Global Positioning System (GPS) Sebagai Bukti Empiris Teori Relativitas

Ruling our world. | Oleksiy Mark Shutterstock

Global dalam sejarah menunjukkan pengetahuan dan sains berkembang sangat pesat. Menurut Schilling 2013, knowledge double curve menyatakan bahwa bahwa hingga awal Abad ke-20 pengetahuan umat manusia hanya bertambah sekitar dua kali lipat setiap abad. Pada akhir Perang Dunia II pengetahuan bertambah dua kali lipat setiap 25 tahun.

Seiring dengan ditemukannya teknologi nano pertambahan pengetahuan menjadi dua kali lipat setiap dua tahun. Dalam waktu beberapa tahun ke depan, Internasional Business Machines (IBM) bahkan meramalkan akan terjadi ledakan pelipatgandaan pengetahuan setiap 12 jam.

Dalam perkembangan pengetahuan terdapat penggantian gagasan-gagasan ilmiah lama oleh yang baru sesuai dengan fakta-fakta baru yang ditemukan, sehingga terbedakan gagasan modern dari gagasan klasik. Sejarah sains pada dasarnya merupakan sejarah pikiran umat manusia, terlepas dari asal usul kebangsaan maupun asal mula negara. Lintasan sejarah sains yang terbaik adalah mengikuti pembagian kurun waktu dari satu zaman yang terdahulu ke zaman berikutnya. Zaman tertua dari pertumbuhan sains adalah zaman kuno yang merentang antara tahun kurang lebih 4000 SM - 400 M.

Fisika merupakan cabang dari sains. Terdapat perkembangan Fisika yang paling mencolok pada abad ke-20 yaitu relativitas oleh Albert Einstein pada 1905 dan teori kuantum oleh Max Planck pada 1900. Dua perkembangan ini adalah contoh revolusi ilmiah yang telah mengubah cara pandang manusia mengenai alam semesta secara mendasar. Khun menyatakan bahwa sains berkembang melalui pergeseran paradigma yaitu perubahan fundamental dalam asumsi, teori, dan metode dalam bingkai paradigma lama ke asumsi, teori, dan metode dalam bingkai paradigma baru.

Gagasan baru dalam revolusi ilmiah teori relativitas Einstein meliputi teori relativitas khusus dan teori relativitas umum. Hukum-hukum fisika yang terdapat pada teori relativitas dapat ditemui di kehidupan sehari-hari. Salah satunya adalah Global Positioning System (GPS). GPS adalah satu-satunya sistem satelit navigasi global untuk penentuan lokasi, kecepatan, arah, dan waktu yang telah beroperasi secara penuh di dunia saat ini. GPS merupakan bukti empiris dari teori relativitas sebagai bagian dari revolusi ilmiah GPS adalah singkatan dari Global Positioning System, yang merupakan sistem navigasi dengan menggunakan teknologi satelit yang dapat menerima sinyal dari satelit.

Perkembangan teknologi informasi telah berkembang, salah satunya pada pembuatan aplikasi yang sudah dapat dikembangkan pada perangkat smartphone berbasis android yang dapat dengan mudah digunakan serta dapat menyediakan informasi secara cepat dan efisien. Salah satu fitur yang terdapat dalam smartphone adalah layanan internet dan dilengkapi dengan fitur GPS (Global Positioning System), yaitu sistem navigasi yang menggunakan sinyal satelit dalam penggunaannya. Dengan adanya GPS pengguna smartphone dapat mengetahui koordinat dari pengguna, yaitu berupa data latitude dan longitude. GPS dapat menghitung informasi, seperti kecepatan, arah yang dituju, jalur, tujuan perjalanan, jarak tujuan, matahari terbit dan matahari terbenam dan lainlain. Sinyal yang dikirimkan oleh satelit ke GPS akan digunakan untuk menghitung waktu perjalanan (travel time).

Penerapan lokasi dengan Location Based Services (LBS) atau layanan berbasis lokasi yang mampu mendeteksi letak pengguna juga dapat memberikan layanan informasi yang dibutuhkan sesuai dengan letak pengguna tersebut. LBS ini juga memanfatkan fungsi teknologi GPS dan cell-besed location dari Google. Dalam mengukur posisi, LBS menggunakan lintang dan bujur untuk menentukan lokasi geografis.

Teori relativitas dari Einstein dibagi menjadi relativitas khusus dan umum. Relativitas khusus muncul pertama kali dan membahas tentang kecepatan cahaya yang bersifat konstan bagi setiap orang. Teori ini terlihat sederhana, namun ternyata menimbulkan konsekuensi yang mendalam. Einstein menyimpulkan teori ini pada 1905 setelah munculnya bukti eksperimental yang menunjukkan bahwa kecepatan cahaya tidak berubah saat bumi mengitari matahari. Hasil ini cukup mengejutkan dunia fisika karena masih menganggap kecepatan bagi hampir seluruh objek bergantung pada arah yang diamati pengamat. Jika seseorang mengendarai mobil di sebelah jalur kereta api, seseorang akan menyadari bahwa kereta akan bergerak jauh lebih cepat jika mobil bergerak berlawanan dibanding jika mobil bergerak searah dengan kereta api.

Menurut Einstein, setiap pengamat akan mengukur kecepatan cahaya pada 299.792.458 m/s terlepas dari seberapa cepat pengamat bergerak atau kemana arah gerak pengamat. Namun muncul berbagai pertanyaan, seperti bagaimana jika seseorang berada pada pesawat luar angkasa yang bergerak pada kecepatan cahaya, dan menyalakan lampu.

Beberapa ahli fisika menjawab bahwa lampu akan tetap menyala seperti biasa, tapi hanya dari sudut pandang seseorang yang berada di dalam pesawat. Jika seseorang di luar mengamati bagaimana pesawat tersebut bergerak, lampu tersebut tidak akan menyala. Butuh waktu yang sangat lama sampai lampu tersebut tampak menyala bagi orang yang berada diluar pesawat. Namun jawaban ini menimbulkan kontroversi. Jika kecepatan cahaya dianggap konstan seperti yang disampaikan Einstein, berarti ruang dan waktu tidak bersifat mutlak. Keduanya mesti bersifat relatif.

Selain ruang dan waktu, massa juga akan berubah. Semakin cepat suatu objek bergerak, semakin berat massa suatu objek. Faktanya, tidak ada objek pesawat luar angkasa yang dapat mencapai 100% dari kecepatan cahaya. Jika hal ini terjadi, maka massa pesawat tersebut akan melonjak menjadi menuju tak hingga. Hubungan antara massa dan kecepatan seringkali ditampilkan dalam persamaan E = mc², dimana E merupakan energi, m adalah massa, dan c adalah kecepatan cahaya.

Persamaan relativitas umum ini berhasil memprediksi sejumlah fenomena, dimana beberapa diantaranya telah terbukti, seperti: pembengkokan cahaya pada sebuah objek raksasa, evolusi dari orbit planet Merkurius, percepatan periode rotasi dari bintang biner dan pulsar, gelombang gravitasi yang disebabkan ledakan kosmik dan keberadaan lubang hitam yang dapat menarik segala sesuatu tanpa bisa keluar, termasuk cahaya serta pembengkokan ruang-waktu disekitar lubang hitam yang jauh lebih besar dibanding lokasi manapun.

Dalam bukunya Abidin dkk 2011, Global Positioning System (GPS) merupakan sebuah alat atau sistem yang dapat digunakan untuk mengetahui posisi seseorang (secara global) dipermukaan bumi berbasis satelit. Data dikirim dari satelit berupa sinyal radio dengan data digital. Sistem ini pertama kali digunakan oleh Departemen Pertahanan Amerika Serikat tahun 1978 dan pada tahun 1994 sudah memakai 24 satelit. GPS adalah satu-satunya sistem satelit navigasi global untuk penentuan lokasi, kecepatan, arah, dan waktu yang telah beroprasi secara penuh didunia saat ini.

GPS mempunyai tiga komponen utama, yaitu: satelit, pengendali, dan penerima/pengguna. Satelit berfungsi untuk menerima dan menyimpan data yang ditranmisikan oleh stasiun-stasiun pengontrol. Menyimpan dan menjaga informasi waktu berketelitian tinggi (ditentukan dengan jam atomik di satelit), dan memancarkan sinyal dan informasi secara kontinu ke pesawat penerima (receiver) dari pengguna. Pengontrol berfungsi untuk mengendalikan dan mengontrol satelit dari bumi baik untuk mengecek kesehatan satelit, penentuan dan prediksi orbit waktu, sinkronisasi waktu antar satelit, dan mengirim data ke satelit. Penerima berfungsi menerima data dari satelit dan memprosesnya untuk menentukan posisi (posisi tiga dimensi yaitu koordinat di bumi plus ketinggian), arah, jarak dan waktu yang diperlukan oleh pengguna. Ada dua macam penerima yaitu tipe navigasi dan geodetic.

Cara kerja GPS secara sederhana ada lima langkah, yaitu : (1) Memakai perhitungan triangulation dari satelit; (2) GPS mengukur jarak menggunakan waktu tempuh sinyal radio melalui perhitungan triangulation; (3). GPS memerlukan memerlukan akurasi waktu yang tinggi dalam mengukur waktu tempuh; (4). Mengetahui dengan pasti posisi satelit dan ketingian pada orbitnya untuk menghitung jarak dan (5) Menggoreksi sinyal tunda pada waktu perjalanan di atmosfer sampai diterima penerima (Bangun: 2008). Satelit GPS dalam mengirim informasi waktu sangat presisi sehingga dapat menentukan informasi lokasi pengguna dengan akurat.

GPS sebagai bukti empiris teori Relativitas

Menurut khun, Revolusi sains diawali dengan munculnya berbagai penemuan oleh ilmuwan. Salah satu dampak utama dari revolusi sains adalah perubahan pandangan dunia yang menaungi para ilmuwan dalam seluruh aktivitas ilmiah. Paradigma menjadi patokan bagi ilmu pengetahuan untuk melakukan penelitian, memecahkan masalah bahkan menyeleksi masalah apa saja yang layak diperbincangkan.

Perubahan paradigma menyebabkan para ilmuwan melihat dunia secara berbeda. Paradigma ilmu pengetahuan adalah ilmu pengetahuan adalah hasil kesepakatan intersubjektif. Ilmu pengetahuan berkembang secara revolusioner. Selanjutnya perkembangan ilmu pengetahuan melalui subjek peneliti dalam satu komunitas.

Salah satu revolusi ilmiah dalam fisika adalah perkembangan mekanika klasik Newton berkembang menjadi mekanika relativistik oleh Einstein. Teori klasik Newton mengenai ruang dan waktu menyisakan keganjalan-keganjalan yang mengusik rasa keingintahuan para ilmuwan untuk terus mengembangkan ilmu pengetahuan. Memasuki abad ke-19, sebuah peristiwa yang termahsyur yakni peristiwa dua orang kembar yang terpisah (paradoks kembar). Seseorang yang ada di bumi setelah berpuluh tahun lamanya mendapati saudara kembarnya yang telah melakukan perjalanan dari luar angkasa memiliki perbedaan umur dengan dirinya. Saudara kembarnya berumur lebih muda dari pada dirinya. Kasus seperti ini tidak dapat dijawab dengan menggunakan teori ruang dan waktu oleh Newton yang menyatakan bahwa waktu adalah mutlak dimanapun tempatnya. Oleh karena itu, diperlukan suatu gagasan baru mengenai konsep ruang dan waktu serta pandangan baru mengenai konsep alam semesta.

Dalam penerapannya, teori relativitas banyak digunakan pada perangkat elektronik modern seperti GPS. GPS banyak digunakan pada bidang militer, mengetahui jalur navigasi secara akurat pada mobil dan pesawat, sistem informasi geografis, dan pemantauan gempa bumi.

Teori ini juga mengatakan bahwa jam yang sedang bergerak (misalnya jam di satelit atau di mobil yang berjalan) ternyata lebih lambat daripada jam yang dalam posisi diam. Hal ini menyebabkan terjadinya dilatasi waktu relativistik pada jam sekitar empat mikrodetik setiap harinya. Ditambah dengan efek gravitasi menjadi sekitar tujuh mikrodetik atau 7000 nanodetik. Jumlah kecil ini bisa memberi perbedaan besar dalam mekanismne GPS sampai beberapa kilometer. Peranan teori relativitas sangat besar sekali dalam teknologi GPS untuk meningkatkan keakuratan pengukuran posisi objek di permukaan bumi. Tanpa peranan teori relativitas khusus dan umum kemungkinan besar teknologi GPS tidak dapat digunakan.