March 24, 2020

Fisika – Relativitas Khusus

Albert Einstein, siapa orang yang gak kenal namanya? Dia adalah seorang fisikawan legendaris asal Jerman yang telah memberikan sebuah gebrakan dalam perkembangan fisika modern. Namanya menjadi terkenal setelah postulatnya berhasil menarik perhatian dunia fisika saat itu. Postulat Einstein tersebut dikenal dengan nama teori relativitas khusus dan umum.

Teori relativitas khusus dipublikasikan oleh Einstein ketika usianya masih 26 tahun, yaitu pada tahun 1905. Berselang satu dekade berikutnya, Einstein kembali mempublikasikan postulatnya, yaitu relativitas umum. Pada artikel kali ini kita akan membahas lebih dalam nih, tentang teori relativitas khusus.

Teori ini dikatakan relativitas khusus karena hanya berlaku untuk kerangka acuan inersial, yaitu kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan konstan, terhadap kerangka acuan lain.

Teori relativitas khusus ini terdiri dari 2 postulat. Yang pertama, “hukum-hukum fisika memiliki bentuk yang sama pada semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap (kerangka acuan inersial).

Misalnya kamu sedang berdiri di peron stasiun kereta, sedangkan temanmu sedang berada di dalam kereta yang melaju dengan kecepatan 80 km/jam. Menurut kamu yang diam, teman kamu yang berada di dalam kereta-lah yang melaju dengan kecepatan 80 km/jam. Namun, menurut teman kamu yang berada di dalam kereta, dia itu diam, justru kamu-lah yang berdiri di peron stasiun yang bergerak dengan kelajuan 80 km/jam.

Yang kedua, “cahaya merambat melalui ruang hampa dengan kecepatan yang konstan dan bernilai:

$c\ = 3 \times 10^8$ m/s.

Dan kelajuan cahaya tidak bergantung pada kelajuan sumber cahaya maupun kelajuan pengamatnya.”

Berbeda dengan teori relativitas Newton yang menyatakan ruang dan waktu adalah mutlak. Pada postulat yang kedua ini, Einstein menyatakan justru ruang dan waktu itu yang relatif. Kelajuan cahaya dalam vakum merupakan besaran mutlak, artinya tidak ada kelajuan lain yang lebih besar daripada kelajuan cahaya. Jadi, diukur dalam semua kerangka acuan bergerak, kelajuan cahaya dalam vakum adalah sama.

Jadi, jika ada 2 orang pengamat mengamati suatu peristiwa, yang satu diam dan yang satu lagi bergerak terhadap peristiwa itu, maka persamaan ruang dan waktunya tidak akan sama. Pada relativitas khusus akan mengandung suatu pengali $\gamma$ , yang disebut tetapan transformasi Lorentz.

$\gamma = \sqrt{\frac{1}{1-\frac{v^2}{c^2}}}$

Dimana
$\gamma$ = tetapan transformasi Lorentz
$v$ = kecepatan benda
$c$ = kecepatan cahaya

Dengan menggunakan konsep relativitas khusus ini, kita juga dapat menghitung kecepatan relativistik. Misalkan, pada peristiwa kamu yang diam di peron stasiun (C ) dengan teman kamu yang berada di dalam kereta api (B). Teman kamu yang berada di dalam kereta api melemparkan sebuah batu (A) searah dengan arah kereta api. Maka, kecepatan batu itu menurut kamu yang diam di peron stasiun akan mengikuti persamaan berikut:

$v_{CA} = \frac{v_{CB}+v_{BA}}{1+\frac{v_{CB}+v_{BA}}{c^2}}$

Dimana
$v_{CA}$ = Kecepatan benda C terhadap kerangka acuan A
$v_{CB}$ = Kecepatan benda C terhadap kerangka acuan B
$v_{BA}$ = Kecepatan kerangka acuan B terhadap kerangka acuan A
$c$ = kecepatan cahaya di vakum.

Dampak lain dari teori relativitas khusus tersebut diantaranya fenomena dilatasi waktu, kontraksi panjang, massa relativistik, momentum relativistik dan Energi Relativistik.

1. Dilatasi Waktu

Dilatasi atau pemekaran waktu adalah dampak dari anggapan bahwa waktu tidak mutlak, tetapi relatif. Selang waktu yang diukur dengan oleh dua pengamat yang saling bergerak dengan kecepatan relatif akan berbeda. Dilatasi waktu dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

$\Delta t = \frac{\Delta t_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}=\gamma \Delta t_0$

Dimana
$\Delta t_0$ = waktu sejati; waktu yang diukur oleh pengamat yang diam terhadap kejadian
$\Delta t$ waktu relativistik; waktu yang diukur oleh pengamat yang bergerak terhadap kejadian.

2. Kontraksi Panjang

Panjang adalah jarak 2 titik yang diukur. Pada dilatasi waktu, selang waktu yang diukur berbeda, sedangkan selang waktu adalah jarak dibagi kelajuan. Maka, dampaknya akan ada pemendekan jarak atau panjang dari benda yang diamati oleh dua pengamat yang bergerak relatif. Pemendekan panjang itu disebut Kontraksi panjang, dan mengikuti persamaan:

$L = \frac{1}{\gamma} L_0 = \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}L_0$

Dimana
$L_0$ = panjang sejati; panjang dua titik yang diukur oleh pengamat yang diam terhadap kedua titik
$L$ = panjang relativistik; panjang dua titik yang diukur oleh pengamat yang bergerak terhadap kedua titik

3. Massa Relativistik

Berdasarkan pada teori relativitas khusus, massa benda yang bergerak akan lebih besar dari massa yang diam. Massa relativistik ini mengikuti persamaan:

$m = \frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}=\gamma m_0$

Dimana
$m_0$ = massa diam; massa jika benda dalam keadaan diam
$m$ = massa relativistik; massa jika benda bergerak

4. Momentum Relativistik

Setiap benda yang memiliki massa dan kecepatan pasti memiliki momentum. Jika kita gunakan persamaan massa relativistik pada persamaan momentum, maka dihasilkan persamaan momentum yang baru, yaitu momentum relativistik. Persamaan momentum relativistik itu dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

$p = mv = \gamma m_0 v = \frac{m_0 v}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$

Dimana
$p$ = momentum relativistik

5. Energi Relativistik

Menurut teori relativitas khusus Einstein, energi merupakan hasil perkalian dari massa dan kuadrat kecepatan mutlak. Sehingga terdapat kesetaraan antara massa dan energi. Hukum ini dikenal dengan hukum kesetaraan massa-energi Einstein. Persamaannya yaitu:

$\begin{aligned}E_0 &= m_0c^2 \\ E &= \gamma E_0 = \gamma m_0 c^2 = mc^2 \end{aligned}$

Dimana
$E_0$ = Energi diam
$E$ = Energi total

Dengan demikian, energi kinetik partikel yang bergerak relativistik atau mendekati kecepatan cahaya, sama dengan selisih antara energi total dan energi diamnya. Sehingga mengikuti persamaan berikut:

$EK &= E-E_0 = (\gamma-1)E_0 = (\gamma-1)m_0c^2$

Jadi, itulah teori relativitas khusus Einstein yang telah menjadi pintu gerbang menuju fisika modern. Jika kamu masih penasaran dengan teori relativitas khusus ini, kamu bisa belajar lebih mendalam lagi melalui video pembelajaran di aplikasi belajar online Pahamify. Yuk, download dan berlangganan Pahamify disini!

Penulis: Fakhrizal Muttaqien

Pahami Artikel Lainnya:

2 Comments on “Fisika – Relativitas Khusus”

Fira Anggielia

November 19, 2020 at 2:04 am

terima kasih ya kak

kirigaya kazuto

February 7, 2021 at 3:27 pm

mantap sekali pahamifren

Pahamify | Taklukkan UTBK