Ramai orang menganggap Teori Relativiti Albert Einstein hanyalah teori fizik teoretikal yang membosankan dan hanya relevan untuk ahli akademik atau filem fiksyen sains seperti Interstellar. Hakikatnya, teori yang berusia lebih satu abad ini bekerja keras di dalam poket anda setiap hari. Tanpa penemuan Einstein, sistem navigasi moden kita akan menjadi huru-hara.
Setiap kali anda membuka aplikasi seperti Google Maps, Waze, atau menempah perkhidmatan e-hailing, telefon pintar anda sedang membuktikan kebenaran dua teori terbesar Einstein: Teori Relativiti Khas (1905) dan Teori Relativiti Am (1915).
Bagaimana Sistem GPS Berfungsi?
Sistem Kedudukan Sejagat (GPS) bersandarkan pada rangkaian sekitar 24 hingga 32 satelit yang mengorbit Bumi pada ketinggian kira-kira 20,200 kilometer. Satelit-satelit ini bergerak sangat laju, iaitu sekitar 14,000 kilometer sejampat.
Untuk menentukan lokasi tepat anda di Bumi, telefon pintar anda perlu berkomunikasi dengan sekurang-kurangnya 4 buah satelit secara serentak. Telefon tidak menghantar isyarat, ia hanya menerima isyarat masa yang dihantar oleh jam atom super-tepat (atomic clock) yang berada di dalam satelit tersebut. Dengan mengira perbezaan masa isyarat itu bergerak dari satelit ke telefon anda pada kelajuan cahaya, lokasi anda dapat dikira sehingga ketepatan beberapa meter.
Dua Kesan Relativiti Terhadap Masa
Di sinilah fizik Einstein mula mengambil tempat. Jam atom di satelit adalah sangat sensitif, sehinggakan ia terkesan oleh dua fenomena relativiti yang berbeza, yang menyebabkan masa di angkasa lepas berjalan pada kelajuan yang berbeza berbanding di Bumi:
1. Relativiti Khas: Kesan Kelajuan (Kelewatan Masa)
Menurut Teori Relativiti Khas Einstein, semakin laju sesuatu objek bergerak, semakin perlahan masa berlalu bagi objek tersebut (fenomena ini dipanggil Time Dilation atau Dilatasi Masa).
- Oleh kerana satelit GPS bergerak sangat laju (14,000 km/j) berbanding pemerhati di Bumi, jam atom di atas satelit akan berjalan lebih perlahan.
- Kesan ini menyebabkan jam satelit kehilangan sekitar 7 mikrosaat (7 per sejuta saat) sehari berbanding jam di Bumi.
2. Relativiti Am: Kesan Graviti (Percepatan Masa)
Sepuluh tahun kemudian, Einstein memperkenalkan Teori Relativiti Am yang menyatakan bahawa graviti bukan sekadar daya, tetapi kelengkungan ruang-masa yang disebabkan oleh jisim. Semakin kuat tarikan graviti, semakin perlahan masa berlalu.
- Satelit GPS berada jauh di angkasa lepas (20,200 km), di mana tarikan graviti Bumi adalah jauh lebih lemah (sekitar 4 kali ganda lebih lemah) berbanding di permukan Bumi.
- Oleh kerana graviti di sana lemah, jam atom di satelit akan berjalan lebih laju daripada jam di Bumi.
- Kesan graviti ini menyebabkan jam satelit bergerak ke hadapan sebanyak 45 mikrosaat sehari.
Matematik Mudah Einstein yang Menyelamatkan Maps Anda
Apabila kita menggabungkan kedua-dua kesan relativiti ini:
+45 mikrosaat (Kesan Graviti) - 7 mikrosaat (Kesan Kelajuan) = +38 mikrosaat sehari
Secara bersihnya, jam di satelit GPS akan berjalan 38 mikrosaat lebih laju setiap hari berbanding jam di telefon pintar anda. Angka 38 mikrosaat (0.000038 saat) mungkin kedengaran sangat kecil, tetapi dalam dunia fizik cahaya, ia adalah satu jurang yang sangat besar.
Impak Jika Einstein Silap: Cahaya (dan isyarat radio GPS) bergerak pada kelajuan 300,000 kilometer sesaat. Jika komputer satelit tidak membetulkan perbezaan 38 mikrosaat ini, ralat pengiraan lokasi akan terkumpul sebanyak 11 kilometer setiap hari!
Jika ralat ini dibiarkan, dalam masa beberapa minit sahaja, aplikasi Waze anda akan menyangka anda berada di tengah-tengah hutan atau di dalam laut, bukannya di atas jalan raya yang betul.
Penyelesaian Kejuruteraan Moden
Untuk mengatasi masalah ini, para jurutera GPS telah memprogramkan cip komputer pada satelit sebelum ia dilancarkan lagi. Jam atom di satelit telah sengaja "diperlahankan" secara elektronik agar ia berjalan sepadan dengan masa di Bumi sebaik sahaja ia mencapai orbitnya.
Selain itu, telefon pintar anda juga sentiasa melakukan pengiraan matematik relativistik tambahan setiap kali ia menerima isyarat satelit untuk memastikan lokasi yang dipaparkan adalah tepat sehingga ke jarak beberapa kaki.
Kesimpulan
Setiap kali anda memandu berpandukan navigasi digital, anda bukan sekadar menggunakan satelit dan internet, tetapi anda sedang menikmati aplikasi praktikal daripada minda genius Albert Einstein. Telefon pintar anda adalah bukti nyata, hidup, dan bergerak bahawa ruang dan masa di alam semesta ini sememangnya fleksibel.
Artikel Sains Popular: Fizik di Dalam Poket Anda
