ada satu benda di dunia ini, yang sudah ada semenjak alam semesta lahir, tapi tidak pernah merayakan hari kelahirannya alias tak berumur. Itulah foton, atau partikel cahaya. Tapi, bagaimana mungkin? Mari kita telaah dengan teori relativitas khusus Einstein.

Begitu mendengar teori relativitas khusus, ingatan kita spontan menuju konstanta kecepatan cahaya, kecepatan tercepat yang ada di jagad raya ini. Relativitas khusus mengatakan, ruang dan waktu, oleh Newtonian dianggap terpisah dan bernilai absolut, menyesuaikan diri mereka demi menjaga konstanitas kecepatan cahaya yang bernilai 3x108 meter/detik tersebut. Dengan kata lain, dimensi waktu akan melambat atau mencepat, dan dimensi ruang akan memanjang atau memendek, sehingga kecepatan foton selalu bernilai sama.

Konsep ini disimpulkan dengan satu kalimat, ”Benda bergerak akan merasakan waktu melambat dan ruang memendek.”

Konsep ini tidaklah sederhana, saat Einstein mempostulatkannya pada tahun 1905. Diperlukan puluhan tahun bagi para fisikawan untuk benar-benar bisa mengerti teori tersebut.

Sekarang mari kita ulangi percobaan fantasi yang pernah Einstein lakukan untuk memahami bagaimana waktu melambat dan ruang memendek.

Bagaimana waktu melambat?

Bayangkan kita memiliki dua buah jam-foton seperti pada Gambar 1. Kerja jam-foton tersebut adalah sebagai berikut: sebuah foton terperangkap dalam dua buah cermin (yang merefleksikan 100?ahaya yang datang). Foton ini akan bergerak maju-mundur membentur dua cermin tersebut. Kedua cermin ini kita lengkapi dengan sepesial detektor yang akan berbunyi ”tik” setiap kali foton menyentuh permukaannya.

Kecepatan cahaya 3x108 meter/detik berarti cahaya akan menempuh jarak sejauh 3x108 meter dalam satu detik. Jika dua cermin tadi terpisah sejauh 30 meter (d = 30 meter), maka total foton menabrak dua cermin tersebut adalah 107 kali tik. Dengan kata lain, setiap kali detektor kita berbunyi 107 tik berarti itu sama dengan satu detik.

Satu jam-foton berdiri diam di atas Bumi, sementara yang lain kita beri kecepatan v pada sumbu-x. Foton pada jam-foton yang diam (kita sebut foton #1) harus bergerak 30 meter untuk bisa menghasilkan 1 tik. Tapi foton pada jam-foton yang bergerak (foton #2) harus begerak sejauh d’, yang dari Gambar 2 bisa kita lihat lebih panjang daripada d.

Akibatnya, saat foton #1 sudah membuat 107 tik, foton #2 masih berjuang untuk menghasilkan tik yang sama. Saat foton #2 berhasil menghasilkan 107 tik, foton #1 sudah memulai perjalanan untuk menghasilkan 107 tik kedua. Artinya, benda yang bergerak akan merasakan waktu 1 detik lebih lama (waktu melambat) daripada saat dia diam.

Bagaimana ruang memendek?

Bayangkan kita punya sebuah mobil yang panjangnya diukur saat diam adalah 5 meter. Tugas kita sekarang adalah mengukur panjang mobil ini saat berjalan, sementara kita tetap diam di atas Bumi. Tentu kita tidak mengukur dengan meteran seperti yang kita lakukan saat mobil diam.

Cara yang terbaik adalah memakai stopwatch. Hidupkan stopwatch ketika ujung depan mobil menyentuh sebuah garis acuan dan matikan saat ujung belakangnya melewati garis itu.

Jika kita bisa melakukan dengan akurat, maka waktu yang ditunjukkan stopwatch (t) berbanding lurus dengan panjang mobil (L), yaitu L = v*t, dengan v adalah kecepatan mobil tersebut. Panjang mobil saat jalan bisa didapat dengan mudah karena kita punya data v dan t.

Kalau percobaan itu dilakukan beberapa kali dengan meningkatkan kecepatan mobil, akan diperoleh hasil, semakin cepat pergerakan mobil maka semakin pendek panjang mobil. Kenapa demikian?

Dengan pemahaman waktu melambat di atas, hal ini lebih mudah dimengerti. Mobil yang berjalan akan mengalami perlambatan waktu. Semakin cepat dia bergerak, semakin lambat waktu yang dia rasakan, sehingga waktu yang diukur stopwatch semakin kecil. Dengan demikian, sesuai dengan L = v*t, panjang mobilpun semakin memendek.

Pergerakan dalam 4-Dimensi

Sejauh ini kesimpulan dari percobaan fantasi kita adalah semakin cepat benda bergerak, semakin melambat waktunya, dan semakin memendek ruangnya. Sekarang kita kembangkan kesimpulan itu untuk masuk dalam konsep ruang-waktu teori relativitas khusus.

Kita hidup dalam 4-dimensi, 3 dimensi ruang dan 1 dimensi waktu. Keempat dimensi ini dibutuhkan untuk memberikan koordinat lengkap sebuah objek di alam semesta ini. Misalnya saat menggambarkan keberadaan seseorang di Lantai 4 Gedung PAU di Jln. Ganesha 10 (untuk menggambarkan 3 dimensi ruang), kita masih harus menyatakan pada pukul berapa orang itu ada di sana.

Sebuah objek sebenarnya bergerak di 4 dimensi ini. Sebuah mobil yang diam, tetap bergerak di dimensi waktu. Saat mobil ini dijalankan, maka pergerakannya di dimensi waktu “harus dibagi” dengan pergerakan di dimensi ruang. Sehingga pergerakan di dimensi waktu berkurang: waktu melambat karena pergerakan benda di dimensi ruang, persis seperti yang kita buktikan percobaan jam-foton.

Logika tersebut mengantarkan kita pada pemikiran, untuk mencapai pergerakan maksimum di dimensi ruang maka pergerakan di dimensi waktu harus nol. Pada kondisi inilah kecepatan benda menempuh dimensi ruang bisa maksimal.

Dan sesuai dengan teori relativitas khusus, bahwa kecepatan maksimal adalah kecepatan cahaya, segera kita sadari bahwa cahaya sama sekali tidak bergerak pada dimensi waktu. Dengan kata lain, foton tidak berumur . Foton yang dihasilkan semenjak alam semesta terbentuk sampai sekarang umurnya sama!

Bisa melewati kecepatan cahaya?

Ini terkait dengan salah satu formula teori relativitas khusus yang sangat terkenal: E=mc2, di mana E adalah energi, m adalah massa, dan c adalah konstanta kecepatan cahaya.

Formula tersebut menjelaskan relasi langsung antara energi-massa (konservasi energi-massa). Sebuah objek dengan massa m bisa menghasilkan energi E sebesar mc2 – dan karena c sebuah konstanta yang besar, massa yang kecil tetap akan menghasilkan energi yang besar. Bayangkan, Hiroshima tahun 1945 hancur akibat energi yang dihasilkan 1dari 2 pounds Uranium.

Di sisi lain, formula ini memainkan peranan penting dalam pergerakan objek dalam 4-dimensi. Benda yang bergerak memiliki energi kinetik, semakin tinggi kecepatannya semakin besar energinya.

Saat kita paksa partikel muon mencapai kecepatan 99,9? kecepatan cahaya, muon memiliki energi yang besar. Karena konservasi energi-massa, energi tadi meningkatkan massa muon 22 kali lebih massif daripada massa-diamnya (0.11 MeV).

Tentu saja semakin masif (pejal) benda, semakin susah untuk bergerak cepat. Ketika kecepatannya dinaikkan menjadi 99,999?ecepatan cahaya, massanya bertambah 70.000 kali! Muon semakin masif dan semakin cenderung untuk tidak bergerak. Sehingga dibutuhkan energi yang tak berhingga untuk melewati kecepatan cahaya – jumlah energi yang tidak mungkin.          salam untuk semua teman FORSA                                               

Dengan pemahaman waktu melambat di atas, hal ini lebih mudah dimengerti. Mobil yang berjalan akan mengalami perlambatan waktu. Semakin cepat dia bergerak, semakin lambat waktu yang dia rasakan, sehingga waktu yang diukur stopwatch semakin kecil. Dengan demikian, sesuai dengan L = v*t, panjang mobilpun semakin memendek.

yakin itu bukan karena human error-nya?
knapa bisa L-nya memendek?
IMHO
walopun t-nya memendek, tapi v-nya membesar (kan?), sehingga L=konstan?

oh iya,kalo misal aq punya mobil yang melaju dengan V=0.8C;
menurut teori relativitas itu, yang memendek tu ruangnya? ato mobilnya? ato keduanya?

Orang awam mau nanya nih...hehehehehe...apakah ketika foton itu menabrak cerminnya tidak mengurangi kecepatan cahaya tersebut???

Di ruang hampa dan bebas dari gravitasi,  manusia dan benda-benda melayang / mengambang.   Bila di ruang itu dipancarkan berkas cahaya,  bagaimana kejadiannya, apa si foton ini mengambang juga ?

Betul, berhubungan  dengan gaya tarik gravitasi.  Itu berkaitan dengan eksperimen imajiner Eintein,  suatu elevator bergerak naik ke atas,  kemudian dari arah luar elevator ditembakkan berkas cahaya ke lubang pada dinding elevator pada salah satu sisi.  Pengamat di dalam elevator melakukan pengukuran dengan teliti pada dinding elevator sisi lainnya,  dan menurut Einstein,  akan mendapati berkas  cahaya seperinci di bawah lubang arah datangnya cahaya,  Dari eksperimen imajiner itu Einstein menyimpulkan cahaya dipengaruhi oleh gravitasi.

Dengan menggunakan cara berpikir seperti yang dilakukan Einstein,  kita bisa membayangkan jika elevator imajiner itu bukan bergerak ke atas,  tapi dijatuhkan ke bawah,  dan berkas cahaya ditembakkan melalui lubang seperti di atas tadi.  Pengamat di dalam elevator melakukan pengukuran dengan teliti,  dan mau tidak mau kita harus mengatakan,  bahwa pengamat mendapati  berkas cahaya seperinci di atas lubang arah datangnya cahaya. 

Itu  yang saya maksud, bahwa berdasarkan eksperimen imajiner elevator dijatuhkan ke bawah,   berkas cahaya akan melayang.

Yang ingin saya sampaikan adalah,  bahwa kita tidak bisa membuat kesimpulan secara tepat terhadap suatu teori hanya berdasarkan eksperimen imajiner.

@semut-ireng: Saya belum pernah membaca gedanken-experiment spt yg anda gambarkan.. Namun OKlah, saya tangkap maksud anda.. Jelas, materi-energi berkaitan dengan ruang waktu di sekelilingnya, krn gamblang dari persamaan Eisntein:
. adalah geometry ruang-waktu dan rapat energi-materi yg mengisi ruang dengan geometri nya...
Bahkan sebuah foton, betapapun kecil energiya, pasti mempengaruhi geometri ruang-waktu di sekitarnya, artinya tidak Nol. Namun demikian saya tidak mau berkomen lebih jauh krn saya belum pernah bongkar persamaan ini, untuk milik medan Maxwell, tapi rasanya sudah banyak paper research ttg ini..
Ttg gedanken-experiment dan anda katakan kita tidak dapat mengandalkan benar hal ini..? Jelas donk, kita bisa memikirkan alam/nature sebagaimana dalam benak kita, tapi alam memiliki detail tersendiri yang banyak bisa terlupakan atau bahkan belum tahu.. Tahukah anda tentang gedanken-experiment Einstein ttg partikel (rasanya cahaya) yg keluar dari kotak dimana kotak dilengkapi alat pengukur berat dan waktu yang ideal.. Kalau tidak salah ini di pertemuan Solvay (sy lupa yg mana), dengan tujuan menyerang konsep kuantum Copenhagen, di mana pada saat itu Bohr dan Heisenberg (mungkin Pauli juga ada) hadir.. Semula Einstein yakin bahw dia bakal menang, namun dalam semalam Bohr dapat mematahkan argumenya, dan lebih ironis lagi Bohr justru menggunakan teori gravitasi Enstein sendiri untuk menunjukkan kesalahan Einstein (kesilapan dia).. Jadi, seperti kata Feynman: eksperimen adalah yang tertinggi dalam sains, betapapun indah teori seseorang, kalau tidak sesuai dengan alam ini, maka itu salah.. tidak ada kompromi...

@Bernando: Foton bisa memiliki properti partikel, dia memiliki jumlah, kalau anda pernah belajar teori kuantum, kita mengenal operator bilangan yang memiliki harga eigen jumlah pertikel dalam suatu keadaan... Sekaligus dia juga memenuhi sifat gelombang, artinya dalam bicara masalah foton, tetap kita gunakan persamaan Maxwell yang adalah persamaan gelombang, ada solusi gelombangnya, pake baju kayak: ..
Tapi inilah kuantum, dualisme gelombang-partikel.. Kita tidak punya gambaran klasik tentang ini.. Secara filosofis kalau partikel ya partikel, gelombang ya gelombang, partikel tidak sama dengan gelombang.. So, we still have a big homework then.. 

mudahnya gini aja, foton itu adalah istilah untuk partikel cahaya, yang ia juga punya properti gelombang (krn kuantum).. biasanya dalam fisika partikel, kalau kita bicara ttg foton, yang dibayangkan adalah objek partikel dengan massa nol, dan ia bertugas memediasikan interaksi elektromagnetik.. nah, secara klasik mediasi elektromagnetik khan dalam pengaruh medan elektromagnetik bukan.. artinya pengertian kita akan foton bisa diperluas bukan hanya untuk cahaya, tapi secara umum adalah kuantum/partikel dari medan elektromagnetik.. foton bisa menyusun cahaya tampak (dalam range frekuensi tertentu), dan juga gelombang elektromagnetik yg lain..
lebih jauh silahkan cek:
http://en.wikipedia.org/wiki/Photon
http://en.wikipedia.org/wiki/Wave%E2%80%93particle_duality

Pada awal topik ada pernyataan  :  "  Benda bergerak akan merasakan waktu melambat dan ruang memendek. "    Apakah pernyataan itu berupa kesimpulan dari percobaan fantasi / eksperimen imajiner/ gedanken-experiment,  atau eksperimen betulan bukan eksperimen imajiner  ?

Bukan, itu nyata dan sudah terbukti.. kalau ga salah jam atom di pesawat sangat cepat bergerak lebih lambat dari yg di bumi..