Renang dengan fisika, mungkinkah?

            Suatu hari dalam diskusi fisika olahraga, seorang mahasiswa bertanya, pak kenapa dada perenang cewek kempes-kempes. Mahasiswa lain nyeletuk, kalau besar seperti punya Baywatch girl, kolam renang akan sesak. Semua yang hadir tertawa terbahak-bahak, ada ada saja. Walau tampak konyol,saya anggap ini pertanyaan bagus. Pertanyaan ini mendorong saya untuk menyelidiki lebih jauh hubungan antara fisika dan berenang.

              Apakah berenang butuh fisika? Kalau tanya para juara dunia renang, pasti mereka jawab, ya! Gimana nggak butuh, bayangin aja dalam waktu 40 tahun terakhir ini, fisika (dan teknologi) telah membantu memecahkan berbagai rekor dunia renang secara fantastis. Misalnya dalam lomba 100 meter, rekor dunia renang turun sebesar 7,36 detik (dari 55,2 detik tahun 1960 atas nama perenang Australia John Devitt ke 47,84 detik tahun 2000 atas nama perenang Belanda Pieter van den Hoogenband)! Bandingkan dengan lari 400 meter yang hanya turun sebesar 1,72 detik (dari 44,9 tahun 1960 Otis Davis Amrik ke 43,18 detik tahun 1999 Michael Johnson Amrik). Gimana sih fisika membantu para perenang ini? Ikuti tulisan ini yuk...

Gesekan atau Hambatan air

             Hal utama yang menghambat para perenang untuk berenang lebih cepat adalah hambatan air.Hambatan air ini sangat menghabiskan energi perenang,menyebabkan orang mengeluarkan tenaga 5 kali lipat lebih besar untuk berenang dibandingkan untuk berlari. Pertarungan tingkat dunia untuk memecahkan rekor berenang, sekarang lebih dititik-beratkan pada pertarungan bagaimana mengatasi hambatan air.

             Apa penyebab hambatan air? Hambatan air disebabkan pola aliran air (termasuk turbulensi, kocakan air akibat gerakan tangan atau kaki), ombak, dan gesekan permukaan tubuh dengan air. Untuk mengatasi hambatan air tampaknya kita harus berlajar dari lumba-lumba. Ikan yang sangat lincah ini mampu mengatasi hambatan hingga efisiensi 80-90%, padahal perenang terbaik dunia hanya bisa mencapai efisiensi 10%. Apa sih rahasia lumba-lumba? Bisa dicontek?Lumba-lumba punya bentuk tubuh yang ramping (streamline) sehingga tidak menghasilkan turbulensi seheboh yang dihasilkan gerakan renang manusia.Gb. 1a adalah gerakan yang laminar (mulus) sedangkan Gb.1b gerakan yang menimbulkan turbulensi (turbulensi ini menghambat gerakan maju).

           Untuk mengurangi turbulensi seorang akan berenang dengan tubuh sedatar mungkin dengan permukaan (Gb. 2a). Tetapi sayang cara ini mengurangi gerakan maju (karena tangan tidak terlalu bebas bergerak). Gb. 2b memberikan keleluasaan tangan untuk bergerak tetapi menimbulkan turbulensi. Seorang perenang profesional macam Matt Biondi, tahu bagaimana mengkombinasikan posisi tubuh dan gerak tangan sehingga dapat meluncur lebih cepat dan meraih 5 medali emas dalam olimpiade tahun 1988 di Seoul.

              Selain itu permukaan kulit lumba-lumba sangat licin sehingga gesekan dengan air juga sangat kecil. Pakaian renang Speedo menyontek konsep ini.Pakaian ini bisa mengurangi gesekan semaksimal mungkin (lintasan renang sejauh 100 m dapat dilalui 1 detik lebih cepat jika menggunakan pakaian renang ini). Bahkan untuk lebih lincah lagi bergerak di air, banyak perenang yang mencukur seluruh rambut tubuhnya (Wah, jadi botak dong!). Perenang cewek berusaha agar tubuhnya streamline (ramping) dan menjaga agar payudaranya tidak terlalu besar (payudara yang besar akan memberikan hambatan yang lebih besar...nah sekarang kan tahu jawaban pertanyaan mahasiswa di atas...)

             Suhu (temperatur) air kolam renang juga harus diperhatikan. Semakin dingin air, semakin kental dan semakin besar gesekannya (pengurangan suhu 5-6oC menyebabkan kekentalan air naik hingga 12%). Itu sebabnya kolam renang internasional menjaga temperatur airnya sekitar 25-27oC untuk mengantisipasi hal

ini. Hmm… hangat…!!!

Hukum Newton

                Mark Spitz perenang legendaris dari Amrik tahu menggunakan hukum Newton. Ketika Mark menggerakan tangan mendorong air ke belakang, menurut hukum Newton III air akan bereaksi mendorong Mark ke depan. Hal yang sama terjadi ketika Mark menendang air, air akan mendorong Mark melaju ke depan. Kombinasi yang baik antara gerakan tangan dan kaki (seperti lumba-lumba menggerakan ekor dan tubuhnya) dapat memberikan gaya dorong yang besar sehingga Mark Spitz dapat melaju merebut 7 medali emas olimpiade di Munich tahun 1972.

Gambar 3 Mark Spitz, berenang memakai fisika

             Hal lain yang berkenaan dengan Hukum Newton dilakukan oleh perenang hebat Australia Ian Thorpe yang dijuluki “the Australian superfish”. Saat hendak berbalik arah, perenang muda yang masih berumur 20 tahun ini, akan menendang dinding kolam sekeras mungkin. Ian yang meraih 6 medali emas dalam kejuaraan negara persemakmuran di Manchester 2002, tahu bahwa kalau ia menendang keras maka menurut hukum Newton III, dinding akan memberikan reaksi dan mendorong ia keras ke depan. Semakin keras ia menendang, semakin keras pula dorongan dari dinding itu. Ian diharapkan mampu memecahkan berbagai rekor renang dalam olimpiade 2004 nanti di Athena. Kenapa dinding tidak ikut bergerak ketika Ian menendang? Karena massa (berat) dinding kolam jauh lebih besar dari massa Ian.

Gaya Apung (Buoyancy)

             Saat seorang Janet Evans dari Amrik (pemegang rekor wanita 1500 meter gaya bebas, 15 menit 52 detik) berada dalam air, ia menyadari bahwa ia mendapat gaya ke atas (gaya apung). Gaya yang ditemukan oleh Archimedes ini disebabkan oleh adanya perbedaan tekanan air (tekanan hidrostatik) antara bagian bawah dan bagian atas tubuh. Seorang Janet pasti tahu bahwa besarnya gaya apung ini tergantung pada berapa banyak bagian tubuhnya yang berada dalam air. Semakin besar volume tubuh yang berada dalam air semakin besar gaya apungnya.Seorang gendut umumnya lebih mudah terapung karena gaya apungnya lebih

besar (volume tubuhnya lebih besar karena kelebihan lemak).

             Gaya apung juga tergantung pada massa jenis (kepekatan) air. Semakin pekat air semakin besar gaya apungnya. Air di laut mati sangat pekat (massa jenisnya 1,166 kali lebih besar dari massa jenis air tawar), sehingga orang yang berenang di laut mati tidak akan tenggelam.

             Walaupun gaya apung tidak ada hubungan langsung dengan kecepatan renang, namun gaya apung dapat menghemat energi perenang (dengan gaya apung yang besar , perenang tidak perlu melakukan gerak ekstra untuk mempertahankan diri agar tetap terapung). Karena itu gaya apung sangat bermanfaat untuk mereka yang berenang jarak jauh. Itu sebabnya perenang jarak jauh umumnya agak gendut dan perlombaannya diadakan di laut seperti menyebrangi selat Inggris.

Terjun

Hal lain yang perlu diperhatikan perenang untuk memperbaiki rekor renangnyaadalah tehnik start.

             Seorang Alexandr Popov (pemegang rekor 50 m gaya bebas dengan 21,64 detik) memilih untuk

terjun ke kolam dengan sudut sebesar mungkin, pike dive (Gambar 4b). Gaya ini menyebabkan ombak yang dihasilkan tidak seheboh gaya terjun yang lama (datar, Gb.6a). Dengan pike dive ini tidak banyak turbulensi yang terjadi sehingga memperkecil hambatan. Selain itu, jarak yang bisa dicapai lebih jauh karena lompatan yang lebih tinggi dari flat dive (lompatan datar).

              Nah asyik kan melihat gimana para perenang memanfaatkan fisika untuk memecahkan rekor? Pemanfaatan fisika pada olahraga renang tidak stop sampai sini. Saat ini para pelatih renang meminta para fisikawan untuk meneliti sebenarnya mana yang lebih berperan besar dalam menambah kecepatan renang,

hukum Newton ataukah hukum Bernoulli. Penelitian juga diarahkan untuk meneliti berbagai konsep fisika dalam gerakan tubuh ikan dan mensimulasikannya sehingga diperoleh tehnik berenang lebih efisien. Kedepannya kita akan semakin sering menyaksikan bagaimana fisika memperbaiki rekor-rekor renang yang ada, tentunya tanpa bantuan steroid!

Berlayar di Angkasa

               Berlayar kok di luar angkasa? Bagaimana caranya? Apakah di luar angkasa yang sepi dan gelap itu ada cukup angin yang dapat mengembangkan layar seperti angin laut yang mengembangkan layar dan mengarahkan kapal-kapal laut? Nah, di sinilah kunci utamanya! Menurut fisika, berlayar di luar angkasa tidak mustahil! Tetapi konsep yang digunakan berbeda dengan konsep berlayar menggunakan kapal laut. Di luar angkasa yang luas itu, ‘kapal layar’ tidak mengembang dan meluncur dengan bantuan angin. Ada sesuatu yang lain yang membantu pelayaran di dunia asing ini.
              Satu perbedaan utama terletak pada layar yang digunakan. Kapal laut selalu menggunakan layar yang terbuat dari bahan kain yang cukup kuat untuk menerima terpaan angin selama berlayar. ‘Kapal layar luar angkasa’ justru menggunakan layar yang terbuat dari cermin! Kapal yang mengambang di ruang angkasa ini sama sekali tidak tergantung dari angin, tetapi justru sangat tergantung oleh cahaya yang dipancarkan oleh matahari. Karena itulah layar ini mendapat julukan solar sail (solar = matahari, sail = layar). Mau tahu cara kerja solar sail?
            Ada tiga hal yang sangat dibutuhkan supaya pesawat luar angkasa yang menggunakan solar sail bisa mengarungi jagad raya dengan mulus. Yang pertama dan yang paling utama adalah sinar matahari. Yang kedua adalah cermin yang sangat besar (luasnya bisa sebesar luas lapangan sepak bola!) tetapi sangat tipis.Yang ketiga adalah roket yang bisa digunakan untuk melemparkan pesawat ke orbit di luar angkasa. Sesudah diluncurkan dan berhasil keluar dari atmosfer bumi, roket ini dilepaskan sehingga pesawat bisa melayang sendiri dengan layarnya yang unik. Layar ini adalah cermin yang sangat luas tadi. Di luar angkasa, cahaya matahari dapat menyerbu cermin itu (Gambar 1).

             Sinar-sinar kuning pada Gambar 1 merupakan sinar matahari, sedangkan panah-panah biru menunjukkan lintasan-lintasan orbit pesawat. Panah merah menunjukkan arah gerak pesawat dan perubahannya akibat gaya tekan sinar matahari terhadap solar sail (cermin raksasa). Gambar 1-1 menunjukkan bahwa saat cermin berada pada posisi paralel dengan arah sinar matahari, Disini tidak ada
perubahan arah gerak, solar sail tetap pada orbitnya. Ini mirip dengan bumi yang tidak kenal lelah mengorbit mengelilingi matahari. Jika kita mengubah posisi cermin menjadi tegak lurus terhadap serbuan sinar matahari (Gambar 1-2), gaya tekan sinar matahari menyebabkan pesawat terdorong (dipercepat) menjauhi matahari (Gambar 1-3) sehingga pesawat mengelilingi matahari pada orbit baru (lingkaran biru yang besar). Jika posisi cermin diubah lagi sehingga sinar matahari menerpa bagian belakang cermin pada sudut tertentu (Gambar 1-4), tekanan yang dirasakan solar sail menjadi kecil (pesawat diperlambat) sehingga pesawat seakan ditarik mendekati matahari (orbitnya pindah lagi ke lingkaran yang kecil).

             Wah, bukankan itu berarti pesawat luar angkasa ini dikemudikan oleh sinar matahari? Tepat sekali! Posisi dan arah solar sail terhadap sinar matahari sangat mempengaruhi kecepatan dan pergerakannya di luar angkasa. Karena matahari tidak pernah berhenti bersinar, pasokan energi bagi pesawat pun semakin lama semakin banyak. Pesawat ini tidak membutuhkan bahan bakar karena bahan bakarnya adalah sinar matahari yang terus-menerus mendorongnya di luar angkasa. Semakin lama diserbu oleh sinar matahari (semakin banyak tekanan yang diterima cermin) semakin besar pula percepatan (dorongan) yang dihasilkan. Itulah sebabnya cermin yang digunakan sebagai layar harus berukuran super besar (Gambar2)!

               Semakin besar luas permukaan cermin, semakin banyak pula sinar matahari yang bisa diterima dan digunakan untuk mendorong pesawat luar angkasa masa depan ini. Inilah alasan utama NASA (National Aeronautics and Space Administration) mulai mengembangkan teknologi solar sail ini. Dengan menggunakan solar sail, pesawat luar angkasa yang dikirim untuk menjelajahi jagad raya yang sangat luas ini tidak lagi membutuhkan bahan bakar yang berat dan mahal seperti halnya pesawat luar angkasa yang selama ini digunakan. Ini merupakan penghematan yang luar biasa. Bahan bakar selalu merupakan masalah
utama semua misi NASA di luar angkasa. Semakin jauh jarak yang ingin dicapai pesawat luar angkasa konvensional, semakin banyak bahan bakar yang dibutuhkan untuk meluncurkannya. Semakin banyak bahan bakar, semakin besar ukuran pesawat yang dibutuhkan untuk menyimpannya. Ini berarti semakin berat pula beban yang harus dibawa pesawat. Semakin berat bebannya, semakin banyak bahan bakar yang dibutuhkan. Dengan kata lain, semakin mahal biaya yang dibutuhkan untuk menjalankan misi-misi ke luar angkasa ini! Dengan solar sail, pemakaian bahan bakar bisa dihilangkan sehingga pesawat pun lebih kecil dan lebih ringan. Atau, dengan berat dan ukuran pesawat yang sama, ada lebih banyak peralatan yang bisa dibawa karena ada banyak ruang yang dapat ditempati. Ini berarti penelitian bisa dilakukan dengan lebih efisien. Misi ke luar angkasa pun bisa mencapai jarak yang selama ini hanya bisa dimimpikan manusia. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai jarak yang sangat jauh pun bisa dipersingkat karena sinar matahari dapat mendorong pesawat sampai kecepatan lima kali lebih besar dari kecepatan roket konvensional. Bahkan pesawat yang menggunakan solar sail memang dikhususkan untuk menjalankan Deep Space Misions (petualangan menuju daerah yang sangat jauh, bahkan mencapai galaksi dan tatasurya lain).

              Karena sangat tergantung pada sinar matahari, solar sail tidak bisa langsung meluncur sendiri dari bumi dan melesat ke luar angkasa begitu saja. Itulah sebabnya diperlukan roket yang bisa meluncurkannya ke luar angkasa untuk mencapai posisi yang ideal untuk mulai menerima serangan cahaya matahari. Bahan-bahan konstruksi yang digunakan pun harus super ringan supaya sinar matahari dapat mendorong pesawat dengan lebih mudah. Bahan-bahan yang super ringan tetapi super kuat ini sedang gencar dikembangkan menggunakan nanoteknologi. Inilah sebabnya NASA begitu antusias akan perkembangan nanoteknologi. Dengan nanoteknologi, kita bisa membuat material yang memiliki karakteristik yang sesuai dengan keinginan kita karena kita bisa menyusunnya atom per atom. Karena itu, jika kita menginginkan material yang setipis satu helai rambut, tetapi memiliki kekuatan 100 kali lebih kuat dari baja, nanoteknologi dapat menyediakannya untuk kita. Karakteristik optik cermin yang digunakan pun bisa ditingkatkan karena kita bisa merancang struktur atom yang menyusun cermin itu supaya sesuai dengan kebutuhan kita.

            Pesawat luar angkasa masa depan yang dilengkapi solar sail ini akan menjadi mata bagi kita yang ingin mengintip jagad raya ini. Pesawat ini akan dilengkapi dengan berbagai kamera, peralatan elektronika, alat komunikasi, dan komputer yang sangat canggih sehingga dapat merekam dan melaporkan hasil intipannya itu kembali ke bumi. Para peneliti yang terus memantau perjalanan pesawat ini pun dapat ikut menikmati semua yang berhasil direkam oleh kamera-kamera tadi sepanjang perjalanan pesawat menembus galaksi, tanpa perlu
khawatir bahwa pesawat akan kehabisan energi.

Newton forgive me….

                Itu kata-kata Einstein saat teori yang dihasilkannya ternyata berhasil menggulingkan teori Isaac Newton, seorang fisikawan legendaris, yang teorinya dipercaya oleh dunia sebelum munculnya teori Einstein yang mengobrak-abrik semuanya. Albert Einstein membuat heboh dengan Teori Relativitas Khusus (The Special Theory of Relativity) yang ditelorkannya pada tahun 1905. Sebentar lagi, teori yang pernah mengagetkan dunia ini akan merayakan ulang tahunnya yang ke-100! Perayaan seabadnya (Centenary) teori si jenius Albert Einstein ini bisa dilihat dari ramainya majalah-majalah ilmiah yang mulai membahas kembali teori yang sudah mengguncang dunia selama seratus tahun ini. Tahun 2005 bahkan dicanangkan sebagai The World Year of Physics untuk mengenang kebesaran Einstein. Apa sih istimewanya teori ini? Koq seluruh dunia begitu heboh merayakan kelahirannya ini? Yuk, kita ikut dalam gosip seru tentang apa yang menjadi dasar lahirnya teori ini...

Seorang ahli matematika dari Perancis, Jules Henri Poincaré, pernah mengajukan perumpamaan berikut. Di suatu malam, kita sedang asyik tidur dengan lelap di tempat tidur kita yang nyaman. Tiba-tiba seluruh jagad raya mengembang sehingga ukurannya menjadi seribu kali lebih besar dari ukuran semula. Seluruh jagad raya ini maksudnya semua benda di bumi dan di luar bumi, mulai dari benda-benda mati sampai semua jenis makhluk hidup, termasuk kita sendiri yang sedang lelap tertidur. Karena kita sedang asyik bermimpi, kita tidak menyadari kejadian ini. Sewaktu kita terbangun di pagi harinya, apa kita bisa merasakan bahwa semuanya sudah menjadi lebih besar? Apa kita bisa merasakan perbedaannya? Kalaupun kita diberi tahu bahwa ada kejadian menghebohkan tersebut saat kita tertidur, apakah ada yang bisa membuktikannya? Pasti kita tidak merasakan perbedaan apa pun walaupun seluruh jagad raya kini sudah berubah ukurannya. Ini karena semuanya ikut berubah sehingga tidak ada satu pun yang bisa dijadikan patokan untuk mengukur terjadinya perubahan tersebut. Karena itu, kita juga tidak mungkin bisa membuktikan bahwa seluruh jagad raya ini kini telah menjadi seribu kali lebih besar. Semua terlihat sama. Lain halnya jika hanya tubuh kita yang tiba-tiba menciut menjadi sangat kecil (ingat film fiksi Honey, I Shrunk the Kids!), sedangkan seluruh jagad raya tetap pada ukurannya semula. Tidak ada satu pun yang berubah ukuran kecuali tubuh kita sendiri. Wah, sudah pasti kita langsung panik karena kita bisa langsung merasakan perbedaan itu. Kita langsung tahu apa yang terjadi karena kita bisa melihat bahwa sekeliling kita tiba-tiba tampak seperti raksasa. Baju yang kita pakai tiba-tiba kedodoran, dan cincin yang biasa melingkar manis di jari kita tiba-tiba tampak seperti lingkaran raksasa yang berat dan menyeramkan karena hampir jatuh menimpa tubuh kerdil kita itu. Tetapi, apakah itu berarti bahwa tubuh kita yang mengecil, atau sekeliling kita yang tiba-tiba membesar? Hmm... bingung juga ya!

             Bagaimana cara kita menentukan mana yang besar dan mana yang kecil? Apakah planet bumi yang kita tempati ini bisa disebut berukuran besar? Kalau dibandingkan dengan ukuran bola basket yang biasa kita mainkan di sekolah, tentu saja planet bumi ini tampak seperti bola raksasa yang sangat besar! Tetapi kalau kita bandingkan dengan matahari, planet bumi ini termasuk kecil! Jadi, yang mana yang benar? Besar atau kecil? Tidak ada yang benar, dan tidak ada yang salah! Itulah letak permasalahannya. Ukuran tidak bisa dinyatakan secara absolut. Untuk mengukur sesuatu kita perlu sesuatu yang lain sebagai perbandingannya. Ini berarti bahwa ukuran (orang fisika lebih senang menyebutnya sebagai: Length) selalu bersifat relatif, tidak ada yang mutlak berukuran besar ataupun kecil.

Sekarang kita coba lihat kasus lain. Masih ingat cerita si Kancil yang gesit dan lincah? Kancil bisa berlari sangat cepat. Tunggu dulu! Apa benar kancil itu cepat? Kalau dibandingkan dengan siput, sudah pasti si kancil terlihat sangat cepat. Kalau dibandingkan dengan juara olimpiade pun kancil masih terlihat sangat cepat. Tetapi kalau kita bandingkan dengan pesawat terbang, tentu saja si kancil jadi terlihat begitu lambat. Apa ini berarti pesawat terbang itulah yang cepat? Tidak juga! Kalau kita lihat roket yang meluncur ke luar angkasa, kita bisa langsung tahu bahwa roket itu jauh lebih cepat dari pesawat terbang biasa. Ini berarti, kecepatan pun merupakan sesuatu yang relatif. Kita juga bisa membuktikan ini saat kita sedang mengantar saudara kita yang akan pergi ke luar kota naik kereta api cepat. Sewaktu kereta mulai meluncur, kita melihat saudara kita itu melesat dengan cepat. Tetapi di dalam kereta itu sendiri, orang yang duduk di sebelah saudara kita itu melihat bahwa saudara kita itu duduk diam dan tenang di sebelahnya. Jadi, bagi kita yang sedang berada di luar kereta yang sedang meluncur itu, saudara kita memang terlihat bergerak dengan cepat. Tetapi bagi semuanya yang ada di dalam kereta, ia terlihat sedang diam. Jadi, waktu (Time) tidak mempunyai nilai absolut, sama seperti ruang (Space). Semuanya harus selalu dibandingkan dengan sesuatu yang bisa dijadikan patokan. Misteri inilah yang diutak-atik oleh otak jenius Einstein sehingga melahirkan teori relativitasnya yang terkenal itu. Semua hal yang tampak sebagai sesuatu yang absolut ternyata merupakan sesuatu yang relatif.

              Ada dua postulat dalam teori relativitas khusus ini. Yang pertama menyatakan bahwa semua hukum fisika yang berlaku di bumi, berlaku juga di seluruh jagad raya. Yang kedua menyatakan bahwa kecepatan cahaya di ruang hampa selalu konstan (sekitar tiga ratus juta meter per detik, atau sering ditulis dalam bentuk kerennya: 3.108 meter per detik). Postulat yang kedua ini menunjukkan bahwa bagaimanapun cara kita mengukurnya, kecepatan cahaya tidak pernah berubah. Apa pun patokan yang kita gunakan untuk mengukur kecepatan cahaya, di mana pun posisi kita saat mengukur, dan berapa pun kecepatan kita (apakah kita sedang bergerak atau sedang duduk diam) saat mengukur, kecepatan cahaya selalu konstan. Ini menunjukkan bahwa kecepatan cahaya merupakan satu-satunya yang bersifat absolut. Postulat yang pertama pun menyatakan bahwa kondisi ini selalu berlaku di mana pun juga. Ini berarti, jika kita mengukur kecepatan cahaya di galaksi lain, kita tetap mendapatkan hasil yang sama, yaitu tiga ratus juta meter per detik!

Postulat-postulat Einstein ini ternyata memberi dampak besar bagi dunia. Ia pernah mencoba menjelaskan efek yang dihasilkan dari teorinya ini dalam perumpamaan berikut. Misalnya ada sebuah kereta yang sedang meluncur cepat. Si A sedang duduk dengan tenang dalam salah satu gerbong kereta itu. Si B sedang berdiri diam di luar kereta dan mengamati kereta yang meluncur di depannya itu. Sewaktu gerbong kereta yang dinaiki si A meluncur tepat di depannya, tiba-tiba ada kilat menyambar di dua tempat yang berbeda. Kilat pertama menyambar 100 meter di sebelah kanan B, sedangkan kilat yang satunya lagi menyambar 100 meter di sebelah kiri B. Saat kedua kilat menyambar, posisi A tepat di depan B. Karena si B sedang berdiri diam di luar kereta yang sedang meluncur, si B melihat kedua kilat itu menyambar pada saat yang bersamaan. Tetapi lain halnya dengan si A. Si A yang sedang berada di dalam kereta yang meluncur cepat (ke arah kanan si B) melihat kedua kilat menyambar satu per satu. Kilat yang pertama terlihat lebih dulu, beberapa saat kemudian baru kilat yang kedua terlihat oleh A. Padahal jarak A terhadap kilat pertama dan kedua sama dengan jarak B terhadap kedua kilat itu. Perbedaan ini disebabkan bedanya kerangka acuan A dan B (frame of reference). Si A sedang ‘meluncur’, sedangkan si B sedang berdiri ‘diam’. Karena si A sedang bergerak menuju kilat yang pertama, tentu saja kilat yang pertama itu terlihat lebih dulu. A bergerak menjauhi kilat yang kedua, sehingga kilat yang kedua tampak menyambar sesudah kilat yang pertama. Bagi si B yang sedang diam dan tidak mendekati maupun menjauhi kedua kilat itu, keduanya tampak menyambar pada waktu yang bersamaan. Yang mana yang benar? Keduanya benar! Tidak ada yang salah. Karena itulah ini dinamakan relativitas. Semua bergantung pada kerangka acuan yang digunakan. Dan apa pun kerangka acuannya, hukum-hukum fisika yang sama selalu berlaku (postulat 1). Sekarang jika si A dan si B sama-sama diminta untuk menghitung kecepatan cahaya, apa hasilnya akan berbeda? Tidak! Walaupun si A sedang bergerak dan si B sedang diam, keduanya akan mendapati bahwa kecepatan cahaya tetap tiga ratus juta meter per detik.

Ada konsekuensi dari teori relativitas ini. Yang paling terkenal adalah mulurnya waktu dan kontraksi panjang. Mulurnya waktu, atau bahasa kerennya Time Dilation, ini maksudnya bahwa jika suatu jam bergerak dengan kecepatan tertentu, waktunya akan memuai (mulur). Misalnya ada seorang astronot yang membawa jam tangannya saat menjalankan misi ke luar angkasa. Pesawat luar angkasa yang membawanya meluncur sangat cepat. Jika kita, yang berada di bumi, punya teropong yang sangat sensitif dan bisa melihat ke dalam pesawat yang sedang meluncur cepat itu, kita bisa menggunakan teropong itu untuk mengintip jam tangan si astronot. Sebelum si astronot berangkat kita sudah menyesuaikan jam tangan itu dengan jam tangan yang kita gunakan di bumi. Aneh, di jam tangan si astronot yang sedang meluncur di luar angkasa itu koq lebih lambat dibanding jam tangan kita di bumi? Padahal sebelum ia berangkat kedua jam sudah dicocokkan dan si astronot tidak mengubahnya sama sekali sejak keberangkatannya itu. Jarum detiknya tampak bergerak lebih lambat dibanding jarum detik di jam tangan kita. Inilah yang disebut dengan waktu yang mulur saat bergerak pada kecepatan tinggi. Semakin besar kecepatan gerak suatu benda atau partikel, waktu akan berjalan semakin lambat bagi benda atau partikel tersebut! Tentu saja hal ini tidak dirasakan oleh si astronot. Menurut si astronot, jam tangannya tidak berubah kecepatannya, yang berubah justru kecepatan jam tangan kita di bumi yang tampak bergerak lebih cepat. Hal ini disebabkan segala sesuatu di dalam pesawat astronot bergerak lambat termasuk proses metabolisma tubuh, getaran atom dan sebagainya.

             Kontraksi panjang juga berkaitan dengan perbedaan kecepatan. Misalnya si astronot agak lelah, lalu mulai berbaring di tempat tidur yang sudah disediakan di pesawat luar angkasanya. Dengan teropong yang sama, kita bisa mengintip si astronot yang tidur berbaring itu. Aneh, sewaktu berbaring koq si astronot tampak lebih pendek? Sewaktu ia masih di bumi dan pesawatnya belum berangkat, ia tampak tinggi. Lebih aneh lagi, sewaktu ia sudah terbangun lagi dari tidurnya dan kembali berdiri, tiba-tiba ia kelihatan tinggi seperti biasa. Tetapi ia juga kelihatan lebih kurus saat berdiri! Ada apa ini? Apa ia menyusut sewaktu sedang tidur? Tentu tidak!  Karena ia sedang berada dalam pesawat yang meluncur cepat, saat ia tidur kita melihat panjang tubuhnya menciut (terjadi kontraksi panjang). Saat ia berdiri, kita melihat lebar tubuhnya menciut (juga merupakan kontraksi panjang). Ia sendiri tidak merasakan perubahan apa-apa di dalam pesawat. Nah, inilah serunya teori relativitas!

Tunggu dulu! Ada yang lebih seru lagi dari ini. The Twin Paradox. Apa itu? Misalnya kita pergi ke ruang angkasa menggunakan pesawat yang meluncur sangat cepat menjauhi bumi, dan kemudian kembali lagi ke bumi sepuluh tahun setelah pesawat lepas landas. Bagi kita yang berada di pesawat itu, kita hanya pergi selama satu tahun saja (karena adanya time dilation)! Jika kita punya saudara kembar yang menunggu kita di bumi, kita bisa melihat sendiri bahwa saat kita mendarat, kembaran kita (yang lahirnya bersamaan dengan kita) sudah 9 tahun lebih tua dari kita! Ini adalah salah satu akibat dari dilatasi waktu. Aneh tapi nyata!

            Teori relativitas khusus ini telah banyak digunakan oleh para fisikawan dalam menelorkan karya-karya hebatnya. Sudah banyak bukti-bukti yang menunjukkan kebenarannya. Inilah hebatnya Einstein! Ia menelorkan teori tersebut murni dari hasil pemikiran otaknya saja, tanpa ada bantuan dari siapapun. Ia tidak pernah berdiskusi dengan siapapun dan tidak pernah menjalankan percobaan apapun untuk mendukung teori ini. Tetapi ternyata teori ini justru terbukti benar saat beberapa fisikawan mencobanya dalam berbagai eksperimen. Teori Einstein yang menelorkan konsep kecepatan cahaya inipun membuat heboh dunia karena bertentangan dengan teori Newton. Menurut Newton, jika sebuah benda yang sedang bergerak akan terus bergerak pada kecepatan sama jika tidak ada gaya lain yang mempengaruhinya. Jika kita memberikan gaya tambahan (secara terus-menerus) pada benda yang bergerak itu, maka gerakannya akan terus dipercepat. Ini berarti kecepatannya terus bertambah sampai pada kecepatan tak hingga, asalkan kita terus memberikan gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat benda itu. Einstein langsung menyatakan: “Newton, forgive me…” karena menurut Einstein ini tidak mungkin terjadi! Semakin besar kecepatan yang diinginkan semakin besar pula gaya yang harus diberikan. Untuk mencapai kecepatan cahaya, kita harus memberikan energi dalam jumlah yang tak hingga (infinite). Hal ini tidak mungkin bisa dilakukan karena energi hanya ada dalam jumlah tertentu (finite) sebagai akibat dari Hukum Kekekalan Energi (energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan). Jumlah energi yang tersedia tidak pernah bertambah sehingga kecepatan cahaya tidak mungkin bisa dicapai.

            Disamping Teori Relativitas Khusus, Einstein juga mengembangkan Teori Relativitas Umum (The General Theory of Relativity). Dalam teori ini Einstein memperhitungkan pengaruh gravitasi pada cahaya. Einstein menunjukkan bahwa lintasan cahaya akan mengalami pembelokan ketika berada dekat dengan benda-benda luar angkasa yang besar-besar itu.  Tahu nggak, teori ini berhasil lolos ujian yang amat sulit, yaitu ketika menentukan gerakan presesi dari perihelion orbit planet Merkuri.  Kemudian pada tahun 1919 ketika terjadi gerhana matahari total di teluk Guinea, Afrika sekelompok ilmuwan Inggris berusaha membuktikan adanya pembelokan cahaya bintang ketika berada dekat sekali dengan matahari seperti yang diramalkan oleh Teori Relativitas Umum Einstein. Para astronomer memfoto berbagai posisi suatu bintang tertentu ke arah matahari dan kemudian mengulangi 6 bulan kemudian. Ternyata ramalan Einstein benar! Saat itu Einstein menjadi sangat terkenal.