Teori Relativitas Einstein: Pengertian, Fungsi, dan Contoh Penerapan

Teori relativitas Einstein, atau teori relativitas khusus dan umum yang dikemukakan oleh fisikawan Albert Einstein pada awal abad ke-20, telah mengubah paradigma pandangan manusia tentang ruang, waktu, dan gravitasi. 

Teori ini merupakan salah satu pencapaian paling cemerlang dalam sejarah fisika modern. Untuk itu, artikel ini akan menjelaskan pengertian, fungsi, rumus, serta memberikan beberapa contoh untuk memahami lebih lanjut tentang teori relativitas Einstein.

Apa Itu Teori Relativitas Einstein?

Sesuai namanya, teori fisika ini merupakan penemuan besar lainnya dari fisikawan kelahiran Jerman, Albert Einstein. Teori relativitas Einstein merujuk pada dua teori utama dalam fisika, yaitu relativitas khusus (1905) dan relativitas umum (1915). 

Relativitas khusus (1905) membahas tentang ruang dan waktu dalam inersia, yaitu dalam keadaan gerak yang berhubungan satu sama lain. Sehingga, pengamat tidak dapat membedakan satu dari yang lain dengan eksperimen mekanis murni. 

Berawal dari pengamatan perilaku cahaya dan semua radiasi elektromagnetik lainnya, teori relativitas khusus menarik kesimpulan yang bertentangan dengan pengalaman sehari-hari tetapi sepenuhnya dikonfirmasi oleh eksperimen. 

Relativitas khusus mengungkapkan bahwa kecepatan cahaya adalah batas yang dapat didekati, tetapi tidak dicapai oleh benda material apa pun. Konsep itulah yang menjadi asal mula persamaan paling terkenal dalam sains, E = mc².

Sedangkan relativitas umum (1915) membahas tentang gravitasi dan interaksi massa serta energi dengan ruang dan waktu yang merupakan salah satu kekuatan fundamental di alam semesta. 

Gravitasi mendefinisikan perilaku makroskopik, sehingga relativitas umum menggambarkan fenomena fisik berskala besar seperti dinamika planet, kelahiran dan kematian bintang, lubang hitam, dan evolusi alam semesta.

Dua teori relativitas Einstein tersebut menjadi landasan bagi banyak penemuan dan teknologi dalam bidang fisika modern. Einstein mematahkan banyak asumsi yang mendasari teori fisika sebelumnya, mendefinisikan kembali dalam proses konsep dasar ruang, waktu, materi, energi, dan gravitasi. 

Relativitas adalah pusat fisika modern yang berjalan seiring dengan adanya mekanika kuantum. Secara khusus, relativitas memberikan dasar untuk memahami proses kosmik dan geometri alam semesta itu sendiri.

Bagaimana Dua Teori Relativitas Einstein Terbukti?

Para ilmuwan menguji kedua bagian teori relativitas Einstein tersebut dengan menempatkan jam atom yang disinkronkan secara tepat di pesawat dan menerbangkannya ke seluruh dunia. 

Pemeriksaan arloji setelah pesawat mendarat menunjukkan bahwa jam di atas pesawat berjalan sedikit lebih lambat daripada tepatnya. Sehingga, hasilnya kurang dari sepersejuta detik daripada jam di darat.

Perbedaan dihasilkan dari kecepatan pesawat (efek relativitas khusus) dan jarak yang lebih besar dari pusat medan gravitasi bumi (efek relativitas umum).

Fungsi Teori Relativitas Einstein

Pada teori relativitas Einstein, terutama teori relativitas khusus dan teori relativitas umum, memiliki beberapa fungsi penting dalam ilmu fisika dan aplikasinya. Berikut adalah beberapa fungsi utamanya:

1. Relativitas Khusus

Relativitas khusus menjelaskan bagaimana ruang dan waktu berhubungan dengan benda yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Fungsi utama teori ini adalah:

a. Prinsip Relativitas 

Semua hukum fisika berlaku sama untuk pengamat yang relatif bergerak konstan terhadap benda tersebut. Tidak ada pengamat yang memiliki hak istimewa dalam mengamati fenomena fisika.

b. Kecepatan Cahaya adalah Batas Maksimum

Kecepatan cahaya di ruang hampa adalah konstan, yaitu sekitar 299,792,458 meter per detik (disingkat c). Tidak ada partikel dengan massa yang dapat mencapai atau melampaui kecepatan ini.

c. Kontraksi Panjang

Objek yang bergerak dengan kecepatan mendekati cahaya akan mengalami kontraksi panjang pada arah geraknya, sesuai dengan persamaan kontraksi panjang Lorentz.

d. Dilatasi Waktu

Waktu berjalan lebih lambat bagi benda yang bergerak dengan kecepatan mendekati cahaya, sesuai dengan persamaan dilatasi waktu Lorentz.

2. Relativitas Umum

Relativitas umum membahas tentang gravitasi sebagai kelengkapan teori relativitas khusus. Fungsi utama teori relativitas Einstein ini adalah:

a. Membentuk Ruang dan Waktu

Ruang dan waktu tidak lagi dianggap terpisah, tetapi bersatu membentuk ruang waktu empat dimensi. Benda masif membengkokkan ruang waktu, menciptakan gaya gravitasi.

b. Kesetaraan Prinsip

Di dalam medan gravitasi lokal, gerakan benda tidak terpengaruh oleh massa benda itu sendiri. Semua benda, tanpa memandang massa mereka, mengikuti lintasan geodesik dalam ruang waktu.

c. Perpindahan Merupakan Efek Gravitasi

Gaya gravitasi sebenarnya adalah hasil dari lengkungan ruang waktu yang menyebabkan benda-benda mengikuti lintasan terpengaruh oleh massa lain.

Rumus Teori Relativitas Einstein

Sesuai bentuk teori di atas, tentu saja teori relativitas Einstein memiliki dua formulasi utama yang mencakup teori khusus dan teori umum. Berikut adalah dua rumus utama dalam teori ini:

1. Rumus Relativitas Khusus

Adapun rumus-rumus yang berkaitan dengan teori relativitas khusus meliputi:

a. Persamaan Energi-Massa

Dalam rumus tersebut, E adalah energi, m adalah massa, dan c adalah kecepatan cahaya. Persamaan ini menunjukkan bahwa massa bisa diubah menjadi energi dan sebaliknya.

b. Kontraksi Panjang Lorentz

Dalam rumus tersebut, L adalah panjang dalam keadaan bergerak, L0 adalah panjang dalam keadaan diam, v adalah kecepatan benda, dan c adalah kecepatan cahaya.

c. Dilatasi Waktu Lorentz

Dalam rumus tersebut, Δt adalah interval waktu dalam keadaan bergerak, Δt₀ adalah interval waktu dalam keadaan diam, v adalah kecepatan benda, dan c adalah kecepatan cahaya.

2. Rumus Relativitas Umum

Sedangkan rumus-rumus yang berkaitan dengan teori relativitas umum Einstein meliputi:

1. Persamaan Laplace-Runge-Lenz

Pada dasarnya, persamaan Laplace-Runge-Lenz merupakan persamaan matematika yang terkait dengan dinamika orbital pada sistem dua benda yang saling bergravitasi, seperti planet yang mengorbit matahari. 

Persamaan ini memberikan kuantitas fisik yang dikenal sebagai vektor LRL (Laplace-Runge-Lenz), yang memiliki sifat-sifat khusus dalam membentuk orbit Keplerian tertentu.

2. Persamaan Medan Einstein

Dalam rumus tersebut, RV adalah tensor Ricci, R adalah skalar Ricci, dan gv adalah tensor metrik. Kemudian, Λ adalah konstanta kosmologis, G adalah konstanta gravitasi, c adalah kecepatan cahaya, dan Tv adalah tensor energi-impuls.

Contoh Penerapan Teori relativitas Einstein

Teori relativitas Einstein telah teruji dan terbukti akurat dalam banyak situasi dan aplikasi. Berikut adalah beberapa contoh penerapan teori ini:

1. GPS

Global Positioning System yang biasa disebut GPS mengandalkan relativitas khusus. Tujuannya adalah untuk mengoreksi perbedaan waktu antara satelit dan penerima di Bumi, yang disebabkan oleh kecepatan satelit.

2. Efek Cherenkov

Partikel bermuatan yang bergerak melalui medium dengan kecepatan melebihi kecepatan cahaya dalam medium tersebut menghasilkan efek cahaya Cherenkov. Teori Relativitas Khusus menyatakan bahwa semakin mendekati kecepatan cahaya, semakin besar waktu relatif dan massa dari benda tersebut. 

3. Bukti Lintasan Cahaya

Saat gerhana matahari, bintang-bintang terlihat di posisi yang berbeda di langit karena lintasan cahaya mereka membengkok oleh medan gravitasi Matahari. Fenomena ini telah diamati dalam eksperimen dengan partikel berkecepatan tinggi seperti partikel diakselerator partikel.

4. Lensa Gravitasi

Efek pembengkokan cahaya oleh objek-objek massif seperti galaksi dan lubang hitam dapat digunakan untuk memperbesar citra benda-benda di luar angkasa. Teori Relativitas Umum telah membantu dalam memahami gravitasi benda besar, seperti planet, bintang, dan lubang hitam. 

Apa Artinya Teori Relativitas Einstein Bagi Alam Semesta?

Teori relativitas Einstein memungkinkan kita melihat bagaimana gravitasi berinteraksi di dunia. Ketika ada perubahan gravitasi, struktur waktu dapat berubah. Efek ini telah dipelajari pada astronot karena mereka menua lebih lambat. 

Fakta itu juga menjadi bukti mengapa jika Anda memakai jam tangan di pergelangan kaki Anda, itu akan lebih lambat dari satu di pergelangan tangan Anda pada akhirnya. Jika Anda tinggal di ruang bawah tanah, penuaan Anda hanya akan sepersekian detik lebih lambat daripada yang ada di gunung.

Pada skala yang lebih besar, artinya adalah bahwa alam semesta dapat mengembang lebih cepat daripada cahaya saat melakukan perjalanan pada komponen luarnya.

Sudah Pahamkah Anda dengan Teori Relativitas Einstein?

Pada kesimpulannya, teori relativitas Einstein, yang terdiri dari relativitas khusus dan relativitas umum, merupakan pondasi penting dalam fisika modern. Relativitas khusus menjelaskan fenomena pada kecepatan mendekati cahaya. 

Sedangkan teori relativitas umum menjelaskan fenomena gravitasi dan interaksi massa dengan ruang dan waktu. Dalam aplikasinya, teori-teori tersebut terbukti sangat relevan dan berhasil menjelaskan berbagai fenomena alam yang kompleks.