selasar-loader

Bagaimana menjelaskan dengan mudah teori relativitas Einstein?

LINE it!
Answered Apr 30, 2017

Naufan Nurrosyid P
Pernah menjadi tukang bebersih di Lab TheoComp ITB

om0reiL7KjjIZWUTT5VGDTxZwc1UWX5u.gif

Teori relativitas Einstein menjadi sangat menarik untuk dibicarakan mengingat teori inilah yang menggantikan pandangan klasik terhadap ruang dan waktu milik Newton. Teori relativitas Einstein mempunyai daya magis tersendiri.

Begitu indah, tetapi juga tabu untuk dibicarakan oleh mayoritas pelajar muda di berbagai belahan dunia, tidak hanya di Indonesia. Seperti kebanyakan promosi dalam mempelajari ilmu Fisika, teori relativitas Einstein juga merupakan jawaban dari fenomena-fenomena yang terlihat tidak jelas di alam semesta.

Fisika selalu menjadi jawaban atas fenomena alam yang dapat diterjemahkan melalui bahasa paling universal di dunia, Matematika. Itulah mengapa kita diwajibkan untuk menghitung kecepatan bola dengan berat jenis 20 gram/m3 dan diameter 1.52 mm  yang menggelinding pada "selorotan" licin sempurna dengan sudut 30 derajat. Ya, agar kita bisa menyamakan jawaban dengan teman sebelah. Haha!

Kembali pada teori relativitas Einstein dan bagaimana cara termudah untuk mengajarkannya, itu tergantung pada teman diskusi kita. Jika kita ingin mengajarkannya kepada anak-anak kita yang baru belajar tentang alat reproduksi tumbuhan, teman sebaya yang sekedar ingin tahu, atau pada diri sendiri agar tampak beberapa tingkat lebih keren, maka sampaikan terlebih dahulu teori Relativitas khusus Einstein.

Sangat tidak dianjurkan untuk langsung menginjakkan kaki pada teori relativitas umum Einstein, karena sejatinya teori tersebut adalah generalisasi dari teori relativitas khusus. Itu berarti akan lebih kompleks.

Namun, ketika teman diskusi kita adalah pecinta fisika yang telah menjadi anggota pelatnas sejak SMA dan kini sedang menjalankan program PhD di bidang astrofisika, maka Anda tidak perlu membaca tulisan ini.

Okay, saya asumsikan kita sedang berada pada kasus pertama, cara terbaik untuk menjelaskan teori relativitas khusus Einstein pada teman diskusi kita adalah dengan imajinasi. Ya, Imajinasi!

Pernahkah terbayangkan bagaimana ilmuwan fisika saat itu melahirkan ide-ide gila untuk fisika modern? Orang-orang macam Lorentz, Maxwell, ataupun Schroodinger, tidak hanya bereksperimen melalui alat-alat listrik sederhana, susunan kapasitor dan resistor dalam sebuah sirkuit kecil, sinar infra merah dan batu beradiasi.

Mereka juga menggunakan laboratorium ultra-canggih miliknya yang terus dibawa dan diasah dengan baik. Mereka menggunakan imajinasi mereka sebagai laboratorium tempat mereka bertanya dan mencari jawabnya, sangat menarik bukan? Bahkan Albert Einstein pernah mengabadikannya dengan ungkapan, "The true sign of Intellegence isn't knowledge, but imagination"

Oleh sebab itu, kita akan coba ilustrasikan dalam benak kita bagaimana imajinasi bisa mempermudah penjelasan teori relativitas Einstein. Here we go!

Pengukuran Gerak Bersifat Relatif

Relatif berarti tidak absolut. Einstein melahirkan konsep cantik ini untuk menjelaskan berbagai hal mengagumkan, yang biasanya dipakai dalam film fiksi ilmiah kekinian.
Untuk menjelaskan konsep ini, bayangkan teman kita yang bernama Madrid dan Barca sedang bermain tenis meja di dalam kereta api yang bergerak ke arah timur dengan kecepatan 20 m/s.

Madrid dan Barca saling memukul bola tersebut dengan kecepatan yang sama persis, yaitu 2 m/s. Madrid berada di barat meja, sedangkan Barca ada di sebelah timur meja. Di luar kereta, berdirilah Celsi yang sedang mengamati gerakan bola tersebut. Saat kereta melewatinya (dari arah barat ke timur), Celsi melihat bola yang mengarah ke Madrid memiliki kecepatan 18 m/s, sedangkan bola yang menuju Barca sebesar 22 m/s. Padahal di dalam kereta, baik Madrid dan Barca melihat bola dengan kecepatan hanya 2 m/s.

Fenomena tersebut terjadi karena Celsi melihat bola yang bergerak di dalam kereta, sedangkan dua temannya menganggap kereta diam, karena mereka sedang di dalam sistem pengukuran, yaitu di dalam kereta. Dengan demikian gerak suatu benda bersifat relatif tergantung pada kecepatan dan arah gerak pengamat.

Cahaya Bergerak dengan Kecepatan Konstan

Berikutnya, fakta menarik tentang kecepatan cahaya yang bersifat konstan.
Dahulu kala, dua orang ilmuwan bernama Michelsen dan Morley ingin mengetahui seberapa cepat bumi bergerak di ruang angkasa dengan cara mengukur kecepatan cahaya. Bagaimana bisa?

Coba bayangkan kita sedang berada di tengah hujan yang bergerak menuju timur. Kemudian Anda memutuskan untuk berlari membelakangi badai, menuju arah timur. Maka tumbukan hujan yang mengenai tubuh Anda tidak akan sesakit saat Anda berlari menuju arah datangnya badai. Mirip dengan kasus Celsi sebelumnya, ketika Anda berlari membelakangi hujan, laju hujan yang menumbuk badan Anda relatif lebih lambat terhadap Anda. Dan tentu ketika Anda lari menuju hujan, kecepatannya menjadi relatif lebih cepat terhadap Anda. 

Saat itu, ilmuwan berpikir bahwa cahaya bertindak layaknya hujan. Mereka berpikir jika bumi bergerak melingkari matahari, dan matahari juga bergerak dalam galaksi, maka kecepatan bumi dapat ditentukan dengan mengamati perubahan kecepatan cahaya dari bumi.

Setelah melakukan pengamatan, mereka mendapatkan hasil yang sangat mengejutkan, bahwa tidak ada perubahan kecepatan cahaya yang berhasil diamati, itu berarti cahaya bergerak dengan kecepatan tetap. 

Sangat aneh bila kita kembailkan konsep tersebut seperti saat Anda berada di tengah hujan. Sangat aneh bila rasa sakit akibat tumbukan hujan akan tetap, saat Anda bergerak secepat yang Anda bisa, entah saat bergerak searah hujan atau berlawanan.

Saat itu para ilmuwan kita bersimpulan bahwa cahaya berbeda dengan hujan, cahaya akan bergerak dengan kecepatan tetap tidak peduli arah dan kecepatan pengamat. Sekali lagi, kecepatan cahaya akan selalu tetap. Light the Badass!

Melambatnya Waktu

Einstein dan Lorentz akhirnya menemukan satu satunya cara agar fakta bahwa kecepatan cahaya yang bersifat konstan dapat dijelaskan. Hal tersebut hanya mungkin terjadi ketika waktu melambat. Menarik bukan? Mari kita berimajinasi lagi.

Bayangkan ketika waktu kita diperlambat. kita tidak akan merasakannya dan kita tidak akan sadar bahwa diri kita melambat. Hal yang bisa disadari adalah semua di sekitar kita kini bergerak semakin cepat. Jadi, mari kita kembali ke tengah hujan.

Bayangkan Anda yang berada di tengah hujan tadi berlari menuju hujan, tetapi ternyata waktu milik Anda sedang diperlambat. Maka kecepatan hujan seakan-akan dipercepat, padahal hujan bergerak dengan kecepatan yang sama. Hanya saja Anda menjadi lebih lambat bila dibandingkan hujan. Dengan demikian bisa dijelaskan dalam bayangan kita, bagaimana rasa sakit akibat dentuman hujan akan terasa sama saat Anda bergerak baik menjauh atau mendekatinya.

Ilmuwan kemudian menyebutnya sebagai dilatasi waktu. Tidak peduli seberapa cepat kita bergerak, maka waktu kita akan melambat sehingga kecepatan cahaya akan tetap konstan.
Jadi ketika Anda terbang dengan roket yang sangat cepat, maka waktu di sekitar Anda  melambat tanpa Anda sadari.

Ketika Anda kembali ke Bumi, Anda akan menemukan adik Anda sudah menjadi kakek, karena waktu berjalan normal untuk adik Anda. Konsep ini lah yang digunakan untuk film Interstellar atau soal-soal ujian SMA saat menebak umur astronot.

Jadi, mungkin ini yang terjadi ketika kita berada dengan sang kekasih. Waktu terasa begitu cepat karena cinta bergerak sangat lambat dibandingkan kecepatan cahaya. Ya, cinta terikat erat diantara kami sehingga ia enggan bergerak. #ea

Suatu Fenomena Tidak Terjadi Secara Bersamaan

Selain melambatnya waktu, Einstein juga mengemukakan akibat dari kecepatan cahaya yang bersifat konstan bahwa ketika seseorang menemukan bahwa dua hal terjadi bersamaan, maka bisa jadi orang lain melihatnya sebagai hal yang tidak terjadi bersamaan. Hal yang menarik adalah pendapat kedua orang tersebut sama-sama benar!

Sekarang, bayangkan Siti sedang berada di sebuah kamar berbentuk persegi dan terbuat dari kaca, dan ingin menyalakan sebuah lampu tepat di tengah-tengah kamar tersebut. Asumsikan bahwa saat ini cahaya bergerak sangat lambat (namun tetap konstan, 'tak peduli apapun) sehingga kita dapat mengamati pergerakannya. Saat Siti menyalakan lampu tersebut, berlahan cahaya merambat dan menumbuk dinding sebelah kanan dan kiri secara bersamaan.

Sekarang, bayangkan teman Siti yang bernama Emzu bergerak menggunakan mobil dari arah timur ke barat dan melewati kamar Siti. Keadaan ini membuat seolah olah kamar menjauhi Emzu, dengan posisi dinding sebelah kanan lebih jauh dari pada sebelah kiri. Karena kecepatan cahaya konstan, maka yang dilihat Emzu yang sedang menjauhi kamar Siti adalah cahaya akan membentur dinding sebelah kiri terlebih dahulu, baru kemudian sebelah kanan.

Baik Siti dan Emzu, keduanya benar. Konsep ini membawa ilmuwan sepakat bahwa gerak benda secara stimultan bersifat relatif, sesuai dengan perspektif pengamat. Oleh sebab itu jika Anda mengukur dua hal dapat memiliki nilai yang sama, orang lain yang mengukur dengan bergerak pada arah dan kecepatan tertentu bisa memiliki hasil yang berbeda.

Jadi, jangan berantem ya walupun beda pendapat.

Semakin Cepat Benda Bergerak, Semakin Pendek Dia!

Efek lain dari sifat cahaya yang bergerak dengan kecepatan konstan, adalah ketika benda bergerak semakin cepat, maka benda tersebut menjadi semakin pendek.
Kembali kita imajinasikan keadaan yang sama pada Siti. Namun, kini ia berada pada sebuah gerbong kereta. Jika kita asumsikan bahwa cahaya dapat menempuh jarak 1 meter per detik, maka Siti dapat mengukur panjang kereta dengan cara memperkirakan waktu tempuh cahaya dari lampu ke dinding-dinding gerbong.

Jika setelah lampu yang berada di pusat gerbong dinyalakan, 5 detik kemudian cahaya menumbuk dinding depan dan belakang gerbong. Berdasarkan waktu tersebut, panjang kereta adalah 10 meter. Kemudian berdirilah Emzu di luar kereta menyaksikan gerbong Siti melewatinya. Emzu yang berdiri diam, menyaksikan cahaya yang merambat dari lampu akan mengenai dinding bagian belakang terlebih dahulu, kemudian baru bagian depan. Dan proses tersbut lebih cepat, mengingat kereta bergerak cukup cepat meninggalkan Emzu.

Pengukuran Emzu akan lebih kecil dibandingkan pengukuran Siti. Namun berdasarkan teori relativitas Einstein, baik Emzu maupun Siti sama-sama benar. Kita akan mendapatkan pengukuran lebih kecil ketika benda yang kita amati bergerak dengan kecepatan yang sangat besar. Tapi ingat, sama seperti fenomena di dilatasi waktu, ketika kita melakukan perjalanan menggunakan roket, kita tidak akan merasakan bahwa roket yang ditumpangi mengecil. Hal tersebut terjadi karena kita sedang berada di dalam sistem pengukuran, sedangkan roket akan mengecil menurut pengukuran penduduk bumi.

Untuk mengetahui hal-hal menarik lainnya tentang teori ini, saya rekomendasikan buku Albert Einstein and Relativity for Kids: His Life and Ideas karya Jerome Pohlen. Atau jika anda lebih tertarik dengan angka-angkaya, Kita bisa memulai dengan Introduction to Special Relativity karya Robert Resnick. Hal yang perlu kita ingat adalah, teori relativitas Einstein bukan hanya sekedar \(E= m.c^2\)

Jadi, bagaimana kita menjelaskan dengan mudah teori relativitas Einstein?
Gunakan Imajinasi Anda!

Gambar via upload.wikimedia.org

2525 Views
Ghany Hanifan Muslim

Ga cuman terlihat pey, ruangnya emang memendek di fenomena kontraksi panjang  Oct 30, 2017

Naufan Nurrosyid P

mantab, Ghan, ntar Ane perbaikin yak. Nulis juga dooong~ :D Ada pertanyaan yang lain nih  Oct 31, 2017

Naufan Nurrosyid P

Waaah, ada Bang Ghany!  Oct 31, 2017

Write your answer View all answers to this question