RELATIVITAS – HAFELE & KEATING


Teori Absolutivitas dalam buku ini lahir pada mulanya berdasarkan pada pemikiran terhadap hasil ekperimen yang telah dilakukan oleh dua Fisikawan Amerika Serikat, yaitu J.C. Hafele dan R.E. Keating pada tahun 1971 untuk membuktikan kebenaran teori pemuluran waktu (time dilatation) yang dikemukakan oleh Albert Einstein pada tahun 1905 tentang Relativitas. Mereka memiliki 12 jam atom Cesium yang sangat teliti. Empat buah jam atom Cesium diletakkan di pangkalan Naval Observatory di Washington D.C., empat buah jam atom Cesium lainnya di letakkan di dalam pesawat jet dengan arah ke barat dan empat buah  jam atom Cesium dibawa dalam pesawat jet ke arah timur. Kedua pesawat jet diberangkatkan dalam waktu bersamaan mengelilingi bumi. Karena kelajuan pesawat jet jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya, efek pemuluran waktu sangatlah kecil. Akan tetapi jam atom Cesium ini memiliki ketilitian kira-kira + 10-9 s, sehingga efek ini dapat diukur. Jam atom berada di angkasa selama 45 jam, dan selang waktu yang diukurnya dibandingkan dengan jam atom standar yang disimpan di Bumi. Setelah dibandingkan dengan akurat, pesawat yang terbang ke arah timur terlambat 59 nanosekon dan pesawat jet yang terbang ke arah barat mengalami ketherlambatan 273 nanosekon. Hasil eksperimen menunjukkan adanya perbedaan selang waktu antara jam atom Cesium dalam 2 pesawat jet dengan jam atom di Bumi. Besar perbedaan selang waktu tersebut sesuai dengan perkiraan relativitas pemuluran waktu, yaitu jam atom Cesium dalam pesawat jet yang terbang dengan kecepatan tinggi setalah dibandingkan dengan jam atom Cesium di Naval Observatory adalah LEBIH LAMBAT.

Apa yang sangat penting dari hasil eksperimen ini?. Penting sekali hasil eksperimen tersebut sebagai bukti ilmiah kebenaran Teori Absolutivitas yang menunjukkan keberadaan kerangka acuan mutlak dan bersifat universal dimana segala sesuatu dapat dikatakan bergerak atau tidak berdasarkan kerangka acuan mutlak ini.

Dari hasil eksperimen yang dilakukan J.C. Hafele dan R.E. Keating membuktikan adanya efek pemuluran waktu dan sekaligus memecahkan persoalan paradoks kembar. Berdasarkan persamaan Relativitas Khusus untuk Dilatasi waktu karena jam atom Cesium yang berada dalam pesawat jet mengalami ketherlambatan berarti bahwa lebih muda usianya dibandingkan jam atom yang diletakkan di Laboratorium. Apa yang terjadi dalam fakta ilmiah tersebut bukanlah sebaliknya yaitu jam atom di laboratorium lebih lambat dari pada jam atom pada pesawat jet. Ini menunjukkan adanya kerangka acuan mutlak yang bersifat universal yang tidak lain adalah bumi itu sendiri. Dalam banyak kasus, yang paling sering dijadikan contoh adalah paradoks kembar.

Misalkan dua kejadian A dan B terjadi pada kedudukan yang sama dalam suatu kerangka acuan. Selang waktu antara dua kejadian tersebut, Δt0 =  tBtA, diukur oleh sebuah jam O yang diam terhadap kejadian. Selang waktu, Δt0, yang diukur oleh jam yang diam terhadap kejadian (jam dan kejadian berada dalam kerangka acuan yang sama) disebut selang waktu sejati (proper time). Jika selang waktu kejadian A dan B ini diukur oleh jam O’ yang bergerak dengan kecepatan v terhadap kejadian (kerangka acuan jam tidak sama dengan kerangka acuan kejadian), maka selang waktu ini disebut selang waktu relativistik (diberi lambang Δt). Sehingga akan selalu diperoleh bahwa selang waktu relativistik LEBIH LAMA (atau lebih lambat) daripada selang waktu sejati, ditulis Δt > Δt0 sehingga sama dengan persamaan relativitas pemuluran waktu. Contoh dari penjelasan ini misalkan Hasan dan Husain adalah anak kembar yang umurnya sama yaitu 20 tahun. Hasan pergi ke luar angakasa selama 30 tahun menggunakan pesawat jet dengan kecepatan yang sangat tinggi mendekati cahaya. Setelah kembali ke bumi, Hasan terkejut karena mendapati Husain telah berubah menjadi sangat tua berusia 50 tahun sementara dirinya hanya bertambah 10 tahun sehingga usianya 30 tahun. Jadi, menurut kerangka acuan bumi, Husain telah pergi selama 30 tahun sedangkan menurut Hasan sendiri baru merasa pergi selama 10 tahun. Letak paradoknya adalah kebalikannya, yaitu: Bagaimana seandainya kerangka acuannya dibalik dimana Hasan yang berada di dalam pesawat jet menganggap dirinya diam karena sebagai kerangka acuan gerak sedangkan Husain yang berada di bumi bergerak menjauhinya ke luar angkasa selama 30 tahun, bukankah seharusnya Husain mendapati dirinya lebih muda karena baru berusia 30 tahun sedangkan Hasan akan lebih tua berusia 50 tahun?. Lalu manakah yang benar?.

Untuk mengetahui manakah yang benar-benar akan terjadi, maka haruslah dilakukan eksperimen untuk membuktikan keadaan tersebut. Untuk gambaran ideal menciptakan sebuah pesawat jet dengan kecepatan cahaya sangatlah mustahil dan tidak akan pernah mungkin dapat dilakukan. Dan yang dapat dilakukan adalah dengan merubah variasi dari variabel kecepatan menjadi rekayasa variasi waktu dengan cara menciptakan sebuah jam atom dengan ketelitian yang sangat tinggi. Dan inilah yang ingin dilakukan J.C. Hafele dan R.E. Keating dalam eksperimen pembuktian pemuliran waktu di atas. Dan hasilnya adalah jam atom Cesium dalam pesawat jet telah mengalami perlambatan daripada jam atom yang berada di dalam laboratorium dan bukan sebaliknya.

HAFELE & R.E KEATING

Sebenarnya ada 2 teori relativitas, yaitu teori relativitas khusus dan teori relativitas umum, yang keduanya tidak dikeluarkan dalam waktu yang bersamaan. Dalam teori relativitas khususnya, Eintein menjelaskan tentang hubungan antara kecepatan dengan waktu, massa dan panjang benda. Sedangkan di dalam teori relativitas umumnya lebih jauh lagi, menjangkau tentang fenomena alam semesta termasuk di dalamnya pengaruh gravitasi terhadap ruang dan waktu. Dalam buku ini, kita tidak akan membahas secara detail tentang kedua teori tersebut, tetapi kami akan menjelaskan keduanya secara umum saja.

Dari teorinya tersebut, Einstein menyatakan bahwa atom-atom akan terpengaruh oleh gerak dan gravitasi. Atom-atom yang dimaksud di sini bisa apa saja, seperti atom-atom penyusun tubuh manusia atau atum-atom pada benda-benda mati. Semakin cepat gerakan suatu benda, maka atom-atom penyusunnya akan bergerak lebih lambat pula. Konsekwensi dari lambatnya gerakan atom-atom itu adalah waktu pun akan berjalan lebih lambat menurut perhitungannya. Begitu pula jika suatu benda yang berada di daerah yang memiliki medan gravitasi yang besar, maka karena pengaruh gravitasi tersebut membuat atom-atom penyusunnya bergerak lebih lambat , maka otomatis waktu pun terasa lebih lambat baginya.

Pernyataan yang tersirat dari teori ini, menimbulkan keinginan besar para ilmuwan untuk membuktikan kebenarannya. Maka dimulailah beberapa percobaan yang menguji teori ini. Pada tahun 1971, dua fisikawan Amerika Serikat bernama J.C Hafele dan Richard Keating melakukan suatu eksperimaen dengan membawa empat jam atom ceacium terbang mengelilingi dunia dengan pesawat jet. Mereka membandingkan waktu yang ditunjukkan jam atom ceacium mereka dengan waktu standar di US Nafal Observatory, Washington DC.

Percobaan dilakukan dengan terbang ke barat dan timur yang seluruhnya memakan waktu selama 3 hari. Dari percobaan ini menghasilkan suatu data bahwa jam atom mereka ternyata sudah tidak cocok lagi dengan jam waktu standart di US Naval Observatory. Untuk setiap hari, jam atom yang diterbangkan ke timur kehilangan waktu rata-rata 59 nano detik (59 .detik), atau waktu menjadi lebih lambat jika melakukan perjalanan ke Timur. Untuk perjalanan menuju ke Barat mengalami pertambahan waktu sebesar 273 nano detik (273. detik), artinya waktu terasa lebih cepat jika berjalan ke arah Barat. Ternyata data eksperimen ini hampir sekali cocok dengan perhitungan teori relativitas yang memperkirakan bahwa perjalanan ke arah Timur akan mengalami perlambatan waktu sebesar 40 nano detik, sedangkan ke arah Barat akan akan menambah waktu sebesar 275 nano detik.

Dari percobaan di atas telah diketahui bahwa pengoperasian jam atom ternyata akan menjadi lebih lambat di bawah pengaruh gravitasi yang kuat dan sebaliknya akan menjadi cepat pada pengaruh gravitasi yang lemah. Hal ini disebabkan oleh karena cahaya bergerak lebih cepat dalam perjalanannya menuju pusat gravitasi daripada dalam gerakannya menjauhi pusat gravitasi. Waktu pun berlangsung lebih cepat ke satu arah tertentu daripada ke arah yang lain artinya waktu mendapatkan ruang terarah. Dalam perjalanan pesawat jet ke arah timur, yang berarti melawan arah rotasi bumi, mengakibatkan pesawat selalu bertemu dengan matahari yang memiliki medan gravitasi kuat, sehingga atom-atom jam ceacium bergerak lebih pelan. Sebaliknya, jika perjalanan dilakukan ke arah barat, artinya searah rotasi bumi, maka pesawat menjauhi arah matahari yang memiliki medan gravitasi kuat, akibatnya atom jam ceacium bergerak lebih cepat.

Gravitasi di permukaan bumi lebih kuat jika dibandingkan dengan gravitasi di luar amgkasa, tetapi gravitasi matahari ternyata lebih kuat daripada gravitasi di permukaan bumi. Hal ini mengakibatkan atom-atom yang bergerak di matahari akan lebih lambat jika dibandingkan dengan pergerakan atom di bumi. Karena itulah maka waktu di matahari menjadi lebih lambat daripada waktu di bumi, perbedaannya sekitar 1 menit setiap tahunnya.

Pengamatan lebih lanjut pada cahaya yang datang dari atom-atom di matahari, ternyata warna cahaya itu tampak berwarna lebih merah jika dibandingkan dengan yang terdapat di bumi. Di dalam ilmu fisika, spektrum cahaya tampak yang memiliki frekwensi rendah akan terlihat berwarna merah, semakin merah warnanya maka semakin rendah pula frekwensinya. Frekwensi adalah banyaknya gelombang yang terjadi dalam waktu 1 detik. Semakin cepat atom-atom bergetar, gelombang yang dihasilkan akan semakin banyak sehingga frekwensi semakin tinggi. Sebaliknya, jika atom-atom lambat bergetarnya, gelombang yang dihasilkan akan sedikit sehingga mengakibatkan frekwensinya menjadi rendah. Menurut Teori relativitas, pada matahari, karena atom-atomnya bergerak lebih lambat daripada bumi, maka pastilah frekwensi cahayanya lebih rendah daripada di bumi atau cahaya akan tampak berwarna lebih merah di matahari daripada di bumi. Ternyata hasil pengamatan itu benar-benar sejalan dengan Teori Relativitas Einstein.      

Selain bukti tentang gravitasi kuat menyebakan perlambatan waktu, masih ada bukti lain yang menunjukkan bahwa sebenarnya waktu itu bersifat relatif dan tidak absolut yaitu karena faktor kecepatan. Sinar kosmik yang berasal dari luar angkasa jika jatuh ke bumi akan menumbuk atom udara di atmosfer bagian atas, sehingga partikel yang bernama pion yang memiliki waktu peluruhan yang sangat pendek yaitu beberapa nanodetik (10 detik) dihasilkan. Waktu peluruhan yang semakin cepat akan membuat partikel ini akan semakin cepat pula “menghilang” di angkasa. Partikel muon tercipta ketika terjadi peluruhan pion dan ternyata ia juga memiliki masa hidup yang pendek, waktu peluruhannya adalah 2,2 mikrodetik (10 detik). Akan tetapi muon di atmosfer bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi, sehingga efek dilasi waktu (pemuluran waktu) dari teori relativitas membuat mereka menjadi mudah dideteksi pada permukaan bumi. Penjalaran pada kecepatan relativistik membuat muon dapat menembus sampai kedalaman sepuluh meter ke dalam batuan dan materi lain sebelum menipis dan habis sebagai hasil absorpsi (penyerapan) oleh atom-atom yang lain. Jika waktu hidup mereka kita hitung tanpa menggunakan efek relativistik (menggunakan teori relativitas) maka jarak tembus mereka ke bumi maksimal hanya sekitar 0,66 km dari atmosfer. Dengan memperhitungkan efek dilasi waktu dari teori relativitas memperkenankan muon sekunder sinar kosmis untuk mempertahankan penerbangannya menuju permukaan bumi sampai kedalaman tertentu. Ini menunjukkan bahwa ternyata semakin cepat sesuatu itu bergerak maka atom-atom penyusunnya akan bergerak lebih pelan daripada di kondisi normal.

Kesimpulannya adalah, jika kita ingin awet muda, maka kita bisa mengambil salah satu dari cara berikut ini. Cara pertama, kita bisa pergi ke dekat daerah yang memiliki medan gravitasi yang lebih besar daripada bumi, contohnya matahari atau black hole (lubang hitam) di luar angkasa. Cara kedua, kita bisa terbang dengan pesawat angkasa berkecepatan tinggi ke luar bumi untuk menjelajah alam semesta. Hal ini disebabkan karena jika kita berangkat dengan pesawat luar angkasa dengan kecepatan sangat tinggi mendekati kecepatan cahaya atau berada pada medan gravitasi yang besar maka waktu menjadi lambat bagi kita dan atom-atom penyusun tubuh kita bergerak lebih pelan.. Tentu saja cara-cara di atas masih belum sanggup untuk kita laksanakan karena teknologi manusia sekarang masih belum bisa menjangkaunya.

Mungkin kita batasi sampai di sini saja pembahasan kita mengenai Teori Relativitas Einstein, sebatas yang kita perlukan untuk memahami tentang menembus batas ruang dan waktu. Maka kesimpulan yang paling mendasar yang dapat kita ambil dari sedikit ulasan di atas adalah bahwa sebenarnya waktu itu bersifat relatif dan bukan absolut, kadang waktu bisa menjadi lebih lambat begitu pun sebaliknya bisa lebih cepat tergantung keadaannya. Menurut teori tersebut maka ruang dan waktu normal yang dialami oleh manusia di Bumi tidaklah dapat ditembus kecuali dengan dua hal, yaitu bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi atau berada di daerah yang memiliki medan gravitasi yang lebih kuat daripada di Bumi. Pernyataan ini menjadi kunci kita memahami bahwa sebenarnya ruang dan waktu itu bisa saja ditembus dengan ilmu pengetahuan dan teknologi yang sangat canggih.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s