Teori relativitas khusus yang dikemukakan oleh Albert Einstein pada tahun 1905 merupakan salah satu teori yang paling berpengaruh di bidang fisika teoritis dan praktis abad ke-20. Setiap fisikawan mengetahuinya, tetapi bagaimana itu bisa dijelaskan kepada mereka yang tidak ada hubungannya dengan sains? Adakah hal dan fenomena yang diamati dalam kehidupan sehari-hari yang dapat menunjukkan aksi teori revolusioner ini?
Teori relativitas
Diformulasikan oleh Albert Einstein pada tahun 1905, teori relativitas ilmiah menyatakan bahwa:
- semua proses fisik berlangsung sama di mana-mana, dan hukum fisika diamati di lingkungan mana pun;
- ada kecepatan maksimum penyebaran interaksi yang tidak dapat melebihi kecepatan cahaya;
- ruang dan waktu homogen.
Video promosi:
Teori tersebut menjelaskan perilaku berbagai objek dalam ruang-waktu, yang memungkinkan untuk memprediksi segala sesuatu mulai dari keberadaan lubang hitam, yang tidak dapat dipercaya oleh Einstein sendiri, hingga gelombang gravitasi. Relativitas tampaknya tampak sederhana, tetapi itu tidak sepenuhnya benar.
Pengaruh teori relativitas
Teori relativitas menjelaskan tidak hanya fenomena menakjubkan seperti gelombang gravitasi dan lubang hitam, tetapi juga bagaimana ruang-waktu dipersepsikan secara berbeda tergantung pada kecepatan dan arah pergerakan benda.
Jika kecepatan cahaya selalu konstan, ini berarti bagi astronot yang bergerak relatif sangat cepat ke Bumi, detik berlalu lebih lambat daripada pengamat dari Bumi. Waktu pada dasarnya melambat bagi astronot.
Tapi kita tidak perlu pesawat luar angkasa untuk mengamati berbagai efek relativistik. Faktanya, ada banyak kasus di mana teori relativitas khusus, yang dirancang untuk meningkatkan mekanika Newton, memanifestasikan dirinya dalam kehidupan kita sehari-hari dan teknologi yang kita gunakan secara teratur.
Listrik
Magnetisme adalah efek relativistik, dan jika Anda menggunakan listrik, Anda dapat berterima kasih kepada relativitas karena membuat generator bekerja.
Jika Anda mengambil konduktor dan memaparkannya ke medan magnet, arus listrik akan dihasilkan. Partikel bermuatan dalam konduktor terkena medan magnet yang berubah, yang memaksa mereka untuk bergerak dan menciptakan arus listrik.
Elektromagnet
Pekerjaan elektromagnet juga dijelaskan dengan sempurna oleh teori relativitas. Ketika arus searah muatan listrik melewati kawat, elektron di dalamnya melayang. Biasanya kawat tampak netral secara elektrik, tanpa muatan positif atau negatif. Ini adalah konsekuensi dari adanya jumlah proton (muatan positif) dan elektron (muatan negatif) yang sama di dalamnya. Tetapi jika Anda menempatkan kabel lain di sebelahnya dengan aliran listrik langsung, kabel-kabel tersebut akan menarik atau menolak satu sama lain, tergantung pada arah aliran arus dalam kabel tersebut.
Jika arus bergerak ke arah yang sama, elektron dari kabel pertama "melihat" elektron pada kabel kedua sebagai diam (jika muatan listrik memiliki kekuatan yang sama). Sedangkan dari segi elektron, proton pada kedua kabel tersebut sedang bergerak. Karena pemendekan relativistik panjangnya, mereka tampaknya terletak lebih dekat satu sama lain, dengan demikian, di sepanjang seluruh panjang kabel, ada lebih banyak muatan positif daripada negatif. Karena muatan yang sama ditolak, kedua kabel juga menolak.
Arus yang berjalan berlawanan arah menyebabkan konduktor tertarik.
Sistem Penentuan Posisi Global
Untuk navigasi GPS yang paling akurat, satelit harus memperhitungkan efek relativistik. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa, meskipun satelit bergerak jauh lebih lambat dari kecepatan maksimumnya, mereka masih bergerak cukup cepat. Satelit mengirim sinyalnya ke stasiun bumi. Mereka, seperti navigator GPS mobil, ponsel cerdas, dan perangkat lain, mengalami akselerasi yang lebih tinggi akibat gravitasi daripada satelit di orbit.
Untuk mencapai akurasi yang sempurna, satelit mengandalkan jam super akurat untuk mengetahui waktu hingga nanodetik (sepersejuta detik). Karena setiap satelit berada 20.300 kilometer di atas Bumi dan bergerak ke sana dengan kecepatan sekitar 10.000 kilometer per jam, perbedaan waktu relativistik sekitar empat mikrodetik per hari muncul. Tambahkan gravitasi ke persamaan dan jumlahnya naik menjadi sekitar tujuh mikrodetik. Ini sekitar 7 ribu nanodetik.
Perbedaannya cukup besar: jika tidak ada efek relativistik yang diperhitungkan, navigator GPS akan keliru sejauh hampir 8 kilometer pada hari pertama.
Warna emas yang mulia
Logam tampak berkilau karena elektron dalam atomnya bergerak di antara tingkat energi atau orbital yang berbeda. Beberapa foton cahaya yang mengenai permukaan logam diserap dan kemudian dipancarkan oleh gelombang cahaya yang lebih panjang. Sebagian besar sinar cahaya tampak hanya dipantulkan.
Atom emas sangat berat, sehingga elektron dalam inti bergerak cukup cepat, menghasilkan peningkatan massa yang relatif signifikan. Akibatnya, elektron berputar di sekitar inti dalam orbit yang lebih pendek dengan lebih banyak momentum. Elektron di orbital dalam membawa muatan yang kira-kira sama dengan muatan elektron terluar, masing-masing, cahaya yang diserap dan dipantulkan dicirikan oleh gelombang yang lebih panjang.
Panjang gelombang cahaya yang lebih panjang berarti bahwa beberapa cahaya tampak yang biasanya hanya dipantulkan telah diserap oleh atom, dan bagian itu berada di ujung biru spektrum. Ini berarti bahwa cahaya yang dipantulkan dan dipancarkan oleh emas mendekati spektrum panjang gelombang yang lebih panjang, yaitu lebih kuning, oranye dan merah, dan hampir tidak ada gelombang pendek biru dan ungu.
Emas sebenarnya tidak bisa dihancurkan
Efek relativistik yang terlihat pada elektron dalam emas juga menjadi alasan logam tidak terkorosi dan bereaksi buruk dengan unsur lain.
Emas hanya memiliki satu elektron di kulit elektron terluar, tetapi meskipun demikian, ia bahkan kurang aktif daripada kalsium atau litium, yang memiliki struktur serupa. Elektron dalam emas lebih berat dan karena itu terletak lebih dekat ke inti atom. Ini berarti bahwa elektron terluar yang paling jauh, kemungkinan besar, akan berada di antara elektron "sendiri" di kulit dalam, kemudian akan mulai bereaksi dengan elektron terluar unsur lain.
Kondisi cair merkuri
Seperti emas, merkuri juga memiliki atom berat dengan elektron yang mengorbit di dekat nukleus. Oleh karena itu, terjadi peningkatan relatif dalam kecepatan dan massa karena pengurangan jarak antara inti dan partikel bermuatan.
Ikatan antar atom merkuri sangat lemah sehingga merkuri meleleh pada suhu yang lebih rendah dari logam lain dan umumnya cair dalam banyak kasus kehidupan sehari-hari.
TV dan Monitor Lama
Belum lama berselang, sebagian besar televisi dan monitor adalah perangkat sinar katoda. Tabung sinar katoda adalah perangkat yang mereproduksi gambar optik dengan menembakkan elektron dalam balok atau berkas sinar ke permukaan bercahaya dengan magnet besar. Setiap elektron menciptakan piksel yang diterangi saat menyentuh bagian belakang layar. Elektron diluncurkan pada kecepatan tinggi yang setara dengan sekitar 30% dari kecepatan maksimum, atau kecepatan cahaya.
Untuk gambar optik fungsional yang akan dibentuk, elektromagnet yang dipasang di peralatan untuk mengarahkan elektron ke bagian layar yang diperlukan harus memperhitungkan berbagai efek relativistik agar tidak mengganggu keseluruhan sistem.
Harapan Chikanchi
