[WIKI] Teori Relativitas Einstein Dalam Teknologi GPS


Mungkin kita pernah bertanya: "Apa sih gunanya Teori Relativitas?" Yang kita tahu Teori Relativitas adalah sekedar teori fisika yang diungkap oleh Albert Einstein, susah dicerna, dan sepertinya tidak ada pengaruhnya pada kehidupan sehari-hari.

Lupakan sejenak tentang Teori Relativitas, mari membahas GPS. Siapa yang tidak mengenal GPS? Mulai pesawat komersial, mobil, sepeda, hingga handphone anda, semua dilengkapi sistem navigasi berbasis GPS plus peta digital, yang akan menunjukkan posisi Anda di Bumi (lintang, bujur, dan ketinggian) hingga akurasi 5-10 meter.

Pada awalnya GPS dikembangkan oleh Departemen Pertahanan AS untuk kepentingan militer AS, hingga kemudian diadopsi sebagai sistem navigasi berbasis satelit baik oleh sipil maupun militer.

Konfigurasi GPS saat ini berupa jaringan 24 satelit di orbit tinggi sekitar Bumi. Masing-masing satelit mengorbit pada ketinggian sekitar 20.000 km dari permukaan tanah, dengan kecepatan orbit sekitar 14.000 km/jam (periode orbit kira-kira 12 jam). Orbit satelit-satelit ini didesain sedemikian hingga minimal 4 satelit akan selalu terlihat dari setiap titik di Bumi pada suatu waktu (sampai maksimal 12 satelit).

Setiap satelit dilengkapi dengan jam atom dengan akurasi 1 nanodetik (sepermiliar detik). Sebuah penerima GPS (misal di handphone Anda) akan menentukan posisinya saat ini dengan membandingkan waktu sinyal yang diterima dari sejumlah satelit GPS (biasanya 6 sampai 12) dan melakukan triangulasi (menghitung jarak dan koordinat) satelit. Sebegitu berpresisinya, hingga handphone ber-GPS dapat menentukan posisi absolut Anda di permukaan bumi hingga radius 5-10 meter, hanya dalam beberapa detik secara real-time.

Untuk mencapai tingkat presisi itu, detak jam di satelit GPS harus diketahui dengan akurasi 20-30 nanodetik. Namun, karena satelit terus bergerak relatif terhadap pengamat di Bumi, efek 'penyimpangan' (yang diprediksi oleh Teori Khusus dan Teori Umum Relativitas) juga mesti diperhitungkan.

Yang pertama, karena pengamat di Bumi melihat satelit bergerak relatif terhadap mereka, Teori Relativitas Khusus meramalkan bahwa kita akan melihat jam satelit berdetak lebih lambat. Relativitas Khusus menghitung, bahwa jam atom di satelit akan lebih lambat sekitar 7 mikrodetik per hari karena efek dilatasi waktu akibat gerak relatif satelit.

Berikutnya, satelit berada dalam orbit tinggi di atas Bumi, di mana kelengkungan ruang-waktu karena massa bumi lebih kecil dibandingkan dengan permukaan bumi. Gravitasi! Teori Relativitas Umum meramalkan bahwa jam yang lebih dekat dengan Bumi (pusat gravitasi) akan berdetak lebih lambat daripada yang terletak jauh dari Bumi. Perhitungan Relativitas Umum memprediksi bahwa jam satelit GPS akan berdetak lebih cepat 45 mikrodetik per hari dibanding jam di bumi -dilatasi waktu akibat gravitasi.

Kombinasi keduanya? Tinggal dihitung bahwa jam di satelit GPS akan berdetak lebih cepat daripada jam di bumi sekitar 45-7 = 38 mikrodetik per hari.



Kecil memang, tapi dalam sistem GPS dengan akurasi hingga nanodetik: 38 mikrodetik = 38.000 nanodetik. Jika efek ini tidak diperhitungkan, navigasi GPS tidak akan bertahan lebih dari 2 menit, 'penyimpangan kecil' ini akan terus menumpuk menyebabkan kekeliruan navigasi hingga 10 kilometer per hari! Seluruh sistem GPS akan sama sekali tidak berguna dalam waktu yang sangat singkat.

Untungnya para desainer sistem GPS telah memperhitungkan efek relativistik ini. Misalnya, untuk mengurangi efek Relativitas Umum, frekuensi detak jam atom akan diperlambat sebelum satelit benar-benar diluncurkan, sehingga setelah berada di orbit yang tepat jam satelit akan berdetak pada tingkat yang benar, dibandingkan dengan referensi jam atom di bumi. Demikian pula, setiap penerima GPS  juga melakukan perhitungan relativitas ketika menentukan lokasi pengguna.

Relativitas ternyata bukan hanya teori abstrak saja.

Comments