Teori Relativitas Khusus

Transkripsi

1 Fisika Teoretik Energi Tinggi dan Instrumentasi, Institut Teknologi Bandung 12 April 2017

2 Materi 1 Relativitas, Galileo vs Einstein 2 Relativitas Simultanitas 3 Relativitas Waktu 4 Relativitas Panjang 5 Transformasi Lorentz 6 Relativitas Kecepatan 7 Momentum 8 Energi

3 Relativitas, Galileo vs Einstein 1 Relativitas, Galileo vs Einstein 2 Relativitas Simultanitas 3 Relativitas Waktu 4 Relativitas Panjang 5 Transformasi Lorentz 6 Relativitas Kecepatan 7 Momentum 8 Energi

4 Relativitas, Galileo vs Einstein Prinsip Relativitas Galileo Prinsip relativitas Galileo: The laws of mechanics must be the same in all inertial frames of reference. Transformasi Galileo: x = x vt y = y z = z t = t. (1) Dari persamaan tersebut, diperoleh u x = u x v. (2)

5 Relativitas, Galileo vs Einstein Prinsip Relativitas Einstein Einstein: 1 The principle of relativity: The laws of physics must be the same in all inertial reference frames. 2 The constancy of the speed of light: The speed of light in vacuum has the same value, c = m/s, in all inertial frames, regardless of the velocity of the observer or the velocity of the source emitting the light.

6 Relativitas Simultanitas 1 Relativitas, Galileo vs Einstein 2 Relativitas Simultanitas 3 Relativitas Waktu 4 Relativitas Panjang 5 Transformasi Lorentz 6 Relativitas Kecepatan 7 Momentum 8 Energi

7 Relativitas Simultanitas Relativitas dari Simultanitas Dua orang yang bergerak relatif satu sama lain tidak akan sepakat apakah dua kejadian terjadi simultan (bersamaan) atau tidak.

8 Relativitas Waktu 1 Relativitas, Galileo vs Einstein 2 Relativitas Simultanitas 3 Relativitas Waktu 4 Relativitas Panjang 5 Transformasi Lorentz 6 Relativitas Kecepatan 7 Momentum 8 Energi

9 Relativitas Waktu Dilasi waktu Dilasi waktu: t = t 0, (3) 1 v 2 c 2

10 Relativitas Waktu Relativitas Waktu: Dilasi Waktu Misal terdapat sebuah kereta api yang bergerak dengan kecepatan v (konstan) terhadap stasiun. Lalu terjadi dua kejadian yang berurutan di dalam kereta api. Orang yang berada di dalam kereta api (Sally) akan mengamati selang waktu terjadinya kedua kejadian tersebut sebagai t 0 dan orang yang diam di stasiun (Sam) mengamati selang waktu t. Maka, hubungan kedua nilai tersebut adalah t = γ t 0, (4) dengan γ 1/ 1 β 2 disebut faktor Lorentz dan β v c disebut faktor kecepatan. Terlihat bahwa t t 0. waktu diri (proper time) adalah waktu yang diukur oleh jam yang bergerak bersama kejadian.

11 Relativitas Waktu Dilasi waktu: waktu hidup Muon

12 Relativitas Panjang 1 Relativitas, Galileo vs Einstein 2 Relativitas Simultanitas 3 Relativitas Waktu 4 Relativitas Panjang 5 Transformasi Lorentz 6 Relativitas Kecepatan 7 Momentum 8 Energi

13 Relativitas Panjang Relativitas Panjang: Kontraksi Panjang Sally naik kereta api dengan kecepatan v, dan Sam diam di stasiun. Keduanya ingin mengukur panjang rel. Menurut Sally, panjang rel adalah L = v t 0, sedangkan menurut Sam L 0 = v t. Perbandingan panjang rel menurut kedua pengamat adalah L = t 0 L 0 t L = L 0 1 β 2 = L 0 γ. (5) terjadi kontraksi panjang! Panjang diri (proper length, L 0 ) adalah panjang suatu benda yang diukur oleh pengamat yang diam terhadap benda.

14 Relativitas Panjang Manakah yang disebut waktu diri (proper time)? Ahmad yang sedang berdiri di samping rel kereta api melihat temannya, Budi, sedang makan nasi goreng di dalam kereta api yang bergerak dengan kecepatan konstan. Candra, yang duduk di samping Budi di dalam kereta, mengukur waktu makan Budi sejak suapan pertama hingga terakhir. Waktu makan Budi menurut Candra, Ahmad, dan Budi sendiri masing-masing adalah t C, t A, dan t B. Di antara t C, t A, dan t B manakah yang menyatakan waktu proper?

15 Relativitas Panjang Waktu di manakah yang berjalan lebih lambat? Berdasar cerita sebelumnya, menurut Ahmad waktu di manakah (kereta atau stasiun) yang berjalan lebih lambat?

16 Relativitas Panjang Manakah yang disebut panjang diri (proper length)? Dadang sedang berlari membawa tongkat bambu dengan arah memanjang tongkat searah dengan arah lari. Erwin sedang duduk di tepi jalan sambil mengamati Dadang. Menurut Dadang, panjang tongkat tersebut adalah L D sedangkan menurut Erwin panjang tongkat tersebut adalah D E. Manakah yang disebut panjang diri (proper length)?

17 Relativitas Panjang Dilasi waktu dan kontraksi panjang

18 Transformasi Lorentz 1 Relativitas, Galileo vs Einstein 2 Relativitas Simultanitas 3 Relativitas Waktu 4 Relativitas Panjang 5 Transformasi Lorentz 6 Relativitas Kecepatan 7 Momentum 8 Energi

19 Transformasi Lorentz Transformasi Lorentz Sebelum Einstein mengusulkan TRK, Lorentz telah menurunkan persamaan transformasinya x = γ (x vt), (6) y = y, (7) z = z, (8) t = γ ( t vx/c 2). (9) Transformasi Lorentz dapat digunakan untuk menjelaskan relativitas dari simultanitas, dilasi waktu, dan kontraksi panjang.

20 Transformasi Lorentz Transformasi Lorentz Kerangka O melihat kerangka O bergerak ke kiri, sehingga berlaku pula x = γ ( x + vt ), (10) y = y, (11) z = z, (12) t = γ ( t + vx /c 2). (13)

21 Relativitas Kecepatan 1 Relativitas, Galileo vs Einstein 2 Relativitas Simultanitas 3 Relativitas Waktu 4 Relativitas Panjang 5 Transformasi Lorentz 6 Relativitas Kecepatan 7 Momentum 8 Energi

22 Relativitas Kecepatan Relativitas kecepatan Dari persamaan (10) dan (13), diperoleh Dengan sedikit aljabar, diperoleh x = γ ( x + v t ), (14) t = γ ( t + v x /c 2). (15) u = u + v 1 + u v/c 2, (16) dengan u x/ t adalah kecepatan menurut kerangka O, u x/ t adalah kecepatan menurut kerangka O, dan v adalah kecepatan kerangka O terhadap O.

23 Relativitas Kecepatan Relativitas Kecepatan 1 Dua benda bergerak saling mendekat dengan kecepatan masing-masing 0, 5c. Berapakah kecepatan relatif satu benda terhadap lainnya? Bagaimana pula jika kecepatan kedua benda 0, 9c? 2 Sebuah mobil yang sedang bergerak dengan kecepatan v menyalakan lampu depan. Berapakah kecepatan cahaya menurut orang yang diam di tepi jalan? Apa kesimpulan Anda?

24 Momentum 1 Relativitas, Galileo vs Einstein 2 Relativitas Simultanitas 3 Relativitas Waktu 4 Relativitas Panjang 5 Transformasi Lorentz 6 Relativitas Kecepatan 7 Momentum 8 Energi

25 Momentum Konsep-baru Momentum (Mekanika klasik) Misal dalam suatu laboratorium terjadi peristiwa tumbukan elastik dua benda. Peristiwa tsb diamati oleh pengamat A yang diam di lab dan pengamat B yang bergerak dengan kecepatan konstan terhadap lab. Momentum yang diukur oleh A dan B akan berbeda, namun keduanya sepakat bahwa kekekalan momentum berlaku. (Relativitas) Jika definisi momentum tetap p = m x t, maka efek relativitas menyebabkan kekekalan momentum pada peristiwa tumbukan di atas tidak berlaku. Solusi: definisikan momentum sebagai p = m x = m x t = γmv p = γm v. (17) t 0 t t 0

26 Energi 1 Relativitas, Galileo vs Einstein 2 Relativitas Simultanitas 3 Relativitas Waktu 4 Relativitas Panjang 5 Transformasi Lorentz 6 Relativitas Kecepatan 7 Momentum 8 Energi

27 Energi Energi relativistik Tinjau suatu benda yang dipercepat dari keadaan diam hingga memiliki kecepatan sebesar u. Usaha yang diperlukan untuk melakukan hal tsb adalah W = x2 x 1 Fdx = x2 x 1 dp dx. (18) dt Dengan mengingat definisi momentum (17), diperoleh dp dt = d dt mu 1 v 2 /c 2 = Ingat pula bahwa dx = vdt. m dv (1 v 2 /c 2 ) 3/2 dt. (19)

28 Energi Energi relativistik Akhirnya, t m dv W = 0 (1 v 2 /c 2 ) 3/2 dt (vdt) u v = m dv 0 (1 v 2 /c 2 3/2 ) mc 2 = 1 v 2 /c 2 mc2 = γmc 2 }{{}}{{} mc 2 (20) E akhir E awal

29 Energi Energi relativistik Hasil ini menunjukkan bahwa benda yang diam memiliki energi sebesar mc 2, dan setelah mencapai laju v energi totalnya menjadi γmc 2. Energi kinetik benda, didapat dari energi total dikurangi energi diam, K = (γ 1) mc 2. (21)

30 Energi Untuk kecepatan rendah, v << c Ingat bahwa untuk nilai x 0, berlaku (1 + x) 2 = 1 + 2x + x x, (1 + x) 3 = 1 + 3x + 3x 2 + x x, (1 + x) 4 = 1 + 4x + 6x 2 + 4x 3 + x x,... dst. Secara umum, untuk x 0, (1 + x) n 1 + nx. (22) Sehingga γ = (1 v 2 c 2 ) v c 2. (23)

31 Energi Untuk kecepatan rendah, v << c Sehingga, (γ 1) v 2 2 c 2 1 = 1 v 2 2 c 2. (24) Jadi, K = 1 v 2 2 c 2 mc2 = 1 2 mv 2, (25) sama dengan energi kinetik pada fisika klasik.

32 Energi Energi relativistik Suku mc 2 tidak bergantung pada kecepatan benda, disebut energi diam, E diam = mc 2 (26) Energi total adalah jumlah dari energi kinetik K dengan energi diam E diam, E total = K + E diam = γmc 2. (27) Hubungan energi dan momentum, E 2 total = p 2 c 2 + m 2 c 4. (28)

33 Energi Penutup The relativity theory arose from necessity, from serious and deep contradictions in the old theory from which there seemed no escape. The strength of the new theory lies in the consistency and simplicity with which it solves all these difficulties. 1 1 A. Einstein and L. Infield, The Evolution of Physics (New York: Simon and Schuster, 1961).

34 Energi Ada pertanyaan? Kontak saya via: