Postulat Einstein – Gerak Relatif Newton dan Relativitas Einstein

Teori relativitas khusus yang diusulkan oleh Albert Einstein di awal abad ke-20 merupakan sebuah revolusi dalam dunia fisika, terutama dalam memandang ruang, waktu, dan gerak.

Dua postulat einstein yang menjadi dasar teori ini telah mengubah pandangan kita tentang konsep gerak relatif yang sebelumnya diperkenalkan oleh Isaac Newton.

Bunyi Postulat Newton

Isaac Newton, salah satu ilmuwan terbesar dalam sejarah, mengembangkan teori mekanika klasik pada abad ke-17 yang mendasari pandangan tentang gerak dan gaya di dunia sehari-hari. Postulat Newton tentang gerak relatif tercermin dalam tiga hukum geraknya. Secara umum, hukum-hukum ini menjelaskan bagaimana benda bergerak di bawah pengaruh gaya.

Salah satu prinsip utama dalam mekanika Newton adalah prinsip inersia, yang menyatakan bahwa sebuah benda akan tetap diam atau bergerak lurus dengan kecepatan konstan kecuali ada gaya eksternal yang mengubah keadaan tersebut.

Dalam mekanika Newton, ruang dan waktu dianggap sebagai entitas terpisah dan absolut. Dengan kata lain, waktu berlalu sama di mana saja, terlepas dari gerakan benda, dan ruang dianggap sebagai panggung statis tempat benda bergerak.

Pandangan ini diterapkan dalam konsep gerak relatif, di mana gerak suatu benda diukur relatif terhadap kerangka referensi lain. Misalnya, kecepatan mobil dapat diukur relatif terhadap permukaan jalan, atau relatif terhadap pengamat yang bergerak dengan kecepatan tertentu. Secara matematis, kecepatan relatif dihitung sebagai selisih kecepatan antara dua benda:

$$ v_{relatif}​=v1​−v2​ $$

Di dunia sehari-hari, konsep ini bekerja dengan baik. Namun, ketika diterapkan pada kecepatan cahaya, hasil eksperimen menunjukkan bahwa kecepatan cahaya selalu konstan, terlepas dari kecepatan pengamat.

Ini bertentangan dengan pandangan Newton, yang mengharapkan kecepatan cahaya berubah tergantung pada kecepatan relatif pengamat. Anomali ini tidak bisa dijelaskan oleh fisika Newton dan menjadi salah satu faktor utama yang mendorong pengembangan teori relativitas oleh Einstein.

Gerak Relatif Newton

Dalam mekanika Newton, gerak relatif diartikan sebagai gerakan suatu objek yang diukur dari sudut pandang pengamat yang berbeda.

Menurut Newton, gerakan benda dapat diukur secara absolut jika kita memiliki titik referensi yang absolut. Namun, dalam kerangka inersia, semua hukum fisika berlaku dengan cara yang sama, tidak peduli apakah pengamat sedang bergerak atau diam.

Sebagai contoh, jika kita berada di dalam mobil yang bergerak dengan kecepatan konstan, kita tidak akan merasakan adanya gerakan kecuali jika kita melihat benda di luar mobil. Hal ini menunjukkan bahwa gerak relatif adalah relatif terhadap kerangka referensi yang digunakan untuk mengukurnya.

Namun, ketika ilmuwan mulai mengamati bahwa kecepatan cahaya selalu konstan, bahkan untuk pengamat yang bergerak, pandangan Newton tentang ruang dan waktu mulai dipertanyakan. Pengamatan ini membuka jalan bagi teori relativitas Einstein yang secara radikal mengubah cara kita memandang gerak relatif.

Relativitas Einstein

Pada tahun 1905, Einstein menerbitkan makalah yang memperkenalkan teori relativitas khusus, yang didasarkan pada dua postulat dasar. Teori ini mengatasi masalah yang tidak dapat dijelaskan oleh mekanika Newton dan memberikan pemahaman baru tentang ruang, waktu, dan gerak.

Ilustrasi relativitas khusus Einstein

Postulat Einstein Pertama: Kesetaraan Hukum Fisika di Semua Kerangka Acuan Inersia

Postulat pertama menyatakan bahwa hukum-hukum fisika berlaku sama di semua kerangka acuan inersia. Ini berarti tidak ada kerangka referensi yang lebih istimewa dibandingkan yang lain.

Dengan kata lain, tidak ada pengamat yang dapat menentukan apakah mereka bergerak atau diam kecuali relatif terhadap benda lain.

Hal ini memperluas pandangan Newton bahwa hukum-hukum fisika berlaku sama di semua kerangka referensi inersia, tetapi dengan cakupan yang lebih luas.

Postulat Einstein Kedua: Kecepatan Cahaya Konstan

Postulat kedua menyatakan bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa selalu konstan, tidak peduli seberapa cepat pengamat atau sumber cahaya bergerak.

Ini adalah perbedaan utama dari mekanika Newton. Dalam fisika Newton, jika Anda bergerak mendekati sumber cahaya, Anda akan mengharapkan cahaya bergerak lebih cepat relatif terhadap Anda.

Namun, menurut Einstein, kecepatan cahaya selalu konstan sekitar 299.792 kilometer per detik, terlepas dari gerakan pengamat atau sumber cahaya.

Konstannya kecepatan cahaya ini menantang konsep Newtonian bahwa ruang dan waktu adalah entitas terpisah dan absolut. Postulat ini mengarah pada gagasan bahwa waktu dan ruang sebenarnya relatif, bergantung pada kecepatan relatif pengamat.

Implikasi Relativitas Einstein terhadap Gerak Relatif

Dari dua postulat ini, Einstein menyimpulkan bahwa waktu dan ruang adalah bagian dari entitas yang disebut ruang-waktu. Beberapa konsekuensi penting dari teori relativitas khusus termasuk:

• Dilatasi Waktu
  Waktu akan berjalan lebih lambat untuk benda yang bergerak sangat cepat relatif terhadap pengamat yang diam. Fenomena ini disebut dilatasi waktu.
  
  Sebagai contoh, seorang astronot yang bergerak mendekati kecepatan cahaya akan mengalami waktu lebih lambat dibandingkan orang yang tinggal di Bumi.
  
• Kontraksi Panjang
  Benda yang bergerak dengan kecepatan sangat tinggi akan tampak lebih pendek dalam arah gerak relatif terhadap pengamat. Ini dikenal sebagai kontraksi panjang.
  
• Paradoks Kembar
  Dalam eksperimen teoretis yang dikenal sebagai paradoks kembar, jika satu kembar bepergian dengan kecepatan mendekati cahaya, dia akan kembali lebih muda dibandingkan saudara kembarnya yang tetap berada di Bumi. Ini adalah contoh efek dilatasi waktu.
  
• E=mc²
  Relativitas Einstein juga menghasilkan hubungan antara energi dan massa yang diwakili oleh persamaan terkenal \( E = mc^2 \).
  
  Persamaan ini menunjukkan bahwa massa dan energi dapat saling dikonversi, yang membuka jalan bagi pemahaman baru tentang reaksi nuklir dan energi.

Perbedaan Fundamental antara Relativitas Newton dan Relativitas Einstein

Perbedaan utama antara relativitas Newton dan relativitas Einstein adalah cara keduanya memperlakukan waktu dan ruang. Dalam mekanika Newton, waktu dan ruang bersifat absolut dan tidak berubah.

Namun, relativitas Einstein menunjukkan bahwa waktu dan ruang saling terkait, dan gerak relatif benda memengaruhi bagaimana waktu dan ruang dirasakan oleh pengamat yang berbeda.

Dalam situasi sehari-hari, hukum-hukum Newton masih sangat berguna dan akurat. Namun, pada skala kosmik dan pada kecepatan mendekati kecepatan cahaya, teori relativitas Einstein lebih tepat dalam menjelaskan fenomena alam.

Kesimpulan

Perbedaan mendasar antara relativitas Newton dan relativitas Einstein terletak pada pemahaman tentang ruang dan waktu. Newton menganggap ruang dan waktu sebagai entitas yang terpisah dan absolut, sementara Einstein menunjukkan bahwa keduanya relatif dan saling terkait.

Melalui dua postulat dasarnya, Einstein berhasil menjelaskan fenomena-fenomena yang tidak bisa dijelaskan oleh fisika Newton, seperti konstannya kecepatan cahaya dan efek-efek relativistik seperti dilatasi waktu dan kontraksi panjang.

Teori relativitas Einstein telah mengubah cara kita memandang alam semesta, membuka jalan bagi pemahaman yang lebih mendalam tentang ruang, waktu, dan gerak di alam semesta.