kelajuan cahaya

Kelajuan cahaya (kelajuan cahaya dalam ruang vakum; kecepatan cahaya) adalah sebuah konstanta fisika yang disimbolkan dengan huruf c, singkatan dari celeritas (yang dirujuk dari dari bahasa Latin) yang berarti "kecepatan". Konstanta ini sangat penting dalam fisika dan bernilai 299.792.458 meter per detik. Nilai ini merupakan nilai eksak disebabkan oleh panjang meter didefinisikan berdasarkan konstanta kelajuan cahaya.^[1] Kelajuan ini merupakan kelajuan maksimum yang dapat dilajui oleh segala bentuk energi, materi, dan informasi dalam alam semesta. Kelajuan ini merupakan kelajuan segala partikel tak bermassa dan medan fisika, termasuk radiasi elektromagnetik dalam vakum. Kelajuan ini pula menurut teori modern adalah kelajuan gravitasi (kelajuan dari gelombang gravitasi). Partikel-partikel maupun gelombang-gelombang ini bergerak pada kelajuan c tanpa tergantung pada sumber gerak maupun kerangka acuan inersial pengamat. Dalam teori relativitas, c saling berkaitan dengan ruang dan waktu. Konstanta ini muncul pula pada persamaan fisika kesetaraan massa-energi E = mc².^[2]

Kelajuan cahaya yang merambat melalui bahan-bahan transparan seperti gelas ataupun udara lebih lambat dari c. Rasio antara c dengan kecepatan v(kecepatan rambat cahaya dalam suatu materi) disebut sebagai indeks refraksi n material tersebut (n = c / v). Sebagai contohnya, indeks refraksi gelas umumnya berkisar sekitar 1,5, berarti bahwa cahaya dalam gelas bergerak pada kelajuan c / 1,5 ≈ 200.000 km/s; indeks refraksi udara untuk cahaya tampak adalah sekitar 1,0003, sehingga kelajuan cahaya dalam udara adalah sekitar 90 km/s lebih lambat daripada c.

Dalam banyak hal, cahaya dapat dianggap bergerak secara langsung dan instan, namun untuk jarak yang sangat jauh, batas kelajuan cahaya akan memberikan dampak pada pengamatan yang terpantau. Dalam berkomunikasi dengan wahana antariksa, diperlukan waktu berkisar dari beberapa menit sampai beberapa jam agar pesan yang dikirim oleh wahana tersebut diterima oleh Bumi. Cahaya bintang yang kita lihat di angkasa berasal dari cahaya bintang yang dipancarkan bertahun-tahun lalu. Hal ini mengijinkan kita untuk mengkaji dan mempelajari sejarah alam semesta dengan melihat benda-benda yang sangat jauh. Kelajuan cahaya yang terbatas juga membatasi kecepatan maksimum komputer, oleh karena informasi harus dikirim dari satu chip ke chip lainnya dalam komputer.

Observasi Rømer dengan mengamati gerakan planet Jupiter dan menghitung pergeseran periode orbit dari salah satu bulan satelitnya yang bernama Io, dan kemudian Rømer dapat memperkirakan jarak tempuh cahaya dari garistengah orbit bumi

[sunting]Kronologis

Beragam ilmuwan sepanjang sejarah telah mencoba untuk mengukur laju cahaya.

• Pada tahun 1629, Isaac Beeckman melakukan pengamatan sinar flash yang dipantulkan oleh cermin dari jarak 1 mil (1,6 kilometer).

• Pada tahun 1638, Galileo Galilei berusaha untuk mengukur laju cahaya dari waktu tunda antara sebuah cahaya lentera dengan persepsi dari jarak cukup jauh.

• Pada tahun 1667, percobaan Galileo Galilei diteliti oleh Accademia del Cimento of Florence, dengan rentang 1 mil, tetapi tidak terdapat waktu tunda yang dapat diamati. Berdasarkan perhitungan modern, waktu tunda pada percobaan itu seharusnya adalah 11 mikrodetik. Dan Galileo Galilei mengatakan bahwa pengamatan itu tidak menunjukkan bahwa cahaya mempunyai kecepatan yang tidak terhingga, tetapi hanya menunjukkan bahwa cahaya mempunyai laju yang sangat tinggi.^[3][4]

• Pada tahun 1676, sebuah percobaan awal untuk mengukur laju cahaya dilakukan oleh Ole Christensen Rømer, seorang ahli fisika Denmarkdan anggota grup astronomi dari French Royal Academy of Sciences. Dengan menggunakan teleskop, Ole Christensen Rømer mengamati gerakan planet Jupiter dan salah satu bulan satelitnya, bernama Io.^[5][6] Dengan menghitung pergeseran periode orbit Io, Rømer memperkirakan jarak tempuh cahaya pada diameter orbit bumi sekitar 22 menit.^[7] Jika pada saat itu Rømer mengetahui angka diameter orbit bumi, perhitungan laju cahaya yang dibuatnya akan mendapatkan angka 227×10⁶ meter/detik. Dengan data Rømer ini, Christiaan Huygens mendapatkan estimasi kecepatan cahaya pada sekitar 220×10⁶ meter/detik.

Penemuan awal penemuan grup ini diumumkan oleh Giovanni Domenico Cassini pada tahun1675, periode Io, bulan satelit planet Jupiter dengan orbit terpendek, nampak lebih pendek pada saat Bumi bergerak mendekati Jupiter daripada pada saat menjauhinya. Rømer mengatakan hal ini terjadi karena cahaya bergerak pada kecepatan yang konstan.

• Pada bulan September 1676, berdasarkan asumsi ini, Rømer memperkirakan bahwa pada tanggal 9 November 1676, Io akan muncul dari bayang-bayang Jupiter 10 menit lebih lambat daripada kalkulasi berdasarkan rata-rata kecepatannya yang diamati pada bulan Agustus 1676.^[8] Setelah perkiraan Rømer terbukti,^[9] dia diundang oleh French Academy of Sciences^[10] untuk menjelaskan metode yang digunakan untuk hal tersebut.^[11] Diagram di samping adalah replika diagram yang digunakan Rømer dalam penjelasan tersebut.^[12]

• Pada tahun 1704, Isaac Newton juga menyatakan bahwa cahaya bergerak pada laju konstan. Dalam bukunya berjudul Opticks, Newton menyatakan besaran laju cahaya senilai 16,6 x diamater Bumi per detik (210.000 kilometer/detik).

Teori James Bradley

Diagram Hippolyte Fizeau

• Pada tahun 1725, James Bradley mengatakan, cahaya bintang yang tiba di Bumi akan nampak seakan-akan berasal dari sudut yang kecil, dan dapat dikalkulasi dengan membandingkan kecepatan Bumi pada orbitnya dengan kecepatan cahaya. Kalkulasi laju cahaya oleh Bradley adalah sekitar 298.000 kilometer/detik (186.000 mil/detik). Teori Bradley dikenal sebagai stellar aberration.^[13] Sinar cahaya yang datang bintang 1 membutuhkan waktu untuk mencapai bumi, dan pada saat sinar tersebut tiba, bumi telah bergeser pada orbitnya, sehingga seolah-olah kita melihat sinar cahaya tersebut datang dari bintang di lokasi2.

• Pada tahun 1849, pengukuran laju cahaya, yang lebih akurat, dilakukan di Eropa olehHippolyte Fizeau. Fizeau menggunakan roda sprocket yang berputar untuk meneruskan cahaya dari sumbernya ke sebuah cermin yang diletakkan sejauh beberapa kilometer. Pada kecepatan rotasi tertentu, cahaya sumber akan melalui sebuah kisi, menempuh jarak menuju cermin, memantul kembali dan tiba pada kisi berikutnya. Dengan mengetahui jarak cermin, jumlah kisi, kecepatan putar roda, Fizeau mendapatkan kalkulasi laju cahaya pada 313×10⁶meter/detik.

• Pada tahun 1862, Léon Foucault bereksperimen dengan penggunaan cermin rotasi dan mendapatkan angka 298×10⁶ meter/detik.

• Albert Abraham Michelson melakukan percobaan-percobaan dari tahun 1877 hingga tahun 1926 untuk menyempurnakan metode yang digunakan Foucault dengan penggunaan cermin rotasi untuk mengukur waktu yang dibutuhkan cahaya pada 2 x jarak tempuh antara Gunung Wilson dan Gunung San Antonio, di California. Hasil pengukuran menunjukkan 299.796.000 meter/detik. Beliau wafat lima tahun kemudian pada tahun 1931.

• Pada tahun 1946, saat pengembangan cavity resonance wavemeter untuk penggunaan pada radar, Louis Essen dan A. C. Gordon-Smith menggunakan gelombang mikro dan teori elektromagnetik untuk menghitung laju cahaya. Angka yang didapat adalah 299.792±3 kilometer/detik.

• Pada tahun 1950, Essen mengulangi pengukuran tersebut dan mendapatkan angka 299.792.5±1 kilometer/detik, yang menjadi acuan bagi 12th General Assembly of the Radio-Scientific Union pada tahun 1957.

Angka yang paling akurat ditemukan di Cambridge pada pengukuran melalui kondensat Bose-Einstein dengan elemen Rubidium. Tim pertama dipimpin oleh Dr. Lene Vestergaard Hau dari Harvard University and the Rowland Institute for Science. Tim yang kedua dipimpin oleh Dr. Ronald L. Walsworth, dan, Dr. Mikhail D. Lukin dari the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Notasi laju cahaya (c) mempunyai makna "konstan" atau tetap^[14] yang digunakan sebagai notasi laju cahaya dalam ruang hampa udara, namun terdapat juga penggunaan notasi c untuk laju cahaya dalam medium material sedangkan c₀ untuk kecepatan cahaya dalam ruang hampa udara.^[15]Notasi subskrip ini dimaklumkan karena dalam literatur SI ^[16] sebagai bentuk standar notasi pada suatu konstanta, ada juga berbentuk seperti:konstanta magnetik µ₀, konstanta elektrik e₀, impedansi ruang kamar Z₀.

Menurut Albert Einstein dalam teori relativitas, c adalah konstanta penting yang menghubungkan ruang dan waktu dalam satu kesatuan struktur dimensi ruang waktu. Di dalamnya, cmendefinisikan konversi antara materi dan energi^[2] E=mc².^[17], dan batas tercepat waktu tempuh materi dan energi tersebut.^[18][19] c juga merupakan kecepatan tempuh semua radiasi elektromagnetik dalam ruang kamar^[20] dan diduga juga merupakan kecepatan gelombang gravitasi.^[21][22] Dalam teori ini, sering digunakan satuan natural units di mana c=1, ^[23][24] sehingga notasi c tidak lagi digunakan.