E = mc 2

     
  
      Mungkin penemuan paling penting yang pernah dibuat di dunia fisika adalah teori relativitas Einstein dan persamaannya yang terkenal E = mc ^2. Persamaan ini mengungkapkan bahwa 1 kilogram materi adalah sama dengan 25000000000 kWh energi, yang dapat membangkitkan daya listrik sebuah kota selama 3 tahun atau sebuah mobil untuk 100.000 tahun. Persamaan ini menunjukkan bahwa energi dan materi adalah manifestasi yang berbeda dari hal yang sama. Ini menunjukkan bahwa hanya ada satu substansi “materi-energi”, yang memiliki sifat ganda dan dapat bermanifestasi sebagai energi atau materi. Hal yang sama dapat dikatakan tentang cahaya, yang dapat menampilkan perilaku gelombang atau perilaku partikel. Ini tidak berarti bahwa perubahan cahaya bolak-balik antara gelombang dan partikel terjadi semaunya, tetapi tergantung beberapa keadaan antara yang dapat mengekspresikan kedua aspek tersebut secara bersamaan. Ada kemungkinan bahwa partikel sub-atom materi sesungguhnya terdiri dari gelombang energi. Gelombang frekuensi yang rendah bergetar perlahan dan berperilaku seperti materi, dan gelombang frekuensi tinggi bergetar cepat dan berperilaku seperti energi. Hal ini jelas memiliki beberapa kesamaan dengan “teori string” di mana semuanya diyakini terdiri dari string yang sangat kecil (10 ^-33cm panjangnya) string atau loop energi ini bergetar dalam sepuluh dimensi. Otak kita hanya bisa memahami empat dimensi – tiga dimensi ruang (panjang, lebar dan tinggi) dan satu dimensi temporal (waktu). Jadi kemungkinan ada enam dimensi ruang tersembunyi. Para kosmologi agama-agama timur telah mendasarkan keyakinan mereka pada sekitar tujuh alam kehidupan dengan alam fisik kita adalah yang terendah. Dari enam alam lain yang lebih tinggi, ada pula yang dikatakan terdiri dari materi yang halus dan beberapa alam hanya terdiri dari energi murni. Jadi sepertinya bahwa fisika modern baru mulai menemukan apa yang telah dikenal di Timur selama ribuan tahun.

Persamaan Einstein yang tak terbantahkan ini membuka pemahaman baru, teknologi baru, dan inspirasi baru tentang alam semesta.
Sulit untuk memisahkan warisan besar E = mc ² dari warisan Einstein secara keseluruhan. Persamaan tersebut tumbuh langsung dari karya Einstein tentang relativitas khusus, yang merupakan bagian dari apa yang dianggap sebagai prestasi manusia terbesar hingga saat ini, teori relativitas umum.

Menjelaskan Persamaan
Pertama, meskipun, penjelasan rumus dari “energi sama dengan massa kali kuadrat kecepatan cahaya” mungkin bisa membantu. Pada tingkat yang paling dasar, persamaan itu mengatakan bahwa energi dan massa (materi) bisa dipertukarkan, mereka adalah bentuk-bentuk yang berbeda dari hal yang sama. Pada kondisi yang tepat, energi dapat menjadi massa, dan sebaliknya. Kita manusia tidak melihatnya seperti itu-bagaimana seberkas cahaya dan meja misalnya, dikatakan, adalah bentuk yang berbeda dari hal yang sama? Padahal secara kasat mata tidak sama.
Jadi, mengapa kita harus mengkalikan massa dari meja dengan kuadrat kecepatan cahaya untuk menentukan berapa banyak energi yang terikat di dalamnya? Alasannya adalah bahwa setiap kali Anda mengubah bagian dari meja atau bagian lain dari materi menjadi energi murni, energi yang dihasilkan adalah bergerak pada kecepatan cahaya. Energi murni adalah radiasi elektromagnetik-apakah itu cahaya atau sinar-X atau apa pun-dan radiasi elektromagnetik berjalan pada kecepatan konstan sekitar 670.000.000 mil per jam.

Mengapa, kemudian, apakah kita harus mengkuadratkan kecepatan cahaya? Hal ini berkaitan dengan sifat energi. Ketika sesuatu benda bergerak empat kali lebih cepat sebagai sesuatu yang lain, ia tidak memiliki empat kali lipat energi melainkan 16 kali lipat energi-dengan kata lain, bahwa angka tersebut dikuadratkan. Jadi kecepatan cahaya kuadrat adalah faktor konversi yang menentukan berapa banyak energi yang dihasilkan dari meja atau potongan lainnya dari materi. Dan karena kecepatan cahaya kuadrat adalah 448, 900.000.000.000.000 dalam satuan mph – jumlah energi yang terikat menjadi besar sekali bahkan pada massa yang terkecil energinya masih benar-benar luar biasa.
Tentu saja, secara intuitif memahami bahwa energi dan materi pada dasarnya sama, serta mengapa dan bagaimana memahami begitu banyaknya energi yang dapat dibungkus dalam materi, adalah hal lain. Dan E = mc ^2, yang berfokus pada materi, adalah versi sederhana dari persamaan lebih rumit yang diciptakan Einstein, yang juga memperhitungkan gerakan materi (lebih pada suatu saat). Tapi saya berharap bahwa Anda, seperti saya, sekarang memiliki pemahaman dasar yang luar biasa untuk menghargai persamaan yang sangat berpengaruh ini.

E = mc ² dalam miniatur
Mungkin warisan persamaan yang paling jauh adalah bahwa ia menyediakan kunci untuk memahami proses paling dasar dari alam semesta, mulai dari radioaktivitas mikroskopis sampai dengan Big Bang itu sendiri.
Radioaktif adalah E = mc ² dalam miniaturnya. Einstein sendiri memperkirakan hal ini bahkan ia menciptakan persamaannya. Dalam papernya tahun 1905 di mana dia memperkenalkan rumus E = mc ² ke dunia, ia menyarankan bahwa hal itu mungkin bisa digunakan untuk menguji teori tentang persamaan penggunaan radium, dimana satu ons nya, yang ditemukan Marie Curie tidak lama sebelumnya, terus menerus memancarkan 4.000 kalori panas per jam. Einstein percaya bahwa radium terus-menerus mengubah bagian dari massanya menjadi energi persis seperti persamaan miliknya. Dia akhirnya terbukti benar.
Hari ini kita tahu bahwa radioaktivitas dihasilkan oleh beberapa elemen yang tidak stabil, seperti uranium, atau isotop, seperti karbon 14, yang secara spontan memancarkan partikel energik ketika inti atom mereka hancur. Mereka merubah massa menjadi energi sesuai dengan persamaan Einstein.
Kita mengambil keuntungan dari kesadaran bahwa hari ini di berbagai teknologi. PET scan dan alat diagnosa yang sama yang digunakan di rumah sakit, misalnya, menggunakan dasar E = mc ^2. “Setiap kali Anda menggunakan zat radioaktif untuk melihat proses dalam tubuh manusia, Anda memberikan penghormatan langsung terhadap wawasan Einstein,” kata Sylvester James Gates, seorang fisikawan di University of Maryland. Banyak perangkat sehari-hari, seperti detektor asap juga menggunakan prinsip transformasi dari E = mc ². Penanggalan radiokarbon, yang digunakan untuk penanggalan arkeolog materi kuno, adalah aplikasi lain dari rumus itu. “Hasil peluruhan yang kita lihat dalam penanggalan karbon- adalah energi yang secara langsung diperoleh dari massa yang hilang yang kita lihat dalam E = mc ^2,” kata Gates.

Aplikasi ruang angkasa

Teknologi ruang berutang banyak persamaan ini. Tanpa henti E = mc ² yang disintegrasi dari unsur-unsur radioaktif seperti plutonium menyediakan segala sesuatu mulai dari listrik untuk satelit telekomunikasi, hingga panas yang dibutuhkan untuk menjaga kendaraan di Mars berfungsi selama musim dingin Mars. Perjalanan ruang angkasa di masa depan yang sangat jauh juga dapat mengandalkan kekuatan radiasi ini. Foton yang mengalir keluar dari matahari dan bintang lainnya adalah energi yang di dalam ruang vakum secara teoritis dapat dimanfaatkan untuk mendorong pesawat ruang angkasa. “Di masa depan yang jauh,” kata David Hogg, seorang kosmolog di New York University, “Kita bisa membayangkan bahwa kita bepergian ke bintang-bintang jauh dengan pesawat ruang angkasa yang didorong oleh tekanan radiasi-jika itu terjadi, maka akan menjadi warisan sangat besar dari kinematika Einstein. “
Kinematika adalah ilmu yang mempelajari gerak tanpa referensi massa atau force, dan angkanya dalam bentuk yang lebih rumit dari persamaan Einstein -tidak seperti rumus biasa E =, mc ² yang menyangkut massa diam-juga memperhitungkan massa dalam gerak. (Jika Anda ingin mengetahui, E ² = m ² c ⁴ + p ² c ^2, dimana p sama dengan momentum.) “Persamaannya lebih besar dan memainkan bagian yang besar dalam pemahaman kita tentang cara kerja cahaya, dan bagaimana energi dan cahaya dapat ditransfer dan berubah dari satu tempat ke tempat lain, dan hal semacam itu, “kata Gates. “Jadi jika Anda mempertimbangkan konteks yang lebih luas, bagian dari persamaan yang tidak begitu populer ini, memiliki warisan yang bahkan lebih besar dalam ilmu pengetahuan.”
Salah satu aplikasi yang mengacu pada persamaan yang lebih besar ini, Gates mengatakan, adalah detektor neutrino raksasa sekarang sedang dibangun di Antartika. Yang tenggelam dalam es, akan mendeteksi cahaya biru menakutkan, yang dikenal sebagai radiasi Cherenkov, yang dipadamkan oleh neutrino. Neutrino adalah partikel subatomik yang memiliki massa sangat kecil sehingga dapat lolos langsung melalui Bumi tanpa perubahan. Mempelajari cahaya mereka membantu kosmolog lebih memahami partikel-partikel misterius dan sumber-sumber jauh , termasuk dari lubang hitam. Jadi, kata Gates, “sebagai bagian dari warisan persamaan ini, kita akan menggunakan es Antartika untuk melihat neutrino dan benda lain yang datang dari luar angkasa Dan tanpa mengetahui hubungan antara momentum, energi, dan massa, tidak dapat dibayangkan untuk melakukan hal itu. Bahkan, itu adalah persamaan ini yang menyebabkan realisasi bahwa neutrino harus ada.. “

Sebuah dunia nuklir
Persamaan Einstein dengan sempurna juga menggambarkan apa yang terjadi ketika kita memproduksi energi nuklir. Seperti Arlin Crotts, seorang profesor astronomi di Universitas Columbia, katakan, “seluruh pemahaman kita tentang proses nuklir akan hilang tanpa itu.” Fisi reaktor di pembangkit listrik tenaga nuklir menghasilkan listrik dengan melepas energi yang terikat dalam bahan fisi. Fusi juga menghasilkan energi dari massa melalui persamaan tersebut. Ketika dua atom hidrogen bergabung membentuk sebuah atom helium, massa dari helium yang dihasilkan kurang dari dua atom hidrogen, sedangkan massa yang hilang mewujudkan dirinya sebagai energi fusi. Senjata nuklir, juga beroperasi pada prinsip yang didefinisikan oleh persamaan itu. Awan jamur yang muncul dari ledakan bom atom adalah E = mc ² yang dibuat terlihat.
Persamaan melahirkan cabang baru ilmu pengetahuan-fisika energi-tinggi partikel. Laboratorium-laboratorium yang bekerja di bidang konversi E = mc ² ini tumbuh subur. Bahkan, desain yang tepat dari mesin akselerator partikel, serta analisis dari kecepatan tinggi tabrakan di dalamnya, akan mustahil tanpa pemahaman menyeluruh dari persamaan ini. Dalam akselerator, partikel yang bertabrakan terus-menerus menghilang, hanya meninggalkan energi, dan percikan energi ini terus bertransmutasi menjadi partikel yang baru dibentuk. “Spesies kita telah berulang kali menggunakan pemahaman dari persamaan ini untuk mengubah E ke bentuk-bentuk baru dari m yang belum pernah dilihat sebelumnya,” kata Gates. “Salah satu pos ilmu pengetahuan untuk abad berikutnya mungkin adalah apakah E termasuk super E, dan m termasuk super-m-adalah bentuk-bentuk baru energi dan materi yang disebut ‘super-partners.’”
Sebuah pemahaman tentang kesetaraan massa dan energi juga sangat berguna ketika kita mempelajari antimateri. Ketika sebuah partikel dan anti-partikel bertemu, mereka saling meniadakan, hanya menyisakan pulsa energi; dengan cara yang sama, sebuah foton energi tinggi tiba-tiba bisa menjadi pasangan partikel-antipartikel. Secara keseluruhan, kata Hogg, “E = mc ² sangat penting dalam mendiagnosis dan memahami sifat antimateri.”
Rumus Einstein juga menyumbang panas di dalam kerak di planet kita, yang tetap hangat oleh rentetan stabil dari konversi E = mc ² yang terjadi di dalam unsur-unsur radioaktif tidak stabil seperti uranium dan thorium. “Ketika mereka meluruh, beberapa massa hilang dan energi yang dibuat membuat kerak bumi tetap hangat,” kata John Rigden, seorang fisikawan di Washington University di St Louis dan penulis Einstein 1905: The Standart of Gratness ( Harvard, 2005). “Jadi suhu bumi luar, materi kerak bumi, secara langsung berhubungan dengan E = mc ^2.”