Pada tahun 1905, Albert Einstein menerbitkan teori relativitas khusus,
yang menjelaskan bagaimana menafsirkan gerak pada kerangka acuan inersia
yang berbeda - yaitu, tempat-tempat yang bergerak dengan kecepatan
konstan relatif satu sama lain.
Einstein menjelaskan bahwa ketika dua
benda yang bergerak dengan kecepatan konstan sebagai gerakan relatif
antara dua benda, bukannya menarik bagi eter sebagai kerangka acuan
mutlak untuk mendefiniskan apa yang sedang terjadi. Jika Anda dan
beberapa astronot, Amber, yang bergerak dalam pesawat ruang angkasa yang
berbeda dan ingin membandingkan pengamatan Anda, yang penting adalah
seberapa cepat Anda dan Amber bergerak terhadap satu sama lain.
Relativitas khusus hanya mencakup
kasus khusus di mana gerak menjadi seragam. Gerakan ini menjelaskan
hanya jika Anda bergerak dalam garis lurus dengan kecepatan konstan.
Segera setelah Anda mempercepat atau melengkung – atau melakukan sesuatu
yang mengubah sifat gerak dengan cara apapun – relativitas khusus
dihentikan penggunaanya. Di situlah teori relativitas umum Einstein
masuk, karena dapat menjelaskan kasus umum dari segala macam gerak.
Teori Einstein didasarkan pada dua prinsip utama:
- Prinsip relativitas: Hukum-hukum fisika tidak berubah, bahkan untuk benda yang bergerak dalam kerangka acuan inersia (kecepatan konstan).
- Prinsip kecepatan cahaya: Kecepatan cahaya adalah sama untuk semua pengamat, terlepas dari gerakan mereka relatif terhadap sumber cahaya. (Fisikawan menulis kecepatan ini menggunakan simbol c.)
Penemuan Jenius Einstein adalah bahwa ia melihat percobaan dan
diasumsikan temuan itu benar. Ini adalah seperti kebalikan dari apa yang
fisikawan lain lakukan. Alih-alih menganggap teori itu benar dan bahwa
percobaan gagal, dia berasumsi bahwa percobaan yang benar dan teori
telah gagal.
(atas)
Anda melihat seberkas cahaya naik, memantul dari cermin, dan datang
langsung ke bawah. (Bawah) Amber melihat perjalanan sinar sepanjang
jalan diagonal.
Pada bagian akhir abad ke-19, fisikawan sedang mencari hal misterius yang disebut eter
– medium yang mereka yakini ada untuk gelombang cahaya ketika dilalui
gelombang. Kepercayaan pada eter telah menyebabkan kekacauan hal, dalam
pandangan Einstein, dengan memperkenalkan medium yang menyebabkan
hukum-hukum tertentu fisika untuk bekerja secara berbeda tergantung pada
bagaimana pengamat bergerak relatif terhadap eter. Einstein hanya
menghilangkan eter sepenuhnya dan diasumsikan bahwa hukum fisika,
termasuk kecepatan cahaya, bekerja sama terlepas dari bagaimana Anda
bergerak – persis seperti eksperimen dan matematika menunjukkan mereka
untuk terjadi!
Mempersatukan ruang dan waktu
Teori Einstein relativitas khusus menciptakan hubungan mendasar
antara ruang dan waktu. Alam semesta dapat dilihat sebagai memiliki
ruang tiga dimensi – atas / bawah, kiri / kanan, maju / mundur – dan
satu dimensi waktu. Ruang 4-dimensi ini disebut sebagai kontinum
ruang-waktu
.
Jika Anda bergerak cukup cepat melalui ruang, pengamatan yang Anda
buat tentang ruang dan waktu agak berbeda dari pengamatan orang lain,
yang bergerak dengan kecepatan yang berbeda.
Anda dapat membayangkan ini untuk diri sendiri dengan memahami
eksperimen pikiran digambarkan dalam gambar ini. Bayangkan bahwa Anda
berada di sebuah pesawat ruang angkasa dan memegang laser sehingga ujung
sinar cahaya langsung naik, membentur cermin Anda yang telah
ditempatkan di langit-langit. Sinar cahaya kemudian datang kembali dan
menyerang detektor.
Namun, pesawat ruang angkasa bergerak dengan kecepatan konstan
setengah kecepatan cahaya (0.5c, seperti fisikawan akan menulis itu).
Menurut Einstein, ini tidak membuat perbedaan untuk Anda – Anda bahkan
tidak bisa mengatakan bahwa Anda bergerak. Namun, jika astronot Amber
sedang memata-matai Anda, seperti di bagian bawah gambar, itu akan
menjadi cerita yang berbeda.
Amber akan melihat sinar cahaya Anda bergerak ke atas sepanjang jalur
diagonal, menumbuk cermin, dan kemudian melakukan perjalanan ke bawah
sepanjang jalan diagonal sebelum membentur detektor. Dengan kata lain,
Anda dan Amber akan melihat jalan yang berbeda untuk cahaya, yang lebih
penting, jalan mereka bahkan tidak sama panjang. Ini berarti bahwa waktu
sinar yang diperlukan untuk pergi dari laser ke cermin untuk detektor
juga harus berbeda untuk Anda dan Amber sehingga Anda berdua sesuai pada
kecepatan cahaya.
Fenomena ini dikenal sebagai dilatasi waktu, di mana waktu pada
sebuah kapal bergerak sangat cepat tampaknya melewati lebih lambat
daripada di Bumi.
Aneh seperti kelihatannya, contoh ini (dan banyak lainnya)
menunjukkan bahwa dalam teori relativitas Einstein, ruang dan waktu
sangat erat terkait bersama-sama. Jika Anda menerapkan persamaan
transformasi Lorentz, mereka bekerja diluar sehingga kecepatan cahaya
adalah hal yang konsisten untuk kedua pengamat.
Perilaku aneh ruang dan waktu hanya jelas ketika Anda sedang
bepergian mendekati kecepatan cahaya, sehingga tak seorang pun pernah
mengamati hal itu sebelumnya. Percobaan dilakukan sejak penemuan
Einstein ini telah mengkonfirmasi bahwa itu benar – waktu dan ruang yang
dirasakan berbeda, dengan cara yang persis dijelaskan Einstein, untuk
benda bergerak mendekati kecepatan cahaya.
Mempersatukan massa dan energi
Karya paling terkenal dari kehidupan Einstein juga dari tahun 1905
(tahun yang sibuk bagi dia), ketika ia menerapkan ide-ide kertas
relativitas untuk datang dengan persamaan E = mc2 yang mewakili hubungan antara massa (m) dan energi (E ).
Singkatnya, Einstein menemukan bahwa ketika sebuah benda mendekati
kecepatan cahaya, c, massa benda meningkat. Objek berjalan lebih cepat,
tetapi juga menjadi lebih berat. Jika itu benar-benar mampu bergerak
pada c, massa benda dan energi keduanya akan menjadi tak terbatas.
Sebuah benda yang lebih berat lebih sulit untuk mempercepat, sehingga
tidak mungkin untuk pernah benar-benar mendapatkan partikel sampai
dengan kecepatan c.
Sampai Einstein, konsep massa dan energi dipandang sebagai
benar-benar terpisah. Ia membuktikan bahwa prinsip-prinsip konservasi
massa dan konservasi energi merupakan bagian yang sama besar, prinsip
terpadu, kekekalan massa-energi. Materi dapat diubah menjadi energi dan
energi dapat berubah menjadi materi karena ada suatu hubungan mendasar
antara dua jenis zat.
Bukti Teori Relativitas Einstein
Global Positioning System (GPS)
Agar navigasi GPS dalam mobil berfungsi secara akurat, satelit -- yang menjadi pusat informasinya -- harus menggunakan relativitas dalam kerjanya.
Sebab, meski tak bergerak secepat kecepatan cahaya, namun satelit bergerak sangat cepat. Satelit juga mengirimkan sinyal ke stasiun Bumi. Stasiun-stasiun tersebut -- juga GPS dalam mobil Anda -- mengalami percepatan yang lebih tinggi akibat pengaruh gravitasi dari satelit di orbit.
Agar akurat, satelit menggunakan jam dengan akurasi hingga beberapa miliar detik (nanodetik). Karena satelit mengorbit pada ketinggian 12.600 mil atau 20.300 km di atas Bumi dan bergerak dengan kecepatan 6.000 mil/jam atau 10 ribu km/jam maka akan terjadi dilatasi waktu relatif sekitar 4 mikrodetik per hari. Ditambah efek gravitasi, dilatasi bisa bertambah sekitar 7 mikrodetik atau 7000 nanodetik.
Meski terlihat sepele, perbedaannya sangat nyata. Seandainya tak ada efek relativistik, informasi GPS yang menyebut jarak ke SPBU atau tempat pengisian BBM adalah 0,8 km. Pada hari berikutnya, di titik yang sama, GPS akan menyebut jaraknya menjadi 5 mil atau 8 km!
Elektromagnet
Magnet adalah efek relativistik. Dan kerja generator yang menghasilkan listrik adalah bukti nyata dari Teori Relativitas.
Kumparan kawat yang bergerak pada medan magnet bisa menghasilkan arus listrik. Partikel bermuatan dalam kawat dipengaruhi perubahan medan magnet -- yang memaksanya bergerak dan menghasilkan arus listrik.
Namun, saat kawat diam pada medan magnet, ternyata arus listrik masih timbul, bukan sebaliknya. Itu membuktikan tak ada kerangka acuan yang 'mutlak'.
Thomas Moore, dosen Fisika dari Pomona College di Claremont, California menggunakan prinsip relativitas untuk mendemonstrasikan Hukum Faraday, yang menyebut bahwa medan magnet yang berubah menimbulkan arus listrik, adalah benar.
"Karena itu adalah prinsip dasar trafo dan generator listrik, siapapun yang menggunakan listrik akan mengalami efek relativitas," kata dia.
Kumparan kawat yang bergerak pada medan magnet bisa menghasilkan arus listrik. Partikel bermuatan dalam kawat dipengaruhi perubahan medan magnet -- yang memaksanya bergerak dan menghasilkan arus listrik.
Namun, saat kawat diam pada medan magnet, ternyata arus listrik masih timbul, bukan sebaliknya. Itu membuktikan tak ada kerangka acuan yang 'mutlak'.
Thomas Moore, dosen Fisika dari Pomona College di Claremont, California menggunakan prinsip relativitas untuk mendemonstrasikan Hukum Faraday, yang menyebut bahwa medan magnet yang berubah menimbulkan arus listrik, adalah benar.
"Karena itu adalah prinsip dasar trafo dan generator listrik, siapapun yang menggunakan listrik akan mengalami efek relativitas," kata dia.
Warna Kuning Emas
Kebanyakan logam mengkilap karena elektron-elektron pada atomnya melompat dari tingkat energi atau 'orbital' yang berbeda.
Sejumlah partikel cahaya atau foton yang mengenai logam akan terserap dan dipancarkan kembali dengan gelombang yang lebih panjang.
Emas memiliki atom yang berat. Jadi, elektronnya bergerak cukup cepat dan membuat peningkatan massa relativistik yang signifikan. Sehingga, elektron berputar di sekitar inti atom atau nukleus dengan jalur yang lebih pendek, namun dengan momentum yang lebih besar.
Elektron dalam orbital membawa energi yang lebih dekat dengan energi elektron terluar, dan panjang gelombang yang bisa diserap dan dipantulkan lebih panjang.
Panjang gelombang cahaya yang lebih panjang berarti, sejumlah cahaya yang terlihat --yang biasanya hanya terefleksi -- juga terserap di ujung spektrum biru.
Cahaya putih adalah percampuran semua warna pembentuk pelangi. Namun, dalam kasus emas, saat cahaya terserap dan terpancar kembali dengan gelombang cahaya yang biasanya lebih panjang. Itu berarti percampuran cahaya yang kita lihat memiliki warna biru dan ungu yang kurang.
Sejumlah partikel cahaya atau foton yang mengenai logam akan terserap dan dipancarkan kembali dengan gelombang yang lebih panjang.
Emas memiliki atom yang berat. Jadi, elektronnya bergerak cukup cepat dan membuat peningkatan massa relativistik yang signifikan. Sehingga, elektron berputar di sekitar inti atom atau nukleus dengan jalur yang lebih pendek, namun dengan momentum yang lebih besar.
Elektron dalam orbital membawa energi yang lebih dekat dengan energi elektron terluar, dan panjang gelombang yang bisa diserap dan dipantulkan lebih panjang.
Panjang gelombang cahaya yang lebih panjang berarti, sejumlah cahaya yang terlihat --yang biasanya hanya terefleksi -- juga terserap di ujung spektrum biru.
Cahaya putih adalah percampuran semua warna pembentuk pelangi. Namun, dalam kasus emas, saat cahaya terserap dan terpancar kembali dengan gelombang cahaya yang biasanya lebih panjang. Itu berarti percampuran cahaya yang kita lihat memiliki warna biru dan ungu yang kurang.
Itu yang membuat emas berwarna kuning sebab kuning, oranye, dan merah memiliki gelombang lebih panjang dari biru.
Emas tak gampang berkarat
Efek relativistik pada
elektron emas adalah salah satu alasan mengapa logam itu tak berkarat
dan tidak gampang bereaksi terhadap segala sesuatu.
Emas hanya memiliki 1 elektron di kulit terluarnya, namun tak sereaktif kalsium atau lithium. Sebaliknya, elektron pada emas lebih 'berat' dari yang seharusnya dan lebih dekat dengan inti atomnya.
Emas hanya memiliki 1 elektron di kulit terluarnya, namun tak sereaktif kalsium atau lithium. Sebaliknya, elektron pada emas lebih 'berat' dari yang seharusnya dan lebih dekat dengan inti atomnya.
Merkuri atau raksa berbentuk cair
Meski
berstatus sebagai 'logam', merkuri atau raksa berbentuk cairan. Unsur
kimia yang memiliki simbol Hg itu juga punya atom yang berat -- seperti
halnya emas, dengan elektron yang berada dekat inti atau nucleus karena
penambahan kecepatan dan massa.
Pada merkuri, ikatan antar atomnya sangat lemah, sehingga zat tersebut gampang meleleh pada temperatur yang lebih rendah. Kita biasanya melihatnya sebagai cairan
Pada merkuri, ikatan antar atomnya sangat lemah, sehingga zat tersebut gampang meleleh pada temperatur yang lebih rendah. Kita biasanya melihatnya sebagai cairan
Televisi
Beberapa tahun lalu, kebanyakan
televisi dan monitor memiliki layar tabung sinar katoda -- yang bekerja
dengan cara menempakkan elektron pada permukaan fosfor dengan magnet
besar.
Masing-masing elektron menyalakan pixel saat mengenai belakang layar dan memunculkan gambar bergerak hingga 30 persen kecepatan cahaya. Dalam kasus tersebut, efek relativistik terlihat jelas adanya.
Masing-masing elektron menyalakan pixel saat mengenai belakang layar dan memunculkan gambar bergerak hingga 30 persen kecepatan cahaya. Dalam kasus tersebut, efek relativistik terlihat jelas adanya.
Cahaya
Jika teori Isaac Newton benar, maka niscaya penjelasan tentang cahaya yang kita miliki akan berbeda sama sekali.
"Tak hanya magnetik, cahaya pun tak akan ada. Sementara relativitas mengharuskan adanya perubahan medan elektromagnetis pada kecepatan yang terbatas, bukan seketika," kata Moore.
Jika persyaratan itu tak ada, perubahan pada medan listrik akan terjadi seketika, bukan melalui gelombang elektromagnetik -- di mana manetik dan cahaya tak akan diperlukan.
"Tak hanya magnetik, cahaya pun tak akan ada. Sementara relativitas mengharuskan adanya perubahan medan elektromagnetis pada kecepatan yang terbatas, bukan seketika," kata Moore.
Jika persyaratan itu tak ada, perubahan pada medan listrik akan terjadi seketika, bukan melalui gelombang elektromagnetik -- di mana manetik dan cahaya tak akan diperlukan.
Pembangkit Tenaga Nuklir dan Supernova
Relativitas
adalah salah satu alasan di mana massa dan energi bisa dikonversi
menjadi satu sama lain -- yang menjelaskan bagaimana pembangkit listrik
tenaga nuklir (PLTN) beroperasi, juga mengapa Matahari menyinari siang.
Efek lain yang tak kalah penting adalah ledakan supernova: sinyal
kematian sebuah bintang.
"Supernova ada karena efek relativistik melampaui efek kuantum dalam inti bintang yang besar, yang memungkinkan bintang itu meledak secara tiba-tiba dan menjadi bintang neutron yang jauh lebih kecil dan lebih keras," kata Moore.
Saat supernova, lapisan luar bintang merangsek masuk ke inti dan memicu ledakan raksasa yang menciptakan elemen yang lebih berat dari besi.
Jika tak ada relativitas, bintang-bintang raksasa yang menua tak akan meledak dan menjadi katai putih (white dwarf).
Katai putih dianggap sebagai titik akhir dari evolusi suatu bintang dan merupakan inti bintang di mana reaksi fusi berlangsung. Atau dengan kata lain, bentuk akhir bintang setelah terbakar habis alias mati.
"Supernova ada karena efek relativistik melampaui efek kuantum dalam inti bintang yang besar, yang memungkinkan bintang itu meledak secara tiba-tiba dan menjadi bintang neutron yang jauh lebih kecil dan lebih keras," kata Moore.
Saat supernova, lapisan luar bintang merangsek masuk ke inti dan memicu ledakan raksasa yang menciptakan elemen yang lebih berat dari besi.
Jika tak ada relativitas, bintang-bintang raksasa yang menua tak akan meledak dan menjadi katai putih (white dwarf).
Katai putih dianggap sebagai titik akhir dari evolusi suatu bintang dan merupakan inti bintang di mana reaksi fusi berlangsung. Atau dengan kata lain, bentuk akhir bintang setelah terbakar habis alias mati.
IKLAN