Kalau dipikir-pikir, teori relativitas khusus Einstein itu tak lain daripada teori pengukuran panjang (dan waktu)benda yang bergerak, dari tempat yang diam.
Iseng amat, sih, mengukur benda bergerak dari tempat yang diam? Apa gunanya?
Kalau anda pengguna GPS, sebaiknya anda jangan bertanya sinis seperti itu. Seandainyatrilaterasi (prinsip perhitungan posisi dengan satelit GPS) tidak menyertakan koreksi dari relativitas khusus, maka kordinat posisi yang anda dapatkan akan salah banget.
RUANG DAN WAKTU ADALAH MUTLAK?
Secara alamiah kita merasa bahwa kita ada dalam ruang. Oleh Cartesius ruang digambarkan sebagai tiga sumbu yang tegak lurus satu sama lain, x, y dan z. Dengan bahasa sehari-hari kita dapat menyebutnya dengan kiri-kanan, depan-belakang, dan atas-bawah. Tidak sulit memahami bahwa ruang dibentuk oleh jarak, atau sumbu, yang tiga itu. Kalau sumbunya cuma dua, maka kita menyebutnya bidang. Kalau sumbunya cuma satu, namanya garis.
Menurut perasaan kita, ruang yang kita tempati, misalnya ruang dalam mobil, tidak berubah baik ketika mobilnya diam maupun ketika mobilnya bergerak. Inipun dapat kita buktikan dengan mengukurnya dengan meteran. Mobil memang bisa menciut kalau menabrak tembok. Tapi tabrakan tidak termasuk dalam pembahasan ini.
Begitu pula dengan waktu. Menurut perasaan kita, baik dalam keadaan bergerak maupun diam, waktu berjalan sama saja.
Jadi, kita tidak merasakan perbedaan ukuran ruang dan waktu, baik ketika kita diam, maupun ketika kita bergerak. Ini dibuktikan dengan alat ukur, meteran dan jam, yang kita bawa. Memang demikianlah adanya. Ruang dan waktu di dalam mobil itu memang mutlak bagi orang yang berada di dalam mobiltersebut. Kalimat terakhir ini akan terdengar lebih keren bila “mobil” kita ganti dengan “kerangka acuan”.
Ruang dan waktu dalam suatu kerangka acuan adalah mutlak bagi orang yang berada di dalam kerangka acuan itu. Apakah kerangka acuannya bergerak atau diam, tak jadi soal.
RUANG DAN WAKTU ADALAH RELATIF
Menjadi soal kalau kerangka acuan anda bergerak sedangkan kerangka acuan saya tidak, dan saya mengukur ruang dan waktu dalam kerangka acuan anda dari kerangka acuan saya. Untuk sementara jangan persoalkan dulu bagaimana cara saya melakukannya. Satu lagi yang penting, yang dimaksud dengan bergerak di sini adalah bergerak dengan kecepatan tetap. Tidak berakselerasi.Kalau ada akselerasi jadinya relativitas umum. Lebih runyam.
Kalaukita sedang berada dalam kendaraan yang bergerak dengan kecepatan tetap, seandainya suara dan getaran mesin bisa diisolasi dan kita memejamkan mata, maka kita tidak akan merasakan bahwa kedaraan kita sedang bergerak. Ruang dan waktu (pada kendaraan) yang sedang bergerak dengan kecepatan tetap, tanpa akselerasi (percepatan) atau deselerasi(perlambatan), nama lainnya adalah kerangka acuan yang lembam (mohon koreksi, ini terjemahan saya dari inertial frame of reference). Hukum-hukum fisika pada kerangka acuan yang lembam berlaku sama dengan hukum-hukum fisika pada kerangka acuan yang diam. Dengan kata lain, bagi hukum-hukum fisika, bergerak dengan kecepatan tetap, sama saja dengan diam, sepanjang pengamatan atau pengukuran dilakukan di dalam kerangka acuan itu sendiri (ini salah satu postulat relativitas khusus). Itulah sebabnya pramugari dapat mengedarkan makanan dan minuman ketika pesawat sudah mencapi kecepatan jelajahnya (kecepatan tetap).
Yang saya temukan ketika saya mengukur ruang dalam kerangka acuan anda (dari tempat saya yang diam) adalah jarak yang memendek pada sumbu gerak anda. Anda bilang panjang mobil anda empat meter, dan anda sedang meluncur ke depan dengan kecepatan penuh. Hasil pengukuran saya mengatakan panjang mobil anda kurang dari empat meter. Anda mengatakan lebar dan tinggi mobil anda satu setengah meter. Hasil pengukuran sayasama.
Dilihat dari kerangka cuan saya, ruang anda menciut pada sumbu gerak anda.
Anda juga mengenakan jam yang sudah dicocokkan dengan jam saya. Ketika saya mencatat dengan jam saya bahwa anda sudah meluncur selama 30 menit, saya "lihat" jam anda mencatat kurang dari 30 menit (kata "lihat" saya beri tanda kutip, karena ini sebenarnya mustahil).
Dilihat dari kerangka cuan saya, waktu anda berjalan lebih lambat.
Siapa yang benar? Dua-duanya benar. Ruang dan waktu adalah relatif, makanya teori ini disebut relativitas, tergantung anda mengukur dari kerangka acuan yang mana.
Kembali kepada GPS tadi, satelit-satelit GPS mengorbit bumi dengan kecepatan tetap yang jauh lebih tinggi dari kecepatan pesawat terbang. Waktu bagi satelit-satelit tersebut menjadi lebih lambat dari waktu kita di bumi. Agar perhitungan satelit-satelit itu sesuai dengan pehitungan kita di bumi, maka ‘clock’ satelit-satelit itu harus di set, dipercepat, disesuaikan dengan hasil perhitungan relativitas.
KECEPATAN CAHAYA
Seperti umumnya teori-teori ilmiah, teori relativitas khusus ini merupakanrangkuman dan pengejawantahan teori-teori sebelumnya. Dimulai oleh Copernicus (pertengahan abad ke 16) dengan hipotesanya yang mengegerkan gereja (heliosentrisitas, bumi mengelilingi matahari), yang dibuktikan oleh teleskop Galileo seabad kemudian. Sejak itu mulai dipersoalkan apakah benar ada kerangka acuan yang “diam”, yang menurut para pemuka agama adalah Bumi. Bukankah benda-benda langit itu semuanya bergerak, dan Bumi merupakan salah satunya, dan akan lebih mudah membuat perhitungan mengenai posisi bintang-bintang bila Bumi diperhitungkan sebagai mengorbit matahari? Tak ada kerangka acuan istimewa yang benar-benar diam. Semuanya bergerak relatif satu sama lain. Boleh saja menetapkan Bumi sebagai pusat jagat raya, tetapi ini namanya cari perkara, karena perhitungan jadi sulit dan tak memperbaiki apa-apa.
Seabad sebelum Einstein mengemukakan teori relatifitas khusus, James Clerk Maxwell mengemukakan teori gelombang elektromagnetik, dan Hendrik Lorentz memperkenalkan rumus transformasi ruang yang bergerak.
Rumus Maxwell terdiri atas empat persamaan differensial, yang salah satu solusinya adalah duagelombang sinusoidal yang tegaklurus satu sama lain, dan berbeda fasa sembilan puluh derajat. Yang satu adalah gelombang elektrik, sedangkan yang satunya gelombang magnetik. Dua gelombang ini selalu ada bersamaan, dan menjalar dengan kecepatan konstan. Kecepatannya ditentukan oleh permeabilitas magnetik (mu) dan konstanta dielektrik (epsilon). Gabungan gelombang ini disebut gelombang elektromagnetik.
Rumus Lorentz memiliki konstanta lain, dulu ditulis v, sekarang digantic, yaitu kecepatan cahaya. Transformasi Lorentz menjadi bermakna atau jelas bila kecepatan gerak kerangka acuan atau benda dapat diperbandingkan dengan kecepatan cahaya. Pada kecepatan normal sehari-hari yang kita kenal, dampak transformasi Lorentz tak terlihat.
Transformasi Lorentz menghasilkan rumus penciutan ruangpada kerangka acuan yang bergerak (bila diukur dari kerangka acuan yang diam). Makin dekat kecepatan gerak kerangka acuan dengan kecepatan cahaya, makin ciut ruangannya. Pada kecepatan cahaya, panjang pada sumbu gerak itu jadi nol (diukur dari kerangka acuan yang diam).
Rumus Maxwell memberikan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik, sedangkan Lorentz menjadikan kecepatan cahaya sebagai konstanta dalam rumusnya. Kecepatan rambat gelombang Maxwell ternyata sama dengan kecepatan cahaya bila harga permeabilitas magnetik dan konstanta dielektrik diambil untuk ruang hampa (vacum). Sekarang, permeabilitas magnetik ruang hampa disebut konstanta magnetik (uo), sedangkan konstanta dielektrik ruang hampa disebut konstanta listrik (eo).
Berdasarkan fakta ini maka disimpulkan bahwa cahaya tidak lain adalah gelombangelektro magnetik. Sekarang semua faham bahwa gelombang elektromagnetik mencakup seluruh spektrum, mulai dari inframerah, radio, gelombang mikro, cahaya tampak, ultraungu, sinar-x, sampai sinar gama, semuanya merupakan gelombang elektromagnetik (penyebutan sesuai dengan urutan frekuensi, dari rendah ke tinggi). Semuanya menjalar dengan kecepatan yang sama dalam ruang hampa, 300000 kilometer per detik (angka dibulatkan).
KECEPATAN CAHAYA ADALAH MUTLAK (SELALU SAMA, DIUKUR DARI KERANGKA ACUAN MANAPUN)
Misalkan anda sedang meluncur di angkasa luar dengan kecepatan 1000 kilometer per detik menuju ke arah pesawat luar angkasa saya yang sedang berhenti, karena saya sedang membeli gado-gado. Lalu anda menyalakan lampu depan pesawat ruang angkasa anda. Menurut pikiran umum, maka cahaya lampu depan pesawat anda akan meluncur menuju ke arah saya dengan kecepatan 301000 kilometer per detik (kecepatan rambat cahaya ditambah kecepatan gerak pesawat anda). Menurut Einstein, tidak. Kecepatan rambat cahaya lampu anda tetap 300000 kilometer per detik. Ini satu lagi postulat dalam relativitas khusus.
Dalam relativitas khusus, yang mutlak adalah kecepatan cahaya ini. Jadi, kalau saya berada 600000 kilometer jauhnya pada saat anda menyalakan lampu, saya akan melihat nyala lampu andadalam dua detik waktu saya (lebih tepat: ketika saya melihat nyala lampu anda, saya tahu anda menyalakannya dua detik yang lalu). Berdasarkan sinyal lampu anda itu saya perhitungkan anda akan tiba di tempat saya, melintasipesawat saya, dalam 600 detik. Tetapi menurut jam anda, anda melintasi titik tempat saya berada kurang dari 600 detik sejak anda menyalakan lampu. Jam anda lebih lambat dari jam saya. Saya (yang diam) lebih cepat tua dibandingkan anda (yang bergerak).
Seandainya pada saat yang sama ketika anda menyalakan lampu anda, saya juga menyalakan senter ke arah anda, dengan menggunakan aljabar biasa saya peroleh angka 1,993355 detik sebelum anda melihat sinar dari lampu senter saya. Tetapi perhitungan tadi menyiratkan bahwa kecepatan sinar lampu senter saya dalam penjalarannya menemui anda adalah kecepatan cahaya (300000 km/detik) ditambah kecepatan anda menyongsongnya (1000 km/detik), atau 301000 km/detik. Tidak. Peristiwa ini sudah masuk dalam wilayah relativistik, sehingga jam anda melambat, dan anda sudah akan melihat sinar lampu senter saya (menurut jam anda) kurang dari 1,993355 detik. Menurut pengamatan anda, kecepatan sinar lampu senter saya adalah 300000 km/detik juga.
KONSTANTA c
Kecepatan cahaya biasa direpresentasikan oleh c. Dalam transformasi Lorentz, c adalah konstanta, sekalipun memiliki satuan. Dalam astronomi atau kosmologi, c menjadi satuan jarak, karena jarak antar galaksi biasa dinyatakan dalam tahun cahaya, karena kalau dinyatakan dalam kilometer maka terlalu banyak nol-nya.
Istilah yang lebih tepat untuk c mungkin bukan kecepatan cahaya, tetapi kecepatan (maksimum) penjalaran informasi. Tetapi kenyataannya memang kita melihat dengan cahaya atau gelombang elektromegnetik. Untuk melihat di tempat gelap kita menggunakan bantuan kamera inframerah. Pada spektrum tampak, mata kita dapat melihat langsung, asal bendanya memantulkan cahaya tampak atau bercahaya. Untuk melihat pesawat terbang kita menggunakan radio (radar). Untuk mendeteksi bintang kita menggunakan pesawat penerima pada spektrum sinar-x sampai sinar gamma. Semuanya menjalar pada c dalam vakum. Semuanya gelombang elektromagnetik.
Jadilah pilot atau pramugari kalau mau awet muda.
