yaitu jika kita mengamati seseorang yang sedang berada di dalam mobil dengan kecepatan 60 km/jam. Dari sudut pandang kita yang diam, orang di dalam mobil lah yang mendekati dengan kecepatan 60 km/jam. Sedangkan dari sudut pandang orang di mobil, kita lah yang bergerak mendekati dengan kecepatan 60 km/jam.

Pada postulat kedua menjelaskan bahwa benda bergerak tidak akan melebihi kecepatan cahaya. Contohnya yaitu jika kita bergerak mengelilingi bumi dengan kecepatan cahaya kemudian melemparkan bola ke depan dengan kecepatan cahaya. Dari sudut pandang pengamat yang diam di bumi, bola tersebut bergerak hampir mendekati kecepatan cahaya. Hal itu yang menjadi keunikannya.

Dilatasi Waktu

Dari pengamatan, jika suatu benda bergerak dengan kecepatan relativistik atau mendekati kecepatan cahaya maka seolah-olah waktu bergerak lebih cepat dari sudut pandang yang bergerak dan waktu akan melambat.

dimana

adalah waktu yang ditinjau dari kerangka referensi lain

adalah waktu yang ditinjau dari kerangka referensi pengamat

adalah kecepatan benda bergerak

adalah kecepatan cahaya

Massa Relativistik

Konsep dari massa relativistik yaitu saat benda bergerak dengan cepat hingga mendekati kecepatan cahaya maka massa benda tersebut akan meningkat. Berdasarkan dari konsep relativitas khusus, benda yang bergerak dengan sangat cepat cepat akan menghasilkan inersia. Semakin cepat benda bergerak maka inersianya pun akan semakin besar. Karena inersia berhubungan dengan energi kinetik sedangkan kecepatannya konstan maka yang mengalami perubahan adalah massa.

dimana

adalah massa relativistik

adalah massa diam (rest mass)

adalah kecepatan benda bergerak

adalah kecepatan cahaya

Kontraksi Panjang

Kontraksi panjang merupakan fenomena yang terjadi jika pada benda jika pengamat bergerak pada kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Semakin cepat pergerakan dari pengamat maka panjang dari benda yang diamati akan semakin pendek. Konsep ini didasari dari Transformasi Lorentz terhadap kerangka inersia yang bergerak.

dimana

adalah panjang yang diamati

adalah panjang awal

adalah kecepatan benda bergerak

adalah kecepatan cahaya

Contoh Soal

Muon bergerak dalam laboratorium dengan kecepatan 0,8c. Waktu yang ditempuh muon sebelum berubah menjadi partikel lain pada kerangka diam adalah s. Tentukan jarak yang ditempuh muon di laboratorium tersebut.

Jawab:

Pertama ditentukan waktu yang mengalami dilatasi,

dengan

Didapatkan bahwa

Jarak yang ditempuh yaitu

Video mengenai relativitas khusus:

Referensi

[1] R. DiSalle, “Absolute space and Newton’s theory of relativity,” Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Phylosophy of Modern Physics, vol. 71, pp. 232-244, 2020.

[2] Basic Physics, “R2. Transformations: Galilean And Lorentz,” [Online]. Available: http://www.basic-physics.com/r2-transformations-galilean-and-lorentz/. [Diakses 2021 Januari 13].

[3] “special relativity | Definition & Equation,” Encyclopedia Britannica, 2021. [Online]. Available: https://www.britannica.com/science/special-relativity. [Diakses 2121 Januari 13].

Jakarta, CNN Indonesia -- Einstein sangat terkenal dengan berbagai pemikirannya yang revolusioner. Salah satu pemikiran terbesarnya adalah teori relativitas. Sebagai penemu teori relativitas, ia berkontribusi dalam mengubah pandangan serta pemahaman banyak orang mengenai konsep ruang dan waktu hingga saat ini.Tetapi apa itu teori relativitas dan mengapa menjadi penting bagi perkembangan sains?
Teori relativitas (theory of relativity) digaungkan pertama kali 103 tahun lalu, tepatnya pada 1916. Kemudian menjadi gagasan yang paling revolusioner dalam sejarah dan menjadi lompatan besar atas hukum gravitasi yang sebelumnya digagas oleh Sir Isaac Newton pada 1687. Menurut Direktur Institut Kavli untuk Fisika Kosmologis Michael Turner, Einstein percaya bahwa ruang dan waktu tidaklah ajeg, melainkan merupakan fenomena yang fleksibel, relatif, dan dinamis seperti proses alam semesta lainnya.

"Terdapat lengkungan ruang dan waktu (spacetime warp), dan itu adalah cara yang sama sekali baru dalam memandang gravitasi," ujar Turner dilansir AFP.

Sederhananya, melalui teori ini menjelaskan bahwa hukum fisika akan selalu sama dan konstan di mana pun. Namun sesuatu yang terjadi pada ruang dan waktulah yang membuatnya berbeda.Melalui pandangan yang berbeda akan menghasilkan ruang dan waktu kejadian secara berbeda pula. Semua hal tersebut sifatnya relatif.

Ruang dan waktu terjalin menjadi sebuah kontinum tunggal yang dikenal sebagai ruang-waktu (spacetime). Peristiwa yang terjadi pada saat yang sama untuk satu pengamat dapat terjadi pada waktu yang berbeda untuk yang lain.

Ruang dan waktu

Ruang-waktu bukanlah sesuatu yang biasa kita bicarakan seperti atas-bawah, kiri-kanan, depan-belakang dan terpisah dari waktu. Menurut teori ini, ruang-waktu nyatanya bukan hal yang terpisahkan.Ruang dan waktu saling erat terhubung dan berpaut: ketika ruang membengkok atau meregang maka akan memengaruhi waktu. Sementara membengkoknya atau meregangnya ruang-waktu menjadi penyebab atas terjadinya gravitasi di alam semesta.Pada dasarnya, Einstein menganggap ruang dan waktu terjalin bak 'uluran selimut' yang tak terbatas panjangnya. Sebuah objek besar seperti Matahari dapat membengkokkan 'selimut ruang-waktu' dengan gravitasinya, sehingga cahaya tidak lagi bergerak dalam garis lurus saat melewati Matahari.

Bahkan faktanya setiap bit (unit satuan terkecil) materi, termasuk diri manusia pun dapat membelokkan ruang-waktu di sekitarnya--menciptakan gravitasinya sendiri meskipun sangat kecil. Akan tetapi, gravitasi hanya bekerja di ruang dan bidang datar.

Pada skala besar seperti bintang, hukum Newton tidak dapat berlaku karena bintang dapat membengkokkan dan meregangkan ruang sehingga ruang, waktu, dan cahayalah yang sangat berpengaruh. Bahkan planet berukuran sedang seperti Bumi dapat melengkungkan ruang yang cukup untuk mempengaruhi waktu.Tanpa hukum matematika yang diturunkan Einstein itu kita tidak akan memiliki cara untuk memprediksi atau menjelaskan perilaku dan membentuk alam semesta ini.Untuk memahami lebih jelas mengenai cara kerja teori relativitas, berikut 5 hal konkret yang dapat membantu untuk memahami konsep 'ajaib' Einstein tersebut.

1. GPS

Global Positioning System atau GPS adalah sistem navigasi radio berbasis ruang yang membantu menentukan posisi tiga dimensi yakni lintang, bujur, dan ketinggian dengan akurasi tinggi serta memberikan perkiraan waktu tepat. (Foto: Dok.www.gps.gov)

Dengan kecanggihan teknologi saat ini membuat siapa saja mudah bepergian tanpa perlu takut tersesat. GPS ternyata tidak sekadar kartografi digital untuk menunjukkan arah dan tempat. Ada penghitungan besar dan pembuktian teori relativisme Einstein di balik akurasi sistem kerja GPS.Kerja GPS bergantung pada satelit yang mengorbit tinggi di atas kita. Gravitasi bumi lebih lemah sehingga membuat waktu berjalan lebih lambat. Hal ini disebabkan lengkungan ruang-waktu lebih besar akibat dari massa bumi, sedangkan semakin jauh dari bumi lengkungan ruang-waktu lebih besar dan waktu berjalan lebih cepat.

Nah, jam atom (atomic clocks) yang dipasangkan pada satelit berjalan 45 juta detik lebih cepat setiap harinya daripada waktu di Bumi. Itu bukan karena jam di satelit kurang akurat ketika berada di ruang angkasa, melainkan waktu berlalu dengan kecepatan yang berbeda dengan di Bumi.

Jika GPS tidak memiliki relativitas (tidak disesuaikan secara akurat untuk memperhitungkan perbedaan waktu ini) di dalam teknologinya, GPS akan tidak berfungsi sebagaimana mestinya dan bisa memandu Anda berkilometer-kilometer jauhnya. Meleset sepersatu juta detik saja ketika sinyal satelit disinkronkan, koordinat GPS akan menjauh lebih dari 10 kilometer.

2. Orbit Merkurius

Menurut teori relativitas Einstein, Matahari bisa 'melengkungkan' ruang-waktu tata surya. Sebagai planet terdekat dengan Matahari, jalur orbit Merkurius terganggu oleh massa Matahari. 'Cacat kecil' ini sudah disadari oleh para astronom hampir dua abad sebelumnya. (Foto: Dok. NASA/Carnegie/JHUAPL)

Orbit Merkurius sedikit agak aneh dan tidak seperti planet lain. Terdapat ahli matematika abad ke-19 satu-satunya yang menjelaskan kekusutan itu. Melalui teorinya, Merkurius ditarik oleh sesuatu yang lain--seperti gravitasi dari planet lain di dekatnya, di suatu tempat antara Merkurius dan Matahari.Tetapi Vulcan, planet yang diusulkan itu nyatanya tidak pernah ditemukan. Kemudian dikatakan bahwa Merkurius bergerak melalui ruang yang dibengkokkan oleh massa Matahari yang sangat besar. Efeknya tidak terlihat pada orbit planet lain karena ruang semakin sedikit melengkung semakin jauh Anda pergi dari Matahari.Teori relativitas umum akhirnya dapat menjelaskan dengan sempurna bahwa gerakan-gerakan Merkurius terganggu oleh massa objek yang lebih besar yakni Matahari, sehingga pengujian pertama teori tersebut terbukti.
3. Teori Big Bang

Menurut teori Big Bang, alam semesta berawal dari ukuran yang kecil dengan keadaan yang sangat panas dan sangat padat. Alam semesta kemudian mengembang secara terus-menerus hingga saat ini. (Foto: dok. commons.wikimedia.org/NASA/PublicDomain)

Relativitas mengatakan bahwa ketika ruang-waktu membentang di sekitar objek besar, cahaya yang menjelajah ruang-waktu itu juga meregang dan sedikit bergeser warnanya.Pergeseran warna ini disebut pergeseran merah kosmologis (merah adalah warna dengan panjang gelombang terpanjang) dan tingkat pergeseran merah dalam cahayanya memungkinkan kita mengukur seberapa jauh galaksi lain berada.

Bahkan ada seorang pendeta Belgia yang juga ahli astrofisika bernama Georges Lemaître mampu melacak galaksi-galaksi yang mengembang itu berpusat ke satu titik asal alam semesta. Gagasan inilah yang kemudian dikenal sebagai teori Big Bang.

4. Lubang hitam (black hole)

Lubang hitam diibaratkan seperti 'monster' yang melahap segala sesuatu yang ada di semesta dan tak ada yang bisa lepas dari tarikan gravitasinya. (Foto: NASA/CXC/M.Weiss)

Einstein pernah meramalkan bahwa di akhir kehidupan nanti bintang-bintang akan runtuh karena gravitasi mereka sendiri. Lapisan luar bintang (circumstellar envelope) akan meledak dalam supernova sementara bagian inti akan membentuk benda yang sangat padat yang dikenal sebagai bintang neutron atau pulsar yang berputar cepat.

Mereka bahkan bisa berubah menjadi lubang hitam (black hole). Lubang hitam adalah ruang dengan daya gravitasi yang sangat kuat bahkan kecepatan cahaya pun tak bisa menghindarinya dan merusak ruang-waktu.

Sisa-sisa bintang mati yang sangat padat ini sangat kecil namun gravitasinya sangat kuat, sehingga kecepatan lebih besar daripada kecepatan cahaya. Sayangnya lubang hitam hanya terlihat seperti sesuatu yang hitam dan tidak memantulkan cahaya. Temperatur lubang hitam berkisar miliaran kelvin untuk sehingga mustahil untuk diamati.
5. Matahari menghambat sinyal radio

Prediksi relativitas Einstein mengklaim bahwa cahaya dibelokkan (terdefleksi) oleh gravitasi matahari. Hasilnya memang terjadi keterlambatan dalam transmisi cahaya di dekat Matahari karena alasan geometris (Foto: SplitShire)

Pesawat ruang angkasa pengeksplorasi planet juga menunjukkan bahwa Einstein benar mengenai relativitas umumnya. Karena pesawat ruang angkasa berkomunikasi dengan bumi menggunakan cahaya dalam bentuk gelombang radio, berpeluang besar untuk membuktikan apakah gravitasi matahari dapat mengubah jalur cahaya.Pada 1970, Jet Propulsion Laboratory NASA mengumumkan bahwa Mariner VI dan VII telah melakukan percobaan menggunakan sinyal radio. Menggunakan Deep Space Network (DSN) NASA, peneliti mengukur waktu yang dibutuhkan untuk mentransmisikan sinyal radio dari antena DSN di Goldstone, California, ke pesawat ruang angkasa kemudian mengembalikannya lagi.

Tepat seperti perkiraan Einstein, ada keterlambatan (delay) dalam total waktu transmisi pulang-pergi akibat gravitasi Matahari. Untuk Mariner VI, keterlambatan maksimum adalah 204 mikrodetik. Meskipun kurang dari satu detik, namun hampir persis dengan yang diantisipasi oleh teori Einstein.

Dengan teori relativitas itulah memungkinkan kita membuat prediksi tentang alam semesta dan mengubah konsep tentang kosmos menjadi sains. (dib/fef)