Pelebaran waktu
Dilatasi waktu gravitasi adalah konsep fisika tentang perubahan dalam perjalanan waktu, yang disebabkan oleh relativitas umum. Sebuah jam di luar angkasa bergerak lebih cepat daripada jam di Bumi. Benda-benda berat seperti planet menciptakan medan gravitasi yang memperlambat waktu di dekatnya. Ini berarti bahwa jam di pesawat ruang angkasa yang jauh dari planet mana pun akan bergerak lebih cepat daripada jam di dekat Bumi.
Hal ini berbeda dengan dilatasi waktu yang dijelaskan oleh relativitas khusus, yang mengatakan bahwa benda-benda cepat bergerak lebih lambat melalui waktu. Satelit dekat seperti Stasiun Luar Angkasa Internasional bergerak sangat cepat untuk mengorbit Bumi, sehingga mereka melambat. Karena ISS berada di orbit Bumi yang rendah (LEO), dilatasi waktu akibat gravitasi tidak sekuat dilatasi waktu akibat kecepatannya, sehingga jam di atasnya lebih diperlambat daripada dipercepat. Sebuah objek di orbit Geostasioner bergerak kurang cepat dan lebih jauh dari Bumi, sehingga dilatasi waktu gravitasi lebih kuat, dan jam bergerak lebih cepat daripada di LEO. Ini berarti bahwa para insinyur perlu memilih jam yang berbeda untuk orbit yang berbeda. Satelit GPS bekerja karena mereka tahu tentang kedua jenis dilatasi waktu.
Kasus #1: Dalam relativitas khusus, jam yang bergerak berjalan lebih lambat menurut jam pengamat yang diam. Efek ini bukan berasal dari cara kerja jam, tetapi dari sifat ruang-waktu.
Kasus #2: pengamat mungkin berada pada posisi dengan massa gravitasi yang berbeda. Dalam relativitas umum, jam yang berada di dekat medan gravitasi yang kuat berjalan lebih lambat daripada jam di medan gravitasi yang lebih lemah.
Dua jam yang baik akan menunjukkan waktu yang berbeda di luar angkasa dan di Bumi.
Bukti
Eksperimen mendukung kedua aspek dilatasi waktu.
Dilatasi waktu karena kecepatan relatif
Rumus untuk menentukan dilatasi waktu dalam relativitas khusus adalah:
Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,} 
di mana
Δ t {\displaystyle \Delta t\,}
adalah interval waktu untuk seorang pengamat (misalnya kutu pada jamnya) - ini dikenal sebagai waktu yang tepat,
Δ t ′ {\displaystyle \Delta t'\,}
adalah interval waktu untuk orang yang bergerak dengan kecepatan v sehubungan dengan pengamat,
v {\displaystyle v\,}
adalah kecepatan relatif antara pengamat dan jam yang bergerak,
c {\displaystyle c\,}
adalah kecepatan cahaya.
Ini juga bisa ditulis sebagai:
Δ t ′ = γ Δ t {\displaystyle \Delta t'=\gamma \Delta t\,} 
di mana
γ = 1 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,}
adalah faktor Lorentz.
Ringkasan sederhananya adalah bahwa lebih banyak waktu yang diukur pada jam diam daripada jam bergerak, oleh karena itu, jam bergerak "berjalan lambat".
Ketika kedua jam tidak bergerak, relatif satu sama lain, kedua waktu yang diukur adalah sama. Hal ini dapat dibuktikan secara matematis dengan
Δ t ′ = Δ t 1 - 0 / c 2 = Δ t {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-0/c^{2}}}}={\Delta t}\,} 
Sebagai contoh: Dalam pesawat ruang angkasa yang bergerak dengan kecepatan 99% dari kecepatan cahaya, satu tahun berlalu. Berapa lama waktu yang akan berlalu di bumi?
v = 0.99 c {\displaystyle v=0.99c\,} 
Δ t = 1 {\displaystyle \Delta t=1\,}
tahun
Δ t ′ = ? {\displaystyle \Delta t'=?\,} 
Substitusi ke dalam : Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,}
Δ t ′ = 1 1 - ( .99 c ) 2 / c 2 = 1 1 - ( . 99 ) 2 ( c ) 2 c 2 = 1 1 - ( .99 ) 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {1}{\sqrt {1-(.99c)^{2}/c^{2}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {(.99)^{2}(c)^{2}}{c^{2}}}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-(.99)^{2}}}}} 
= 1 1 - 0.9801 = 1 0.0199 = 7.08881205 {\displaystyle ={\frac {1}{\sqrt {1-0.9801}}}={\frac {1}{\sqrt {0.0199}}}}=7.08881205}
tahun
Jadi, kira-kira 7,09 tahun akan berlalu di bumi, untuk setiap tahun di pesawat ruang angkasa.
Dalam kehidupan biasa saat ini, dilatasi waktu belum menjadi faktor, di mana orang bergerak dengan kecepatan yang jauh lebih kecil dari kecepatan cahaya, kecepatannya tidak cukup besar untuk menghasilkan efek dilatasi waktu yang dapat dideteksi. Efek yang sangat kecil seperti itu dapat diabaikan dengan aman. Hanya ketika sebuah objek mendekati kecepatan pada orde 30.000 kilometer per detik (67.000.000 mph) (10% kecepatan cahaya), dilatasi waktu menjadi penting.
Namun, ada kegunaan praktis dari dilatasi waktu. Contoh besar adalah dengan menjaga jam pada satelit GPS tetap akurat. Tanpa memperhitungkan dilatasi waktu, hasil GPS tidak akan berguna, karena waktu berjalan lebih cepat pada satelit yang begitu jauh dari gravitasi bumi. Perangkat GPS akan menghitung posisi yang salah karena perbedaan waktu jika jam luar angkasa tidak diatur untuk berjalan lebih lambat di Bumi untuk mengimbangi waktu yang lebih cepat di orbit Bumi yang tinggi (orbit geostasioner).
Pertanyaan dan Jawaban
T: Apa yang dimaksud dengan dilatasi waktu gravitasi?
J: Dilatasi waktu gravitasi adalah sebuah konsep fisika tentang perubahan dalam perjalanan waktu, yang disebabkan oleh relativitas umum. Hal ini terjadi ketika benda-benda berat seperti planet menciptakan medan gravitasi yang memperlambat waktu di dekatnya.
T: Apa bedanya dengan relativitas khusus?
J: Relativitas khusus menyatakan bahwa benda-benda yang cepat bergerak lebih lambat sepanjang waktu, sedangkan dilatasi waktu gravitasi menyatakan bahwa jam di dekat medan gravitasi yang kuat berjalan lebih lambat daripada jam di medan gravitasi yang lebih lemah.
T: Apa yang terjadi pada jam di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS)?
J: Karena ISS berada di orbit Bumi rendah (LEO), kecepatannya menyebabkan lebih banyak perlambatan pada jam daripada percepatan akibat gravitasi. Ini berarti bahwa jam di sana lebih banyak diperlambat daripada dipercepat.
T: Bagaimana orbit Geostasioner memengaruhi jam?
J: Objek di orbit Geostasioner bergerak lebih lambat dan lebih jauh dari Bumi, sehingga pelebaran waktu gravitasi lebih kuat, dan jam bergerak lebih cepat daripada di LEO.
T: Apa yang perlu dipertimbangkan oleh para insinyur ketika memilih jam yang berbeda untuk orbit yang berbeda?
J: Para insinyur perlu memilih jam yang berbeda untuk orbit yang berbeda, tergantung pada seberapa besar pengaruh gravitasi atau kecepatan karena posisi dan jaraknya dari permukaan Bumi.
T: Bagaimana cara kerja satelit GPS terkait dengan kedua jenis dilatasi waktu tersebut?
J: Satelit GPS bekerja karena mengetahui kedua jenis dilatasi waktu - relativitas khusus dan relativitas umum - yang memungkinkannya mengukur jarak antar lokasi di permukaan Bumi secara akurat meskipun terdapat perbedaan gravitasi atau kecepatan akibat posisi dan jarak dari permukaan Bumi.
