Bagaimana Caranya Mengukur Kecepatan Cahaya?

Oleh: Jane C. Arifin* (Fisikawan)

Tahukah adik-adik, berapa kecepatan cahaya? Cahaya melaju dengan kecepatan kurang lebih 300.000 km/detik dalam vakum, tepatnya 299.792.458 meter/detik. Sebagai gambaran, cahaya membutuhkan waktu hanya 0,14 detik untuk mengitari Bumi. Cepat sekali bukan!

Namun, dari mana angka ini didapatkan? Apakah kecepatan cahaya yang super cepat ini diukur seperti kita mengukur kecepatan orang berlari (mengukur jarak dengan meteran dan waktu tempuh dengan stopwatch)? Jika kita ingin mengukur kecepatan cahaya demikian, cahaya terlampau cepat. Stopwatch kita kurang presisi dan Bumi tempat tinggal kita tidak cukup luas.

Gambar 1. Percobaan Galileo untuk mengukur kecepatan cahaya. Galileo ingin mengukur kecepatan cahaya dengan mengukur jarak dan beda waktu sejak lentera pertama dibuka sampai ia melihat cahaya dari asistennya. Namun, cahaya terlampau cepat sehingga Galileo tidak merasa adanya perbedaan waktu.

Salah satu solusinya adalah mengamati bintang yang berada di luar angkasa. Posisi bintang berubah-ubah dalam satu tahunnya. Hal ini dikarenakan cahaya yang merambat dari bintang ke mata sedikit bergeser akibat revolusi Bumi terhadap Matahari. Dengan mengukur sudut pergeseran ini dan mengetahui kecepatan revolusi Bumi, kita dapat menghitung kecepatan cahaya.

Gambar 2. Prinsip pengukuran kecepatan cahaya (James Bradley, 1728). Ketika hujan, orang akan merasa bahwa hujan menerjang dia jika orang tersebut berlari meski hujan tersebut hanya jatuh tegak lurus terhadap Bumi. Demikian juga dengan cahaya dari bintang. Arah datangnya cahaya berubah karena revolusi Bumi sehingga posisi bintang terlihat bergeser.

Selain pengamatan benda angkasa, kecepatan cahaya dapat diukur dengan pengamatan di Bumi. Pengukuran cahaya ini pertama kali dilakukan oleh seorang Fisikawan Prancis, Fizeau. Ia mengukurnya dengan cara melewatkan cahaya melalui roda gigi yang berputar. Cahaya ini kemudian dipantulkan balik oleh cermin dan diamati.

Gambar 3. Teknik pengukuran kecepatan cahaya oleh Fizeau (1849). Fizeau menghitung bahwa kecepatan cahaya adalah 313.300 km/s.

Fizeau kemudian mempercepat putaran roda gigi. Suatu ketika perputaran roda begitu cepat, membuat cahaya yang kembali terhalangi oleh gigi roda. Cahaya harus melewati celah berikutnya agar dapat kembali dan teramati. Dengan mengetahui kecepatan roda gigi saat ini, jumlah gigi, serta jarak antara roda gigi dengan cermin, kecepatan cahaya dapat dihitung. 

Kemajuan teknologi membuat kecepatan cahaya dapat diukur lebih akurat, misalnya dengan menggunakan laser dan prinsip interferensi.

Tahukah adik-adik bahwa cahaya adalah gelombang? Saat dua atau lebih gelombang bertemu, gelombang akan berpadu. Perpaduan ini dapat memperbesar atau memperkecil gelombang. Pada cahaya, perpaduan dapat menghasilkan cahaya terang bahkan kegelapan! Terdengar aneh bukan? Cahaya dipadukan dengan cahaya, hasilnya malah kegelapan. Perpaduan ini disebut interferensi. Alat yang menggunakan prinsip ini untuk mengukur sesuatu disebut interferometer.

Gambar 4. Interferensi cahaya pada interferometer. Perbedaan jarak tempuh sepanjang seperempat panjang gelombang menyebabkan interferensi destruktif. Interferensi konstruktif mengakibatkan terang pada pusat pola gelap terangi nterferensi (kiri),interferensi destruktif mengakibatkan gelap pada pola (kanan).

Frekuensi sinar laser sudah diketahui dari karakteristik sinar laser; dan dengan interferometer, kita dapat mengukur panjang gelombang sinar laser. Kecepatan cahaya pun kemudian dapat dihitung dengan mengalikan kedua besaran ini.

Meski terdengar rumit, prinsip ini dapat dilakukan di rumah untuk mengukur kecepatan cahaya. Alatnya pun sederhana: oven microwave dan coklat besar! Caranya adalah dengan menaruh coklat dalam oven sebentar; namun coklat harus diatur agar tidak berputar selama oven menyala (detail percobaan dapat ditemukan di sini). Sebaiknya juga, segelas air dimasukkan ke dalam oven untuk mengurangi pemantulan gelombang.

Gambar 5. Coklat setelah di-oven selama beberapa saat. Hanya bagian tertentu saja yang meleleh. Sisanya masih padat.

Nantinya akan terbentuk „lelehan-lelehan“ pada coklat dengan jarak tertentu. Jarak ini merupakan setengah dari panjang gelombang microwave. Sementara itu, frekuensi microwave bergantung dari oven yang digunakan, dan biasanya tertulis di bagian belakang oven atau di buku manual-nya.

Selamat mencoba!

Sumber gambar (dengan modifikasi):

[1], [3] http://skullsinthestars.com/2008/03/21/relativity-measuring-the-speed-of-light/

[2] http://christophercrockett.com/astrowow/aberration/

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Interferometer_sol.svg

*Jane C. Arifin adalah seorang fisikawan. Ia meraih gelar magister dalam bidang photonics dari Abbe School of Photonics, Friedrich Schiller University di Jena, Jerman, pada tahun 2013. Saat ini ia aktif di Bengkel Sains yang “mengajarkan” sains melalui eksperimen.

3 thoughts on “Bagaimana Caranya Mengukur Kecepatan Cahaya?

  1. 1. saya orang awam, usia sdh berumur, hanya ingin tahu bagaimana cara mengukur kecepatan itu, dengan alat deteksi apa cahaya yg hanya sekelebatan bisa di tangkap sebagai tolok ukur, misalnya sepersekian detik di ukur dengan …?(alat apa?) misal uji coba dari titik A ke titik B (100 m?) di pantulkan cahaya dari A berapa detik di terima di B (cepat sekali pake alat apa?) setelah itu di formulasikan dalam rumus di atas dan contoh hitungannya.
    2. forum ini sangat baik sekali namun menurut saya jika seorang ANAK bertanya lalu di jawab dengan banyaknya referensi teori apakah tdk membingungkan?
    3. usulan saya Sebaiknya “landasan teori dan berpikir ” di lampiran sebagai bahasan untuk dipelajari bagi yg berminat lebih jauh
    4. istilah istilah sangat berat dan tidak sederhana
    TKS salam Sains

  2. 1a. Dari 3 teknik mengukur kecepatan cahaya yang dijelaskan di sini teknik yang mengukur waktu tempuh cahaya adalah teknik yang didesain oleh Fizeau (alinea 4 & 5). Ia mengukur waktu tempuh cahaya dengan menggunakan roda gigi (Gambar 3). Waktu tempuh cahaya di sini sama dengan waktu pergantian celah ke gigi pada roda saat cahaya terhalang. Waktu ini dapat dihitung dari kecepatan putaran roda gigi dll.

    Yang terpenting bukanlah apa alat “detektor cahaya” yang digunakan, melainkan idenya. Pada jaman itu, Fizeau mengamati dengan mata sehingga dibutuhkan jarak yang jauh (orde puluh km, lihat Gambar 3) agar dapat teramati. Sekarang dengan susunan yang sama (cermin, dll), tidak lagi dibutuhkan jarak sejauh itu (orde puluh cm) karena sensor dan alat pendeteksi sinyal sekarang dapat mengukur sampai dengan kepresisian orde nanodetik (1 nanodetik = 1 per 1 milyar detik = 0,000000001 detik).

    Detektor yang digunakan pun bukanlah detektor super spesial yang gimana-gimana, melainkan sensor cahaya yang mengubah cahaya menjadi listrik, seperti photocell yang ada di kalkulator. Sinyal listrik ini nantinya dibaca dengan osiloskop, alat untuk “membaca” sinyal listrik.

    Tapi susunan cermin dll tetap dibutuhkan. Dan meski digunakan alat “secanggih” itu, keakuratan pengukuran masih tetap kalah dengan metode yang memanfaatkan sifat interferensi cahaya.

    1b. Rumus, apalagi contoh hitungannya, sengaja tidak disertakan karena rumus sangat mungkin membuat anak bingung. Selain itu, orang cenderung terjebak dalam rumus yang sebenarnya “hanyalah” hasil akhir dari pemodelan matematika dan lupa akan kejadian nyatanya.

    3. Bisa tolong lebih dielaborasi apa itu “landasan teori dan berpikir” yang Anda maksud? Mungkin seperti sumber/referensi pada situs Wikipedia?

    2 & 4. Terima kasih atas masukannya. Setuju: banyak referensi, istilah, dan teori dapat membuat bingung. Saya pribadi menulis dengan menganggap target pembacanya adalah anak kelas 4-8 sehingga berusaha sedikit mengelaborasi atau memberi contoh fisisnya jika ada istilah sains (dalam kasus ini, interferensi yang baru diajarkan di SMP). Tapi karena takut artikel yang panjang membuat anak malas membaca, jadinya jawaban dibuat ringkas dan umum. Mungkin terlalu ringkas sehingga tidak jelas?

    Lalu kalau boleh tahu, selain teknik terakhir (interferensi/interferometer dan beam splitter), istilah apa lagi yang berat dan tidak sederhana?

    Salam,
    JCA

Tulis komentar

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.