bab 1 : massa, energi ruang dan waktu

BAB 1 : MASSA, ENERGI,
RUANG, DAN WAKTU
A. Pengertian Dasar
Setiap hari kita melihat berbagai macam hal di
lingkungan sekitar. Ada banyak hal yang bisa
diamati. Misalnya jenis kendaraan yang melintas di
jalan setiap harinya. Jenisnya berlainan dan yang
mengemudikan juga orang yang berbeda. Banyak
pula berbagai hal lain yang bisa diamati di sekeliling.
Bunga, batu, air, buku, dan lain – lain, tak terkira lagi
jenis benda yang bisa ditemukan. Selain itu banyak
juga hal yang berupa kejadian atau peristiwa yang
berbeda – beda. Misalnya proses pembakaran suatu
zat kimia, fenomena alam seperti turunnya hujan,
atau mungkin peristiwa jamak yang kerap dijumpai
dalam kehidupan sehari – hari seperti jual – beli di
pasar. Begitu banyaknya hal yang dijumpai di jagad
raya ini, hingga terasa rumit. Namun apa benar
bahwa jagad raya terdiri dari hal berlainan yang
demikian banyaknya ?
1
Dari sudut pandang ilmu fisika, jawabannya
adalah tidak. Yang membuat bermacam contoh di
atas menjadi berbeda hanyalah penampakan atau
penampilannya saja. Misalnya batu tampak berbeda
dari buku, padahal keduanya sama – sama terdiri dari
proton, elektron dan netron yang membentuk atom
penyusunnya. Peristiwa turunnya hujan dengan jual –
beli di pasar kelihatannya berlainan namun
sebenarnya mempunyai kesamaan. Keduanya
melibatkan atom – atom dan juga perpindahan ruang.
Berdasarkan pemikiran inilah para ilmuwan fisika
akhirnya mengambil kesimpulan bahwa dalam jagad
raya yang kelihatannya ramai oleh berbagai macam
hal berbeda ini, sebenarnya hanya ada 4 unsur pokok
yang bisa dikemukakan. Keempat unsur tersebut
adalah : massa, energi, ruang, dan waktu.
Massa atau materi, secara mudahnya bisa
dikatakan sebagai benda. Batu adalah massa,
demikian pula buku. Mahkluk hidup juga merupakan
massa. Dari sejumlah buku fisika dapat dijumpai
keterangan bahwa massa adalah jumlah zat. Jadi
benda yang bermassa lebih besar daripada benda lain
mempunyai jumlah zat yang lebih banyak pula. Bumi
lebih berat daripada bulan, artinya bumi mempunyai
jumlah zat yang lebih banyak daripada bulan. Namun
jangan sampai keliru, jumlah zat tidak bisa
disamakan dengan volume. Sebagai contoh, jika anda
mempunyai 75 m3 kapuk dan 75 m3 besi, tentu saja
2
massanya tidak akan sama jika ditimbang. Tetapi
salah kaprah tentang pengertian massa dalam
kehidupan sehari – hari mungkin lebih banyak terjadi
pada pembedaan antara konsep berat dan massa.
Massa seperti dikatakan diatas adalah jumlah zat,
sedang berat adalah jumlah zat yang sudah
dipengaruhi oleh gravitasi. Contoh mudahnya adalah
jika anda mempunyai dua perhiasan emas, A dan B,
masing – masing mempunyai massa sebesar 10 gram.
Jika A dijual di Indonesia dan B dijual di kutub utara,
manakah yang lebih mahal dijual ? Dari sudut
pandang ilmu fisika tentu saja perhiasan B yang lebih
mahal dijual karena mempunyai berat yang kini lebih
banyak daripada perhiasan A. Sebabnya adalah gaya
gravitasi di kutub yang sedikit lebih besar daripada
gaya gravitasi di daerah khatulistiwa seperti
Indonesia. Gaya gravitasi yang lebih besar tersebut
mempengaruhi massa perhiasan B sehingga berat
perhiasan tersebut menjadi lebih besar nilainya.
Selain diartikan sebagai jumlah zat, ada yang
berpendapat bahwa massa lebih tepat diartikan
sebagai ukuran kelembaman (inersia) suatu benda.
Pemahamannya secara sederhana, suatu benda
dikatakan mempunyai massa lebih banyak jika lebih
sulit berubah dari keadaan diam menjadi bergerak.
Misalnya antara bola tenis meja dan bola besi untuk
tolak peluru. Bola tenis meja yang diam diatas lantai,
jika ditiup saja sudah bisa bergerak. Lain halnya
3
dengan bola tolak peluru. Kecuali yang meniup
adalah superman, bola tersebut niscaya tidak akan
bergerak dari posisi diamnya diatas lantai. Oleh
sebab itu dikatakan bahwa bola tolak peluru
mempunyai massa yang lebih besar daripada bola
tenis meja.
Unsur kedua yang perlu diketahui adalah energi.
Dalam kehidupan sehari – hari orang sering
mengartikan bahwa energi sama dengan tenaga.
Orang yang mempunyai tenaga besar diartikan
sebagai orang yang mempunyai energi banyak.
Energi merupakan sesuatu yang abstrak atau gaib
(tidak terlihat) namun bisa dirasakan kehadirannya.
Dalam ilmu fisika, energi dibedakan menjadi
berbagai macam jenis. Misalnya energi listrik, energi
panas, atau energi cahaya. Namun dalam
perkembangan selanjutnya, para ahli fisika
menyimpulkan bahwa energi hanya ada dua macam
yaitu energi mekanik dan energi potensial. Energi
listrik, energi panas, dan energi cahaya yang telah
disebutkan diatas digolongkan menjadi satu yaitu
energi mekanik. Energi listrik ditimbulkan oleh
pergerakan elektron sehingga dikategorikan energi
mekanik. Energi panas ditimbulkan oleh pergerakan
molekul/atom sehingga digolongkan energi mekanik.
Demikian pula dengan energi cahaya yang
disebabkan pergerakan partikel cahaya yaitu foton.
Lalu energi potensial ? Energi potensial adalah energi
4
yang tersimpan. Misalnya batu yang dipegang
seseorang diatas gedung. Batu ini mempunyai energi
potensial. Jika batu dilepaskan hingga jatuh ke tanah,
maka dikatakan bahwa energi potensialnya
dikeluarkan. Energi potensial ini dikeluarkan (atau
diistilahkan berubah) sebagai energi mekanik.
Ruang merupakan area yang ditempati. Ruang
sendiri tidak berwujud sebagai benda atau barang
melainkan berupa kekosongan sehingga kekosongan
tersebut bisa diisi oleh sesuatu.
Pengertian ruang dalam kehidupan sehari – hari
biasanya dibayangkan sebagai wujud 3 dimensi
(seperti sebuah kubus atau balok). Namun ruang
sebenarnya tidak hanya bisa diartikan sebagai
demikian. Hal yang perlu diingat jika membahas
masalah ruang adalah posisi, karena soal ruang
sebenarnya adalah soal posisi. Posisi bisa ditunjukkan
dengan sumbu x, sumbu y, dan sumbu z. Untuk
mudahnya sumbu x bisa dikatakan sebagai panjang,
sumbu y sebagai lebar, dan sumbu z sebagai tinggi.
Posisi suatu benda dapat disajikan dengan hanya
menggunakan sumbu x saja (1 dimensi), dengan
sumbu x dan y (2 dimensi), atau dengan sumbu x, y,
dan z (3 dimensi). Oleh sebab itu jelas bahwa ruang
bukan semata bisa diartikan sebagai wujud 3 dimensi.
Jika ketiga dimensi diatas (sumbu x, sumbu y,
dan sumbu z) merupakan dimensi untuk ruang, maka
waktu merupakan dimensi ke-4. Dimensi ini tidak
5
bisa digambarkan secara nyata karena sumbu untuk
dimensi ke-4 tidak berkaitan dengan ruang. Namun
hal ini bisa diatasi dengan cara mengandaikan ruang
(yang terdiri dari 3 dimensi tadi) menjadi satu garis
koordinat saja, dan sumbu untuk dimensi ke-4 bisa
digambarkan sebagai garis koordinat yang tegak
lurus terhadap garis koordinat untuk ruang tadi. Ini
memang suatu hal yang agak rumit untuk
dibayangkan.
Namun dalam kehidupan sehari – hari tidak perlu
membayangkan hal serumit itu. Semua orang sudah
paham apa defisini waktu. Waktu dibedakan menjadi
masa lalu, masa sekarang, dan masa depan. Ketiga
masa tersebut terhubung secara seri/berurutan. Masa
lalu adalah saat anda belum membaca buku ini. Masa
sekarang adalah saat anda sedang membaca buku ini,
dan masa depan adalah saat anda meletakkan buku
ini setelah selesai membacanya.
B. Peran Massa, Energi, Ruang, dan Waktu di
Jagad Raya.
Keempat unsur diatas merupakan pokok dari
alam semesta. Jagad raya diisi oleh materi dan energi
dengan melibatkan ruang dan waktu. Semua
peristiwa atau kejadian di alam semesta selalu
melibatkan 4 unsur tersebut. Misalnya peristiwa
beredarnya planet bumi dalam orbitnya mengelilingi
matahari. Materi yang terlibat dalam peristiwa ini
6
adalah planet bumi dan matahari. Sedang energi yang
terlibat dalam kejadian ini berkaitan dengan
pergerakan bumi mengelilingi matahari. Untuk ruang,
jelas bahwa bumi yang beredar mengalami
perpindahan posisi/ruang saat melintasi orbitnya.
Sedang waktu juga terlibat dalam peristiwa ini, yaitu
masa lalu adalah ketika bumi berada di posisi
sebelum posisi yang sekarang ditempati, dan masa
sekarang, yaitu ketika bumi berada di posisi yang
ditempati pada saat ini.
Tidak hanya dalam peristiwa yang terkesan
ilmiah seperti contoh diatas, keempat unsur tadi juga
terlibat dalam peristiwa sehari – hari. Misalnya
seseorang yang sedang menyantap semangkok bakso.
Materi yang terlibat dalam peristiwa ini adalah
penikmat bakso beserta sejumlah bola bakso plus
mihun dan sayuran, lengkap dengan kuahnya. Energi
yang terlibat tentu saja tenaga yang digunakan
penikmat bakso tadi untuk memakan hidangannya.
Ruang yang terlibat dalam kejadian ini misalnya
adalah perpindahan posisi tangan si penikmat bakso
dari mangkok menuju mulutnya untuk menyuapkan
hidangan. Tentang waktu ? Masa lalu adalah tepat
saat penikmat bakso tersebut memulai kegiatan
makannya. Masa sekarang adalah saat si penikmat
bakso sedang menyantap hidangannya dengan
berkeringat karena kepedasan.
7
Ini adalah suatu peristiwa yang kelihatannya
tidak ilmiah namun sebenarnya amat ilmiah karena
melibatkan 4 unsur pokok di alam semesta, termasuk
berbagai reaksi kimia yang dapat dijabarkan panjang
lebar.
C. Pandangan tentang Massa, Energi, Ruang, dan
Waktu
1. Menurut Isaac Newton (1642 – 1727)
Newton merupakan seorang ilmuwan yang
brilian pada masanya. Ia berkiprah dalam dunia ilmu
pengetahuan sejak usia muda. Pada zaman sebelum
Newton sudah muncul sejumlah ilmuwan terkemuka
yang memberikan sumbangsih bagi perkembangan
ilmu pengetahuan. Galileo, Keppler, serta Copernicus
merupakan deretan nama yang wajib disebut untuk
sumbangsih tersebut. Mereka telah meletakkan dasar
pengetahun bagi tempat berpijak Newton saat
mengembangkan kreasinya.
Newton
telah
menghasilkan
bermacam
penemuan dalam hidupnya. Teori gravitasi beserta
tiga hukum mekanika Newton merupakan dasar dari
ilmu fisika. Berbagai penemuan ilmuwan Inggris ini
menyebabkan perubahan pandangan orang mengenai
alam semesta. Kini alam semesta dipandang sebagai
sesuatu yang teratur karena peristiwa – peristiwanya
dapat diprediksi melalui hukum. Tidak ada yang
perlu dicemaskan mengenai peredaran planet - planet
8
karena sudah teratur beredar pada orbitnya masing –
masing. Semua hukum mekanika Newton pun
dianggap berlaku untuk benda apapun di jagad raya.
Sudut pandang yang lugas ini pun berimbas pada
pandangan orang mengenai massa, energi, ruang, dan
waktu. Pada zaman itu massa atau materi dianggap
sesuatu yang absolut. Keberadaannya adalah stabil,
tidak berubah – ubah. Contohnya jika kita
mempunyai benda bermassa 50 kg, maka keberadaan
massa tersebut dianggap tetap untuk selamanya,
meski boleh jadi benda tadi berubah wujud karena
direaksikan dengan suatu zat kimia. Keberadaan
massa adalah tetap, tidak ada secuil pun yang hilang
atau beranak. Pendapat ini diperkuat oleh hukum
kekekalan massa yang menyatakan bahwa :
“ Massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan “
Begitu pula dengan energi. Energi juga dianggap
sesuatu yang selalu stabil/tetap keberadaannya alias
absolut. Misalnya kita mendorong sebuah benda.
Energi potensial yang tersimpan dalam otot kita
berubah menjadi energi gerak. Energi tersebut tidak
hilang atau bertambah sedikitpun sejak awal kejadian
sampai akhir, tetapi hanya berubah wujud saja (dari
energi potensial menjadi energi gerak). Hal ini sudah
tercantum dalam hukum kekekalan energi yang
berbunyi :
9
“ Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan “
Demikian pula dengan ruang dan waktu. Pada
zaman itu ruang dan waktu dianggap sesuatu yang
mutlak. Dengan kata lain apa yang terlihat oleh mata
maka sudah tentu hal itu benar adanya alias bersifat
absolut. Ruang/posisi adalah sesuatu yang mutlak,
dalam arti kondisinya selalu stabil, tidak mungkin
berubah. Contohnya adalah jika kita mengukur
panjang sebuah tali dan mendapatkan hasil bahwa
panjangnya satu meter, maka tiap manusia di muka
bumi ini yang kita persilakan mengukur tali tersebut
akan sepakat juga bahwa panjangnya satu meter.
Demikian pula dengan waktu, yang dianggap
sebagai sesuatu yang stabil, sama untuk semua
pengamat. Misalnya saja kita mempunyai sebuah
jam. Jika kita meminta pada siapapun untuk
mengukur selang waktu tiap detik jam tersebut
(dengan sebuah alat, bukan berdasar perasaan), maka
mereka semua tentu memberikan hasil pengukuran
yang sama. Demikianlah, waktu seperti halnya ruang,
dianggap sesuatu yang mutlak.
10