Tahun Istimewanya Einstein

PADA tahun 1905, seorang petugas kantor paten berusia 26 tahun bernama Albert Einstein menerbitkan empat makalah ilmiah yang mengubah cara kita memandang alam semesta​—dari unit-unitnya yang terkecil hingga galaksi-galaksinya yang paling besar. Sebagian dari makalah ini juga menjadi batu loncatan untuk banyak temuan yang mengubah kehidupan manusia selama 100 tahun terakhir.

”Hampir semua gagasan fundamental yang penting dalam fisika modern,” kata penerima Nobel bidang fisika Isidor Rabi, ”yang kalau ditelusuri sedikit banyak pasti berkaitan dengan Einstein.” Apa persisnya yang Einstein temukan seabad yang lalu?

Menyibak Rahasia Cahaya

Makalah Einstein yang diterbitkan pada bulan Maret 1905 menyingkapkan beberapa rahasia tentang sifat cahaya. Sebelumnya, para ilmuwan telah menemukan bahwa seraya cahaya berjalan melewati ruang, ia tampaknya berperilaku seperti gelombang air yang beriak melintasi kolam. Namun, teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa cahaya biru-redup menghasilkan arus listrik sewaktu menghantam logam tertentu, tetapi tidak demikian halnya dengan cahaya merah-terang. Makalah Einstein membantu menjelaskan apa yang disebut efek fotolistrik ini.

Einstein berpendapat bahwa cahaya adakalanya dapat dianggap terdiri dari paket-paket kecil energi, belakangan disebut foton. Apabila foton ini berada pada tingkat energi, atau warna, yang tepat, ia dapat mencungkil elektron dari atom beberapa logam. (Foton cahaya merah terlalu lemah untuk melakukannya.) Interaksi ini menyebabkan arus listrik mengalir dalam bahan itu. Temuan modern seperti tabung kamera televisi, sel tenaga surya, dan pengukur cahaya fotografis semuanya berkaitan dengan uraian Einstein tentang efek fotolistrik.

Einstein memenangkan Hadiah Nobel bidang Fisika pada tahun 1921 karena caranya ia menjelaskan cahaya. Makalahnya turut membuka jalan menuju bidang sains baru yang disebut teori kuantum. Selanjutnya, teori kuantum meletakkan dasar untuk sejumlah aplikasi termasuk sains nuklir, elektronika, dan teknologi nano.

Mengapa Serbuk Sari Menari

Pada tahun 1905, Einstein juga mengarahkan perhatiannya pada atom dan molekul. Ia mengajukan penjelasan teoretis tentang efeknya terhadap serbuk sari yang sangat halus yang melayang di dalam air. Pada tahun 1827,  biolog bernama Robert Brown mengamati lewat mikroskop dan memperhatikan bahwa serbuk sari yang direndam dalam air tampak bergoyang-goyang. Ia menyebut tarian serbuk sari itu gerakan Brown, tetapi ia tidak bisa menjelaskan mengapa itu terjadi.

Dalam makalahnya pada bulan Mei 1905, Einstein memperkirakan bagaimana molekul air yang bergetar menyebabkan gerakan Brown ini. Ia tidak hanya menghitung ukuran molekul air, tetapi juga meramalkan sifat-sifat spesifik atomnya. Para ilmuwan lain mengadakan riset lanjutan berdasarkan ramalan ini, sehingga menepis keragu-raguan apa pun tentang keberadaan atom. Fisika modern dibangun berdasarkan gagasan bahwa materi terbuat dari atom.

Waktu itu Relatif

Teori relativitas khusus dari Einstein, yang diterbitkan pada bulan Juni 1905, tidak sependapat dengan kepercayaan fundamental para ilmuwan seperti Isaac Newton​—bahwa pengukuran waktu itu konstan di seluruh alam semesta. Implikasi teori Einstein yang kini diterima umum tampaknya agak ganjil.

Misalnya, bayangkan Anda dan seorang teman menyamakan waktu pada arloji secara sempurna. Lalu, teman Anda terbang mengelilingi dunia, sementara Anda tinggal di rumah. Sewaktu ia kembali, waktu pada arlojinya akan sedikit lebih lambat, walaupun sangat kecil, daripada waktu pada arloji Anda. Dari sudut pandang Anda, waktu melambat bagi teman Anda itu. Tentu saja, perbedaannya sangat kecil pada kecepatan manusia. Namun, apabila mendekati kecepatan cahaya, bukan hanya waktu yang melambat secara signifikan, melainkan juga benda menjadi lebih kecil dan massanya pun lebih besar. Menurut teori Einstein, yang konstan di seluruh alam semesta adalah kecepatan cahaya, bukan waktu.

Rumus yang Mengubah Dunia

Pada bulan September 1905, Einstein menerbitkan makalah lain yang dianggap sebagai catatan kaki matematis untuk teori khusus relativitasnya. Makalah itu memuat rumus yang kini identik dengan karyanya, E=mc². Menurut rumus ini, jumlah energi yang dilepaskan sewaktu atom dibelah setara dengan massa yang hilang kali kecepatan cahaya pangkat dua.

Berkat upaya para ilmuwan seperti Einstein, umat manusia telah banyak belajar tentang sifat alam semesta. Sekalipun demikian, pengetahuan manusia saat ini masih sama seperti yang digambarkan oleh Ayub pada zaman dahulu. Mengenai karya Pencipta, ia dengan rendah hati mengakui, ”Lihat! Ini hanyalah ujung-ujung jalannya, dan hanya bisikan dari suatu perkara yang terdengar mengenai dia!”​—Ayub 26:14.

[Bagan/Gambar di hlm. 20]

(Lihat publikasinya)

Cahaya berperilaku sebagai gelombang sekaligus partikel. Pemahaman ini menghasilkan kalkulator bertenaga surya dan sensor cahaya pada kamera digital

[Bagan/Gambar di hlm. 21]

(Lihat publikasinya)

Gerak Brown turut membuktikan keberadaan atom

Bagan/Gambar di hlm. 21]

(Untuk keterangan lengkap, lihat publikasinya)

E Energi

= setara dengan

m massa

c² kali kecepatan cahaya pangkat dua

c² berarti c kali c, atau 299.793 kilometer per detik × 299.793 kilometer per detik

Karena c2 adalah angka yang luar biasa besar (89.875.518.000 km2/det2), sejumlah kecil massa dapat diubah menjadi energi yang luar biasa besar. Sewaktu sebutir atom uranium dibelah, ia segera membentuk dua atom yang lebih kecil tetapi juga kehilangan kira-kira 0,1 persen massanya; jumlah yang sangat kecil itu melepaskan energi yang sangat besar

Energi dilepaskan

Apabila senyawa apa pun seberat 0,45 kilogram saja diubah seluruhnya menjadi energi, hasilnya setara dengan:

▪ 11 miliar kilowatt jam

▪ tenaga untuk mendorong sebuah mobil mengelilingi bumi 180.000 kali

▪ tenaga untuk mendorong sebuah kapal tanker minyak terbesar mengelilingi dunia 400 kali

▪ kebutuhan tenaga listrik satu hari untuk Amerika Serikat

Kebalikannya juga berlaku. Dibutuhkan energi yang luar biasa besarnya untuk membentuk satu atom saja

[Gambar di hlm. 21]

Semakin cepat Anda bergerak, semakin lambat waktu berjalan

[Gambar di hlm. 21]

Jam pada satelit Sistem Penentuan Posisi Global (GPS) tidak bergerak sama cepatnya dengan jam di bumi. Tanpa mengoreksi efek relativitas ini, sinyal GPS pun tidak ada gunanya

[Keterangan Gambar di hlm. 20]

Einstein: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; background: CERN photo, Geneva