MAKALAH FISIKA KELAS 12 : TEORI RELATIVITAS KHUSUS DAN UMUM

BAB I

PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang

Manusia adalah spesies yang diciptakan oleh Tuhan dengan keingin-tahuan yang sangat besar, yang kemudian mendorongnya untuk menemukan pengetahuan yang kemudian dikenal dengan istilah “berfilsafat”. Namun seiring perkembangan ilmu pengetahuan, filosofi dianggap sudah tidak mengimbangi kemajuan terkini dalam sains, terutama fisika. Para ilmuwan telah menjadi pemegang obor penemuan dalam perjalanan pencarian pengetahuan.

Fisika abad ke-20 berbeda dangan fisika klasik. Terdapat dua perkembangan yang paling menyolok. Pertama, relativitas (kenisbian) oleh Albert Einstein pada 1905 dan teori kuantum oleh Max Planck pada 1900. Dua perkembangan ini adalah contoh revolusi ilmiah yang telah mengubah cara pandang manusia mengenai alam semesta secara mendasar.

Teori klasik Newton mengenai ruang dan waktu yang sebelumnya telah dipelajari, menyisakan keganjalan-keganjalan yang menggelitik rasa keingin- tahuan para ilmuwan untuk terus mengembangkan ilmu pengetahuan. Memasuki abad ke-19, Sebuah peristiwa yang cukup termahsyur yakni peristiwa dua orang kembar yang terpisah. Seseorang yang ada di bumi setelah berpuluh tahun lamanya mendapati saudara kembaranya yang telah melakukan perjalanan dari luar angkasa memiliki perberdaan umur dengan dirinya. Saudara kembarnya berumur lebih muda dari pada dirinya. Apa yang terjadi? Pertanyaan seperti ini tidak dapat di jawab dengan menggunakan teori ruang dan waktu oleh Newton yang menyatakan bahwa waktu adalah mutlak dimanapun tempatnya.

Oleh karena itu diperlukan suatu gagasan baru mengenai konsep ruang dan waktu serta pandangan baru mengenai konsep alam semesta. Untuk lebih memahami mengenai gagasan-gagasan dan pandangan terbaru mengenai alam semesta tersebut maka kita mempelajari teori terbaru di abad 19 yakni teori relativitas Einstein meliputi teori relativitas khusus dan teori relativitas umum. Kedua teori inilah yang memberikan pemahaman yang baru mengenai konsep ruang-waktu 4 dimensi serta bentuk alam semesta yang berhingga tapi tak terbatas.     

B.   Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas, maka rumusan masalah yang akan dibahas dalam makalah ini adalah sebagai berikut:

1.      Apakah latar belakang lahirnya teori relativitas  Einstein?

2.      Bagaimanakah  prinsip teori relativitas khusus ?

3.      Bagaimanakah prinsip teori relativitas umum ?

C.    Tujuan Penulisan

Adapun tujuan penulisan makalah ini antara lain:

1.      Untuk mengetahui latarbelakang lahirnya teori relativitas Einstein.

2.      Untuk memahami konsep teori relativitas khusus yang sebenarnya.

3.      Untuk memahami konsep teori relativitas umum yang sebenarnya.

BAB II

PEMBAHASAN

A.    Teori Relativitas

Pada intinya teori relativitas adalah teori tentang medan yang melanjutkan perkembangan teori medan Faraday dan Maxwell. Teori medan menekankan kemulusan ruang dan waktu. Dalam teori relativitas, ruang dan waktu tidak melompat-lompat, tetapi mengalir secara malar (continue). Sebaliknya, teori kuantum, justru berbicara tentang ketidakmalaran (discontinue). Sebutir partikel tidak boleh mengubah energinya secara malar, melainkan melompat-lompat. Bisa dikatakan bahwa kedua pendekatan ini bertolak belakang. (Gerry 2004).

Teori medan elektromagnetik Faraday yang kemudian dikembangkan oleh Maxwell  pada 1865, masih mengganggu para ilmuwan masa itu. Sumber gangguan tersebut adalah eter sebagai zat perantara gelombang elektromagnetik.

Eter sebagai medium rambat gelombang elektromagnetik mempunyai sifat yang sulit dibayangkan secara fisika meski secara matematis dapat dijelaskan secara gemilang. Semestinya eter bertabiat sebagai zat padat karena cahaya adalah gelombang transversal. Jenis gelombang ini tidak dapat meramat dalam medium fluida (gas atau cairan).

Berdasarkan pengamatan, eter sebegitu halus sampai-sampai tidak menghambat Bumi yang bergerak di dalamnya kendati sosoknya samar-samar, para ilmuwan menerima ide eter. Oleh karena itu, salah satu tantangan utama fisika di penghujung abad ke-19 adalah menjernihkan pemahaman tentang eter sesuai persamaan Maxwell.

Dalam konteks persoalan ini, kecepatan cahaya c jadi perkara. Dalam teori Maxwell, c adalah kecepatan pengamat yang bergeming dalam eter.

Pada dasawarsa 1880-an Albert Abraham Michelson dan Edward Williams Morley menyelidiki ketergantungan kecepatan cahaya terhadap kecepatan pengamat.(Gerry, 2004)

Gagasan mereka adalah membandingkan kecepatan cahaya di dua arah yang berbeda, pada posisi siku-siku. Jika kecepatan cahaya bernilai tetap relatif terhadap eter, maka pengukuran seharusnya mengungkapkan kecepatan cahaya yang berbeda-beda, tergantung arah gerak cahaya. Tapi Michelson dan Moerley tak mendapat perbedaan.

Hasil percobaan Michelson-Morley jelas bertentangan dengan model gelombang elektromagnetik yang bergerak melalui eter, dan seharusnya model eter ditinggalkan. Namun tidak ada yang benar-benar berani menyimpulan bahwa eter tidak ada. (Stephen Hawking & Leonard Mlodinow, 2010)

Ahli fisika Belanda Hendrik Antoon Lorentz menawarkan penjelasan untuk penemuan Michelson dengan mengandaikan adanya seutas gaya antar-molekul yang bekerja searah dengan “hembusan eter”. Gaya ini, menurut Lotentz, secara fisik dapat memendekkan salah satu kaki alat pengukuran Michelson. Oleh karena itu kecepatan cahaya akan terukur sama ke semua arah terhadap angin eter, walaupun menurut Lorentz sebenarnya berbeda.

Walaupun demikian ternyata saran Lorentz masih melanggar mekanika Newton di beberapa hal. Poincare tahu persoalan itu tapi meyakini kebenaran anjuran Lorentz. Ia menekankan perlunya menuju kenisbian murni.

Dari sinilah awal lahirnya teori relativitas yang dipopulerkan oleh Albert Einstein. Secara mandiri Einstein mengembangkan penyelesaian seperti yang diusulkan Poincare. Ia berangkat dengan dua asumsi yang bersahaja tapi jernih. Uraiannya menyelamatkan persamaan Maxwell, sementara pengertian Newton tentang ruang-waktu mutlak tersingkir. Walaupun demikian, pada kecepatan rendah, penyelesaian mendekati hasil hitung mekanika klasik Newton.

Untuk mendapatkan penyelesaian itu, Einstein tidak memasukkan pembenaran ke dalam system yang lama tapi justru menggubah pengertian ruang, waktu, dan masaa serta membuat segalanya relative  terhadap kecepatan kerangka.

B.     Teori Relativitas Khusus

Pada tahun 1905, Einstein menerbitkan sebuah makalah mengenai elektrodinamika benda bergerak, di dalamya Einstein membuat dua asumsi sederhana.  

Asumsi pertama, adalah asas relativitas. Menurut asas ini, tidak mungkin untuk membedakan satu system dari system yang lain jika kedua-duanya bergerak dengan kecepatan tetap (tidak dipercepat). Sebagai contoh, Anda pernah berada dalam gerbong kereta api, dan melihat kereta api lain lewat jendela. Waktu itu Anda tidak yakin mana yang bergerak, kereta Anda atau kereta di sebelah? Tidak ada cara lain untuk mengetahui mana yang bergerak sampai melongok keluar jendela. Semua hukum fisika, baik mekanika ataupun elektromagnetisme, berlaku tanpa perubahan dalam setiap kerangka yang kecepatannya tetap.

Asumsi kedua, kecepatan cahaya dalam ruang kosong adalah tetap, bebas dari gerakan sumber cahaya maupun pengamat. (Gerry, 2004). Ternyata gagasan ini menuntut revolusi dalam konsep ruang dan waktu.

Untuk mengetahui alasannya, bayangkan dua peristiwa yang terjadi di tempat yang sama tapi pada waktu yang berbeda, dalam pesawat jet. Bagi pengamat dalam pesawat jet, kedua peristiwa itu tak terpisah jarak. Bagi pengamat kedua di darat, kedua peristiwa terpisah jarak yang ditempuh jet pada waktu antara terjadinya kedua peristiwa. Itu menunjukkan bahwa kedua pengamat yang bergerak relatif terhadap satu sama lain tak akan sepakat mengenai jarak antara kedua peristiwa.

Berikutnya umpamakan kedua pengamat mengamati seberkas cahaya bergerak dari ekor ke hidung pesawat. Seperti contoh di atas, mereka tak akan sepakat mengenai jarak yang ditempuh cahaya dari kemunculannya di ekor sampai tiba di ujung. Karena kecepatan diperoleh dari jarak yang ditempuh dibagi waktu yang diperlukan, artinya jika mereka sepakat mengenai kecepatan gerak berkas cahaya, kecepatan cahaya, mereka tak akan sepakat mengenai selang waktu antara awal dan akhir pergerakan.

Yang membuatnya jadi anehadalah walaupun kedua pengamat mengukur waktu yang beda, mereka menyaksikan proses fisik yang sama. Einstein tidak mencoba membangun penjelasan arifisial untuk itu. Dia menarik kesimpulan yang logis walau mengejutkan bahwa pengukuran waktu, seperti pengukuran jarak, bergantung pada pengamat yang melakukan pengukuran. Efek ini adalah salah satu kunci teori dalam makalah 1905 Einstein, yang disebut relativitas khusus (special relativity).

Relativitas khusus menyatakan pemuluran waktu (Time Dilatation) yaitu jam berjalan lebih cepat menurut pengamat yang diam relatif  terhadap jam. Bagi pengamat yang tidak diam relative terhadap jam, jam bergerak lebih lambat. Jika kita samakan berkas cahaya yang bergerak dari ekor ke hidung pesawat dengan detak jam, maka kita lihat bahwa bagi pengamat di darat, jam bergerak lebih lambat karena berkas cahaya harus menempuh jarak lebih besar dalam kerangka rujukan itu. Tapi efeknya tak bergantung kepada mekanisme jam, efek itu berlaku untuk semua jam, termasuk jam biologis kita.

Karya Einstein menunjukkan bahwa sebagaimana konsep diam, waktu juga tak bisa mutlak atau absolute seperti dipikirkan Newton. Dengan kata lain, pada setiap peristiwa mustahil menetapkan waktu yang akan disepakati semua pengamat. Sebaliknya, pengamata memiliki pengukuran pengukuran waktu sendiri, dan waktu yang diukur dua pengamat yang bergerak relatif terhadap satu sama lain tak akan sama. Gagasan ini berlawanan dengan intuisi kita karena dampaknya tak bisa diamati pada kecepatan pada kecepatan yang biasa kita temui dalam kehidupan sehari-hari. Tapi gagasan ini telah terbukti benar dalam percobaan. Salah satu percobaan yang telah membuktikan gagasan ini adalah percobaan yang dilakukan pada Oktober 1971, satu jam atom (atomic clock) yang amat akurat diterbangkan mengelilingi dunia searah rotasi bumi, dari barat ke timur. Jadi Anda bisa memperpanjang hidup anda dengan terbang ke timur terus, walaupun efeknya amat kecil, sekitar 1/180 miliar per detik untuk tiap kali keliling dunia (dan juga agak dikurangi efek perbedaan gravitasi).

Para ahli fisika menyebut gagasan ini sebagai penyatuan ruang dan waktu (space-time) dengan waktu disebut sebagai dimensi keempat yang memiliki arah tergantung terhadap kecepatan pengamat. Teori relativitas khusus Einstein mencampakkan konsep waktu mutlak dan diam mutlak (yaitu diam terhadap eter yang bergerak).

C.    Teori Relativitas Umum

Setelah sukses dengan teori relativitas khusus, tak lama kemudian Einstein menyadari bahwa agar gravitasi sesuai dengan relativitas, diperlukan perubahan lain.

Sebelas tahun berikutnya Einstein mengembangkan teori gravitasi baru, yang dia sebut relativitas umum (general relativity). Konsep gravitasi dalam relativitas umum sangat berbeda dengan konsep gravitasi Newton. Konsep gravitasi umum didasarkan kepada usul revolusioner bahwa ruang-waktu bukan datar sebagaimana diduga sebelumnya, melainkan melengkung dan terdistorsi oleh massa dan energy di dalamnya.

Menurut hukum gerak Newton, benda seperti peluru meriam, dan planet bergerak menyusur garis luerus kecuali jika terpengaruh gaya seperti gravitasi. Tapi gravitasi dalam teori Einstein bukan gaya sebagaimana gaya lain; gravitasi justru konsekuensi kenyataan bahwa massa mendistorsi ruang-waktu, menciptakan kelengkungan. Dalam teori Einstein, benda bergerak mengikuti geodesika, yang merupakan pendekatan bagi garis lurus dalam ruang melengkung. Garis adalah geodesika dii budang datar, dan lingkaran besar adalah geodesika pada permukaan bumi. Tanpa adanya zat, geodesika pada ruang-waktu berdimensi empat sepadan dengan garis pada ruang berdimensi tiga. Tapi ketika ada zat yang yang mendistorsi ruang-waktu, jalur gerak benda dalam ruang berdimendi tiga menjadi melengkung karena tarikan gravitasi menurut teori Newton. Ketika ruang-waktu tidak datar, jalur benda tampak berbelok, sehingga memberi  kesan ada gaya yang mempengaruhinya.

Penerapan teori relativitas umum dalah model alam semesta yang amat berbada, yang memprediksi efek-efek baru seperti gelombang gravitasi dan lubang hitam. Teori relativitas umum menyatakan jagat raya berhingga namun tak terbatas. Sebagaimana teori relativitas khusaus, teori relativitas umum juga telah melalui uji sensitifitas dan semuanya menyatakan sukses. Salah satu penjelasan yang telah teruji sukses adalah penjelasan mengenai perihelion Planet Merkurius.

BAB III

P E N U T U P

A.    Kesimpulan

Teori Relativitas Einstein muncul dari kesenjangan antara mekanika Newton tentang perilaku zat (eter) dengan electromagnet Maxwell (kecepatan cahaya).

Teori relativitas khusus  menyatukan ruang dan waktu menjadi ruang-waktu. Teori ini menyatakan adanya pemuluran waktu sehingga waktu dinyatakan sebagai dimensi keempat yang  memiliki arah yang bergantung terhadap kecepatan pengamat.

Teori relativitas umum menyuguhkan konsep baru tentang gravitasi yang menyatukan antara gravitasi dan relativitas yakni konsep gravitasi Einstein. Konsep gravitasi umum menyatakan bahwa ruang-waktu bukan datar, melainkan melengkung dan terdistorsi oleh massa dan energy di dalamnya.

Gagasan ini melahirkan pandangan bahwa alam semesta atau jagat raya berhingga namun tak terbatas.

B.     Saran

         Diharapkan dengan adanya makalah ini, dapat menambah khasanah pengetahuan pembaca mengenai konsep ruang-waktu, relativitas, serta konsep alam semesta. Dengan memahami konsep relativitas ini sekiranya dapat menambah keyakinan kita pada Sang Pencipta akan adanya jagad raya yang diciptakan-Nya sedemikian rupa.

DAFTAR PUSTAKA

Albert, David Z.______.  Philosophy of Physics. Colombia University. Colombia.

Einstein, Albert.  2005. The special and general theory (terjemahan oleh Liek Wilardjo). Grafika Mardi Yuana. Bogor.

Russel, Bertrand. Teori Relativitas Einstein, Penjelasan Populer Untuk Umum. Pustaka Pelajar. Yogyakarta.

Hawking, Stephen & Mlodinow, Leonard. 2010. The Grand Design. PT. Gramedia Pustaka Utama. Jakarta.

Van  Kliken, Gerry. 2004. Revolusi Fisika : Dari alam Gaib ke ALam Nyata. Grafika Mardi Yuana. Bogor.

Bagikan Artikel ini