Pernah tidak teman-teman pembaca mendengar kata “Synchronicity”? Ini yaitu istilah yang menjelaskan fenomena kebetulan yang mempunyai makna. Istilah ini pertama kali dipopulerkan oleh seorang psikolog asal Swiss berjulukan Carl Gustav Jung.
Salah satu misalnya ialah secara kebetulan dua tahun yang kemudian saya membaca sebuah artikel bahwa Teori Relativitas Einstein dipakai di dalam teknologi GPS (Global Positioning System). Saat itu saya ingin tau bagaimana dan dimana penggunaannya di GPS.
Rasa penasaranku itu ternyata bersambung lagi beberapa ahad yang kemudian sesudah ada diskusi di kepala ihwal manfaat dari studi teoritis dalam sains. Salah satu kebiasaan orang yang suka menulis sepertiku itu biasanya suka mendapati dan menguji ide-ide kecil yang muncul di kepala.
Tanpa ada keterkaitan apapun dari itu, tiba-tiba saja departemenku di Okayama University mengadakan kuliah mengenai Konsep Jam Atom yang dipakai pada GPS. Nah.. Inilah yang kuanggap sebagai “Synchronicity”. Bahasa gampangnya yaitu “pucuk dicinta ulam pun tiba”.
Rasa ingin tau itu sudah reda kemarin, ketika ada kuliah mengenai Konsep Jam Nuklir yang dipakai pada GPS. Kuliah ini disampaikan dalam bahasa inggris walaupun pematerinya ialah orang Jepang. Sebuah kebetulan lainnya yang patut saya syukuri.
Konsep Jam sebagai Penentu Waktu
Sebelum masuk ke pembahasan jam nuklir, sebaiknya kalian membaca dulu mengenai cara kerja jam sebagai pengukur waktu. Konsep mula jam bandul / jam pendulum dan jam mekanik sudah saya bahas di artikel: Cara kerja jam bandul dan mekanik.
Setelah memahami bahwa konsep dasar pengukuran waktu berasal dari osilasi, yaitu gerakan berulang-ulang yang teratur temponya, maka kalian sudah siap untuk membahas jam nuklir.
Pertama-tama yang perlu kalian ingat ialah konsep osilasi itu terjadi bukan hanya pada pendulum dan pegas saja, tetapi juga semua jenis gelombang, termasuk gelombang dari atom.
Jam Atom
Jam atom ini tolong-menolong sudah diusulkan semenjak lama, yaitu pada tahun 1879 oleh saintis ternama Lord Kelvin, Yap! Satuan Kelvin pada temperatur itu dari dia. Nah jam atom ini juga disebut jam nuklir lantaran teknologinya memakai konsep nuklir.
Namun lantaran perkembangan teknologi nuklir itu bertahap, maka jam atom ini gres bisa masuk ke eksperiment pada tahun 1945, yang diawali oleh fisikawan Amerika, Isidor Rabi. Jam atom pertama gres berhasil di buat pada tahun 1949 memakai serapan ammonia, oleh institusi US.NBS. (sekarang NIST).
Konsep utama dari jam atom atau jam nuklir ini ialah memakai frekuensi dari atom sebagai standard dalam pengukuran waktu. Lord Kelvin sudah menjelaskan bahwa setiap atom itu bergerak (vibrasi) di alam ini, ketika atom tersebut berhenti bergerak maka atom tersebut berada pada temperatur 0 K.
Di sekolah dulu, kalian niscaya sudah mengenal yang namanya elektron dan nukleus. Di dalam ilmu kimia nukleus itu yaitu inti atom. Elektron memutari nukleus dengan level energi yang tertentu. Nah level energi ini berupa gelombang yang mempunyai frekuensi spesifik. Frekuensi inilah yang dipakai untuk pengukuran waktu di dalam jam atom.
Atom yang dikala ini dipakai sebagai jam atom ialah unsur Cessium (Cs) lantaran bisa memperlihatkan akurasi yang sangat tinggi.
Mekanisme Jam Atom
Setelah mengetahui materi yang dipakai ialah atom Cessium, maka berikutnya ialah prosedur kerjanya. Aku gambarkan secara sederhananya ibarat ini:
Atom cessium mempunyai beberapa sifat:
- Memiliki level energi rendah dan level energi tinggi.
- Kedua level tersebut sanggup dipisahkan dengan medan magnet.
- Cessium dengan level energi rendah sanggup dikonversi menjadi level energi tinggi dengan memakai frekuensi pemanis dari luar.
Karena sifat-sifat tersebut, maka ilmuwan sanggup menghitung frekuensi yang dipancarkan dari atom Cessium pada level energi tingginya memakai detektor. Dari detektor, kemudian frekuensi ini diubah menjadi energi listrik yang sanggup dikeluarkan sebagai data yang terbaca manusia.
Osilasi dari atom Cessium pada level energi tinggi ialah $9,192,631,770$ osilasi perdetik. Oleh lantaran itu akurasi yang sanggup dicapai dari jam atom ialah $10^-8$ detik.
Tahu artinya akurasi $10^-8$ detik? Artinya jam atom hanya akan melaksanakan kesalahan pengukuran 1 detik setiap 1.4 juta tahun! Lalu akurasi yang setinggi itu untuk apa? Ternyata dipakai pada GPS!
Global Positioning System
Berdasarkan dari teori General Relativity dan Special Relativity yang dikemukakan Einstein, ruang dan waktu yaitu hal yang tak bisa dipisahkan dan relatif.
General Relativity
Di dalam General Relativity, diberikan konsep bahwa terjadi lengkungan ruang dan waktu di sekitar benda bermassa besar. Hal ini berarti setiap posisi mempunyai waktunya sendiri yang tak sama dengan posisi lainnya.
Maka misalkan saja ada dua orang ilmuwan A dan B. Ilmuwan A bekerja di laboraturium basement bawah tanah, sedangkan ilmuwan B bekerja di laboraturium lantai 20. Berdasarkan General Theory of Relativity Einstein, kedua ilmuwan tersebut bukan hanya mengalami ruang yang berbeda tetapi waktu yang juga berbeda. Ilmuwan yang bekerja di di lantai atas mengalami waktu yang sedikit lebih cepat dibandingkan ilmuwan yang bekerjadi basement. Perbedaan waktu ini sangat-sangat kecil, sehingga hanya bisa dideteksi dengan jam atom.
Dengan memakai dua jam atom, dilakukan percobaan pengukuran waktu. Jam atom dicocokkan waktu awalnya, kemudian dinantikan hingga waktu tertentu dan dilarang secara bersamaan. Setelah di cek ternyata jam atom tidak lagi sinkron. Jam atom yang ada di daerah tinggi mengalami waktu yang lebih cepat. Hal ini menandakan teori General Relativity Einstein.
Special Relativity
Di sisi lain, special relativity memperlihatkan konsep bahwa benda/orang yang bergerak cepat mengalami waktu yang lebih cepat dibandingkan dengan yang diam. Artinya ketika benda bergerak ia mempunyai ruang dan waktunya sendiri yang tak sama dengan benda yang diam. Perbedaan waktu ini sangat-sangat kecil, sehingga hanya bisa dideteksi dengan jam atom.
Dengan memakai dua jam atom, dilakukan percobaan sangat sederhana. Jam pertama diletakkan di laboraturium sedangkan jam kedua diletakkan pada sebuah motor yang bergerak bolak-balik (di ruang laboraturium yang sama). Tentu saja ketinggian dari keduanya dibentuk sama. Setelah sekian waktu, kedua jam atom nya dilarang secara bersamaan. Apa yang diprediksi Einstein benar! Jam kedua yang bergerak bolak-balik di motor memperlihatkan pengukuran waktu yang lebih cepat.
Artinya, ada relasi antara perbedaan ketinggian dari permukaan bumi dengan perbedaan waktu. Dengan persamaan matematis yang dikemukaan Einstein kita bisa menghitung ketinggian menurut perbedaan waktu ini. Nah.. Melihat perbedaan waktu tersebut haruslah memakai jam atom.
Jam Atom, GPS dan Hanphone Kita
Jadi kita butuh dua jam atom untuk mengetahui lokasi/ketinggian suatu benda/orang. Padahal harga dari jam atom sangat mahal sekali. Oleh lantaran itulah ilmuwan mengakali hal ini dengan cara memakai beberapa jam atom pada satelit.
GPS memakai jam atom untuk mengukur posisi penerimanya di bumi (reciever). Konsep sederhananya, ilmuwan memasang jam atom di empat satelit GPS, kemudian di bab penerimanya (hanphone, map reader, dll) dipasang kristal quarts yang akan membaca sinyal yang tiba dari satelit. Berdasarkan perbedaan waktu yang dikirimkan oleh empat satelit GPS, kita sanggup menghitung jarak dan memilih lokasi.
Karena reciever (hp kita) mempunyai ketinggian yang berbeda dari satelit GPS yang mempunyai Jam atom dan kecepatan gerak kita juga berbeda dari satelit GPS, maka diharapkan persamaan teori General Relativity dan Special Relativity Einstein untuk memilih posisi kita.
Jadi setiap kali kita mengakses peta, maka ada interaksi dari empat jam atom untuk memperlihatkan lokasi kita sebenarnya. Akurasi yang tinggi dari jam atom menjadi sangat penting, lantaran jikalau akurasinya rendah maka jarak yang ditunjukkan menjadi salah, alhasil lokasi yang ditunjukkan juga salah.
Kalian niscaya pernah mengalaminya kan? Ketika lokasi yang ditunjukkan oleh Google Map berbeda dengan yang sebenarnya? Meleset beberapa meter gitu. Hal ini dikarenakan dua hal sinyal yang jelek dan ketelitian dari jam atom masih kurang.
Nah.. Kuliahku yang kemudian itu berusaha membuah Jam Nuklir, yang diprediksi ketelitiannya mencapai $10^-18$ detik. Dengan memakai jam nuklir ini, nantinya teknologi GPS akan menjadi jauh lebih baik dan teliti.
Yap itulah kira-kira pembahasan ihwal jam atom dan penggunaanya dalam GPS. Mungkin artikel ini hanya memperlihatkan citra dan membuka rasa ingin tau kalian saja ihwal teknologi Jam Atom dan GPS. Selanjutnya kalian bisa pelajari sendiri dengan bertanya pada dosen jago ataupun membaca di internet.
Semoga bermanfaat.
Thanks for reading!
Pustaka:
- https://www.timeanddate.com/time/how-do-atomic-clocks-work.html
- https://www.quora.com/How-does-an-atomic-clock-work?filter=&nsrc=2&snid3=3665385522
- https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock
Sumber https://mystupidtheory.com