Fisika, SMA, Topik Belajar

Mengenal Teori Relativitas, Bukti, dan Dampaknya | Fisika Kelas 12

February 21, 2023February 28, 2023 by annisa

Siapa sih yang nggak kenal Albert Einstein, seorang fisikawan jenius kelahiran Jerman satu ini? Albert Einstein merupakan pencetus dari teori relativitas, sebab menurutnya hukum mekanika klasik yang dikemukakan oleh Newton sudah tidak relevan lagi dengan hukum medan elektromagnetik. Maka dari itulah, Einstein membuat teori relativitas khusus dan umum. Nah, apa sih teori relativitas itu? Daripada penasaran, yuk langsung ajak simak penjelasannya di bawah ini!

Apa Itu Teori Relativitas?

Tahukah kamu, Albert Einstein mulai terkenal karena postulat relativitasnya, lho! Jadi, Einstein menerbitkan sebuah tulisan tentang pemikirannya mengenai kejadian relativistik pada tahun 1905 dan mengembangkan postulat relativitas tersebut hingga tahun 1915.

Seperti yang sudah Minco spill di atas, Einstein membuat teori relativitas untuk mematahkan teori fisika klasik milik Newton. Pada awalnya, Newton menemukan konsep gravitasi serta menyatakan bahwa ruang dan waktu itu mutlak. Sayangnya, ketika abad ke-19 munculah fenomena yang tidak bisa dijelaskan dengan hukum Newton, misalnya seperti saat planet merkurius mulai mengitari matahari lebih cepat dari perhitungan awal.

Melihat hal tersebut, Albert Einstein kemudian memaparkan teori relativitasnya berdasarkan dua postulat, yaitu:

Hukum-hukum fisika mempunyai bentuk yang sama pada semua kerangka acuan inersia.
Kecepatan cahaya yang merambat di ruang hampa udara (ruang vakum) memiliki nilai yang sama untuk semua kerangka acuan inersia, yaitu sekitar c = 3108 m/s.

Postulat pertama

Pada postulat yang pertama, Einstein menganggap bahwa setiap kerangka acuan yang konstan (bergerak secara konstan atau tidak bergerak sama sekali) mempunyai hukum fisika dalam bentuk yang sama. Contohnya gini, kamu berada di pinggir jalan raya dan melihat temanmu berada di mobil yang melaju dengan kecepatan 60 km/jam. Pada kerangka acuan 1 yakni sudut pandang kamu, yang bergerak adalah temanmu di dalam mobil. Sedangkan, pada kerangka acuan 2 yakni sudut pandang temanmu yang bergerak adalah kamu dan dia diam di dalam mobil. Hal inilah yang disebut relativitas, dimana semua kerangka acuan dipandang secara relatif, tergantung dari sisi mana kamu melihatnya.

Postulat kedua

Pada postulat yang satu ini, Einstein mengemukakan bahwa kecepatan cahaya (c) yang merambat pada ruang hampa udara mempunyai nilai sama untuk semua kerangka acuan inersia. Sehingga, saat kerangka acuan yang kamu gunakan adalah kerangka acuan inersia, maka nilai kecepatan cahaya itu selama sama, baik itu dipandang dari kerangka acuan inersia yang satu atau yang lainnya.

Misalnya, dalam satu kerangka acuan ada dua pengamat. Dimana, yang satu bergerak dan satunya lagi diam. Keduanya mengamati sebuah peristiwa yang sama, sehingga masing-masing mempunyai perbedaan sudut pandang terhadap ruang dan waktu.

📌Notes!
Postulat adalah asumsi yang menjadi pangkal dadi yang dianggap benar tanpa perlu membuktikannya.

Bukti Teori Relativitas

Walau awalnya hanya berupa postulat, teori relativitas yang dicetuskan oleh Albert Einstein ini akhirnya telah terbukti karena adanya penemuan baru. Beberapa fenomena alam yang terjadi pun semakin menjawab dengan gamblang dan jelas. Bukti-bukti tersebut di antaranya yaitu:

Adanya lubang hitam

Seorang ilmuwan Schwarzschild pada tahun 1915 berhasil memecahkan masalah menggunakan persamaan medan Einstein yang menjelaskan bahwa adanya geometri ruang waktu yang berada di sekitar bintang. Dimana, bintang ini juga mempunyai kerapatan yang sangat tinggi dengan gravitasi yang besar sekali.

Kekuatan gravitasi bintang tersebut mampu membelokkan ruang waktu, sehingga semua benda dan cahaya tidak dapat keluar dari sana. Para astronom memperkirakan letak sebuah lubang hitam dengan gravitasi tinggi melalui perubahan sifat material langit di sekitarnya.

Teori ledakan besar

Bukti yang kedua yaitu munculnya teori ledakan besar, dimana para ilmuwan seperti Edwin Hubble yang memprediksi bahwa alam semesta itu berawal dari sebuah benda yang sangat padat dan panas serta kemudian meledak. Hal ini menunjukkan bahwa alam semesta kita memuai menjadi materal yang lebih kecil dan bergerak menjauh. Contohnya seperti ketika Edwin Hubble mengamati sebuah nebula spiral pada galaksi Bima Sakti. Nebula tersebut bergerak, bergeser, dan memuai.

GPS

Siapa sih yang tidak tahu GPS? Yap, berkat teori relativitas kita semua dapat menemukan suatu lokasi dengan mudah, akurat, dan cepat. Sistem pada GPS bekerja menggunakan satelit yang mentransfer data dan informasi pada stasiun penangkap sinyal di bumi dan kemudian mengirimkannya pada teknologi GPS.

Dampak Teori Relativitas

Perlu kamu ketahui, teori relativitas ini menyebabkan beberapa dampak atau konsekuensi yang besar, beberapa di antaranya yaitu:

Kecepatan relatif

Salah satu dampak teori relativitas adalah bahwa tidak ada kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya. Sehingga, penjumlahan kecepatan relativitasnya dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

v₁: Kecepatan benda ke-1 terhadap pengamat (m/s)
v_2: Kecepatan benda ke-2 terhadap benda ke-1 (m/s)
c : Cepat rambat cahaya (3 × 10⁸ m/s)
v’ : Kecepatan benda ke-2 terhadap pengamat (m/s)

Kontraksi panjang

Berdasarkan teori ini, jika benda bergerak mendekati kecepatan cahaya, maka panjang benda seolah-olah tampak memendek (kontraksi panjang). Jika diukur oleh pengamat yang diam terhadap benda tersebut, dapat dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

L : Panjang benda menurut pengamat yang diam (m)
L_o : Panjang benda saat diam (m)
c : Cepat rambat cahaya (3 × 10⁸ m/s)
v : Kecepatan benda terhadap pengamat yang diam (m/s)

Massa relativistik

Menurut Einstein, massa benda yang bergerak (m) akan lebih besar daripada massa benda tersebut saat diam (m_o), yang dapat dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

m : Massa benda bergerak menurut pengamat yang diam (kg)
m_o : Massa benda saat diam (kg)
c : Cepat rambat cahaya (3 × 10⁸ m/s)
v : Kecepatan benda terhadap pengamat yang diam (m/s)

Dilatasi waktu

Waktu yang diukur oleh sebuah jam yang bergerak terhadap kejadian lebih besar daripada jam yang diam terhadap kejadian, yang dapat dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

△t : Selang waktu yang diukur oleh pengamat yang bergerak terhadap kejadian (s)
△t_o : Selang waktu yang diukur oleh pengamat yang diam terhadap kejadian/proper time (s)
c : Cepat rambat cahaya (3 × 10⁸ m/s)
v : Kecepatan relatif antara kerangka acuan (m/s)

Energi relativistik

Pada energi relativistik ini mempunyai kemungkinan bahwa energi dan massa dapat setara. Sehingga, pada hukum kali ini juga disebut hukum kesetaraan massa-energi Einstein. Jadi, jika terjadi penyusutan massa, maka akan timbul energi. Benda yang diam maupun bergerak masing-masing mempunyai energi. Rumus dari energi relativistik adalah sebagai berikut:

1. Energi saat benda diam di rumuskan: E₀ = m₀c², m₀ adalah massa benda saat diam.

2. Energi saat benda bergerak adalah energi total, dirumuskan: E = mc², m adalah massa benda saat bergerak.

3. Hubungan E, E₀, dan E_k dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

E_k = Energi kinetik secara relativistik
E₀ = Energi saat diam
E = Energi total

Momentum relativistik

Jika pada massa relativistik menjelaskan kemungkinan massa yang lebih berat, beda halnya dengan momentum relativistik. Pada momentum relativistik ini menjelaskan bahwa ketika benda mempunyai berat massa, maka sebuah kecepatan ada momentumnya. Sehingga, dalam konteks teori relativitas khusus juga memiliki kemungkinan yang merubah momentum tersebut. Momentum relativistik dirumuskan sebagai berikut:

Hubungannya dengan energi total adalah:

Keterangan:

E_k = Energi kinetik secara relativistik
E₀ = Energi saat diam
E = Energi total
c = Cepat rambat cahaya (3 × 10⁸ m/s)
P = Momentum relativistik

Contoh Soal

1. Pesawat angkasa 1 berkecepatan 0,9 c terhadap bumi. Jika pesawat 2 bergerak melewati pesawat 1 dengan kecepatan relative 0,5 c terhadap pesawat 1. Berapakah kecepatan pesawat 2 terhadap bumi?

Jawaban: