BAB 1 : MASSA, ENERGI, RUANG, DAN WAKTU A. Pengertian Dasar Setiap hari kita melihat berbagai macam hal di lingkungan sekitar. Ada banyak hal yang bisa diamati. Misalnya jenis kendaraan yang melintas di jalan setiap harinya. Jenisnya berlainan dan yang mengemudikan juga orang yang berbeda. Banyak pula berbagai hal lain yang bisa diamati di sekeliling. Bunga, batu, air, buku, dan lain lain, tak terkira lagi jenis benda yang bisa ditemukan. Selain itu banyak juga hal yang berupa kejadian atau peristiwa yang berbeda beda. Misalnya proses pembakaran suatu zat kimia, fenomena alam seperti turunnya hujan, atau mungkin peristiwa jamak yang kerap dijumpai dalam kehidupan sehari hari seperti jual beli di pasar. Begitu banyaknya hal yang dijumpai di jagad raya ini, hingga terasa rumit. Namun apa benar bahwa jagad raya terdiri dari hal berlainan yang demikian banyaknya? 1
Dari sudut pandang ilmu fisika, jawabannya adalah tidak. Yang membuat bermacam contoh di atas menjadi berbeda hanyalah penampakan atau penampilannya saja. Misalnya batu tampak berbeda dari buku, padahal keduanya sama sama terdiri dari proton, elektron dan netron yang membentuk atom penyusunnya. Peristiwa turunnya hujan dengan jual beli di pasar kelihatannya berlainan namun sebenarnya mempunyai kesamaan. Keduanya melibatkan atom atom dan juga perpindahan ruang. Berdasarkan pemikiran inilah para ilmuwan fisika akhirnya mengambil kesimpulan bahwa dalam jagad raya yang kelihatannya ramai oleh berbagai macam hal berbeda ini, sebenarnya hanya ada 4 unsur pokok yang bisa dikemukakan. Keempat unsur tersebut adalah : massa, energi, ruang, dan waktu. Massa atau materi, secara mudahnya bisa dikatakan sebagai benda. Batu adalah massa, demikian pula buku. Mahkluk hidup juga merupakan massa. Dari sejumlah buku fisika dapat dijumpai keterangan bahwa massa adalah jumlah zat. Jadi benda yang bermassa lebih besar daripada benda lain mempunyai jumlah zat yang lebih banyak pula. Bumi lebih berat daripada bulan, artinya bumi mempunyai jumlah zat yang lebih banyak daripada bulan. Namun jangan sampai keliru, jumlah zat tidak bisa disamakan dengan volume. Sebagai contoh, jika anda mempunyai 75 m 3 kapuk dan 75 m 3 besi, tentu saja 2
massanya tidak akan sama jika ditimbang. Tetapi salah kaprah tentang pengertian massa dalam kehidupan sehari hari mungkin lebih banyak terjadi pada pembedaan antara konsep berat dan massa. Massa seperti dikatakan diatas adalah jumlah zat, sedang berat adalah jumlah zat yang sudah dipengaruhi oleh gravitasi. Contoh mudahnya adalah jika anda mempunyai dua perhiasan emas, A dan B, masing masing mempunyai massa sebesar 10 gram. Jika A dijual di Indonesia dan B dijual di kutub utara, manakah yang lebih mahal dijual? Dari sudut pandang ilmu fisika tentu saja perhiasan B yang lebih mahal dijual karena mempunyai berat yang kini lebih banyak daripada perhiasan A. Sebabnya adalah gaya gravitasi di kutub yang sedikit lebih besar daripada gaya gravitasi di daerah khatulistiwa seperti Indonesia. Gaya gravitasi yang lebih besar tersebut mempengaruhi massa perhiasan B sehingga berat perhiasan tersebut menjadi lebih besar nilainya. Selain diartikan sebagai jumlah zat, ada yang berpendapat bahwa massa lebih tepat diartikan sebagai ukuran kelembaman (inersia) suatu benda. Pemahamannya secara sederhana, suatu benda dikatakan mempunyai massa lebih banyak jika lebih sulit berubah dari keadaan diam menjadi bergerak. Misalnya antara bola tenis meja dan bola besi untuk tolak peluru. Bola tenis meja yang diam diatas lantai, jika ditiup saja sudah bisa bergerak. Lain halnya 3
dengan bola tolak peluru. Kecuali yang meniup adalah superman, bola tersebut niscaya tidak akan bergerak dari posisi diamnya diatas lantai. Oleh sebab itu dikatakan bahwa bola tolak peluru mempunyai massa yang lebih besar daripada bola tenis meja. Unsur kedua yang perlu diketahui adalah energi. Dalam kehidupan sehari hari orang sering mengartikan bahwa energi sama dengan tenaga. Orang yang mempunyai tenaga besar diartikan sebagai orang yang mempunyai energi banyak. Energi merupakan sesuatu yang abstrak atau gaib (tidak terlihat) namun bisa dirasakan kehadirannya. Dalam ilmu fisika, energi dibedakan menjadi berbagai macam jenis. Misalnya energi listrik, energi panas, atau energi cahaya. Namun dalam perkembangan selanjutnya, para ahli fisika menyimpulkan bahwa energi hanya ada dua macam yaitu energi mekanik dan energi potensial. Energi listrik, energi panas, dan energi cahaya yang telah disebutkan diatas digolongkan menjadi satu yaitu energi mekanik. Energi listrik ditimbulkan oleh pergerakan elektron sehingga dikategorikan energi mekanik. Energi panas ditimbulkan oleh pergerakan molekul/atom sehingga digolongkan energi mekanik. Demikian pula dengan energi cahaya yang disebabkan pergerakan partikel cahaya yaitu foton. Lalu energi potensial? Energi potensial adalah energi 4
yang tersimpan. Misalnya batu yang dipegang seseorang diatas gedung. Batu ini mempunyai energi potensial. Jika batu dilepaskan hingga jatuh ke tanah, maka dikatakan bahwa energi potensialnya dikeluarkan. Energi potensial ini dikeluarkan (atau diistilahkan berubah) sebagai energi mekanik. Ruang merupakan area yang ditempati. Ruang sendiri tidak berwujud sebagai benda atau barang melainkan berupa kekosongan sehingga kekosongan tersebut bisa diisi oleh sesuatu. Pengertian ruang dalam kehidupan sehari hari biasanya dibayangkan sebagai wujud 3 dimensi (seperti sebuah kubus atau balok). Namun ruang sebenarnya tidak hanya bisa diartikan sebagai demikian. Hal yang perlu diingat jika membahas masalah ruang adalah posisi, karena soal ruang sebenarnya adalah soal posisi. Posisi bisa ditunjukkan dengan sumbu x, sumbu y, dan sumbu z. Untuk mudahnya sumbu x bisa dikatakan sebagai panjang, sumbu y sebagai lebar, dan sumbu z sebagai tinggi. Posisi suatu benda dapat disajikan dengan hanya menggunakan sumbu x saja (1 dimensi), dengan sumbu x dan y (2 dimensi), atau dengan sumbu x, y, dan z (3 dimensi). Oleh sebab itu jelas bahwa ruang bukan semata bisa diartikan sebagai wujud 3 dimensi. Jika ketiga dimensi diatas (sumbu x, sumbu y, dan sumbu z) merupakan dimensi untuk ruang, maka waktu merupakan dimensi ke-4. Dimensi ini tidak 5
bisa digambarkan secara nyata karena sumbu untuk dimensi ke-4 tidak berkaitan dengan ruang. Namun hal ini bisa diatasi dengan cara mengandaikan ruang (yang terdiri dari 3 dimensi tadi) menjadi satu garis koordinat saja, dan sumbu untuk dimensi ke-4 bisa digambarkan sebagai garis koordinat yang tegak lurus terhadap garis koordinat untuk ruang tadi. Ini memang suatu hal yang agak rumit untuk dibayangkan. Namun dalam kehidupan sehari hari tidak perlu membayangkan hal serumit itu. Semua orang sudah paham apa defisini waktu. Waktu dibedakan menjadi masa lalu, masa sekarang, dan masa depan. Ketiga masa tersebut terhubung secara seri/berurutan. Masa lalu adalah saat anda belum membaca buku ini. Masa sekarang adalah saat anda sedang membaca buku ini, dan masa depan adalah saat anda meletakkan buku ini setelah selesai membacanya. B. Peran Massa, Energi, Ruang, dan Waktu di Jagad Raya. Keempat unsur diatas merupakan pokok dari alam semesta. Jagad raya diisi oleh materi dan energi dengan melibatkan ruang dan waktu. Semua peristiwa atau kejadian di alam semesta selalu melibatkan 4 unsur tersebut. Misalnya peristiwa beredarnya planet bumi dalam orbitnya mengelilingi matahari. Materi yang terlibat dalam peristiwa ini 6
adalah planet bumi dan matahari. Sedang energi yang terlibat dalam kejadian ini berkaitan dengan pergerakan bumi mengelilingi matahari. Untuk ruang, jelas bahwa bumi yang beredar mengalami perpindahan posisi/ruang saat melintasi orbitnya. Sedang waktu juga terlibat dalam peristiwa ini, yaitu masa lalu adalah ketika bumi berada di posisi sebelum posisi yang sekarang ditempati, dan masa sekarang, yaitu ketika bumi berada di posisi yang ditempati pada saat ini. Tidak hanya dalam peristiwa yang terkesan ilmiah seperti contoh diatas, keempat unsur tadi juga terlibat dalam peristiwa sehari hari. Misalnya seseorang yang sedang menyantap semangkok bakso. Materi yang terlibat dalam peristiwa ini adalah penikmat bakso beserta sejumlah bola bakso plus mihun dan sayuran, lengkap dengan kuahnya. Energi yang terlibat tentu saja tenaga yang digunakan penikmat bakso tadi untuk memakan hidangannya. Ruang yang terlibat dalam kejadian ini misalnya adalah perpindahan posisi tangan si penikmat bakso dari mangkok menuju mulutnya untuk menyuapkan hidangan. Tentang waktu? Masa lalu adalah tepat saat penikmat bakso tersebut memulai kegiatan makannya. Masa sekarang adalah saat si penikmat bakso sedang menyantap hidangannya dengan berkeringat karena kepedasan. 7
Ini adalah suatu peristiwa yang kelihatannya tidak ilmiah namun sebenarnya amat ilmiah karena melibatkan 4 unsur pokok di alam semesta, termasuk berbagai reaksi kimia yang dapat dijabarkan panjang lebar. C. Pandangan tentang Massa, Energi, Ruang, dan Waktu 1. Menurut Isaac Newton (1642 1727) Newton merupakan seorang ilmuwan yang brilian pada masanya. Ia berkiprah dalam dunia ilmu pengetahuan sejak usia muda. Pada zaman sebelum Newton sudah muncul sejumlah ilmuwan terkemuka yang memberikan sumbangsih bagi perkembangan ilmu pengetahuan. Galileo, Keppler, serta Copernicus merupakan deretan nama yang wajib disebut untuk sumbangsih tersebut. Mereka telah meletakkan dasar pengetahun bagi tempat berpijak Newton saat mengembangkan kreasinya. Newton telah menghasilkan bermacam penemuan dalam hidupnya. Teori gravitasi beserta tiga hukum mekanika Newton merupakan dasar dari ilmu fisika. Berbagai penemuan ilmuwan Inggris ini menyebabkan perubahan pandangan orang mengenai alam semesta. Kini alam semesta dipandang sebagai sesuatu yang teratur karena peristiwa peristiwanya dapat diprediksi melalui hukum. Tidak ada yang perlu dicemaskan mengenai peredaran planet - planet 8
karena sudah teratur beredar pada orbitnya masing masing. Semua hukum mekanika Newton pun dianggap berlaku untuk benda apapun di jagad raya. Sudut pandang yang lugas ini pun berimbas pada pandangan orang mengenai massa, energi, ruang, dan waktu. Pada zaman itu massa atau materi dianggap sesuatu yang absolut. Keberadaannya adalah stabil, tidak berubah ubah. Contohnya jika kita mempunyai benda bermassa 50 kg, maka keberadaan massa tersebut dianggap tetap untuk selamanya, meski boleh jadi benda tadi berubah wujud karena direaksikan dengan suatu zat kimia. Keberadaan massa adalah tetap, tidak ada secuil pun yang hilang atau beranak. Pendapat ini diperkuat oleh hukum kekekalan massa yang menyatakan bahwa : Massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan Begitu pula dengan energi. Energi juga dianggap sesuatu yang selalu stabil/tetap keberadaannya alias absolut. Misalnya kita mendorong sebuah benda. Energi potensial yang tersimpan dalam otot kita berubah menjadi energi gerak. Energi tersebut tidak hilang atau bertambah sedikitpun sejak awal kejadian sampai akhir, tetapi hanya berubah wujud saja (dari energi potensial menjadi energi gerak). Hal ini sudah tercantum dalam hukum kekekalan energi yang berbunyi : 9
Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan Demikian pula dengan ruang dan waktu. Pada zaman itu ruang dan waktu dianggap sesuatu yang mutlak. Dengan kata lain apa yang terlihat oleh mata maka sudah tentu hal itu benar adanya alias bersifat absolut. Ruang/posisi adalah sesuatu yang mutlak, dalam arti kondisinya selalu stabil, tidak mungkin berubah. Contohnya adalah jika kita mengukur panjang sebuah tali dan mendapatkan hasil bahwa panjangnya satu meter, maka tiap manusia di muka bumi ini yang kita persilakan mengukur tali tersebut akan sepakat juga bahwa panjangnya satu meter. Demikian pula dengan waktu, yang dianggap sebagai sesuatu yang stabil, sama untuk semua pengamat. Misalnya saja kita mempunyai sebuah jam. Jika kita meminta pada siapapun untuk mengukur selang waktu tiap detik jam tersebut (dengan sebuah alat, bukan berdasar perasaan), maka mereka semua tentu memberikan hasil pengukuran yang sama. Demikianlah, waktu seperti halnya ruang, dianggap sesuatu yang mutlak. 10