E=mc2. Persamaan Paling Terkenal Di Dunia, Bercerita Soal Apa Sih?

Ilustrasi dari alponiente.com

E=mc²

Kita pasti sering melihat persamaan ini, di dalam benak kita pasti terbesit seseorang, iya kan? iya, siapa lagi kalau bukan Albert Einstein-ilmuwan jenius abad 20. Tapi umumnya kita tidak sepenuhnya tahu apa sih sebenernya maksud Einstein menuliskan persamaan itu. Ayo ngaku! hehe

Jadi begini temen-temen,

Di dunia fisika, setiap persamaan selalu punya ceritanya sendiri-sendiri. Oleh karenanya ketika kita belajar fisika sebenarnya kita sedang mendengarkan cerita tentang alam raya, tapi tidak seperti lazimnya bercerita-seorang fisikawan bercerita lewat formula/persamaan yang ditemukannya. Pertanyaannya adalah apa cerita sesungguhnya dibalik persamaan Einstein tersebut?

Saya ingin menceritakannya dengan beberapa poin pertanyaan,

Apakah semangkok bakso dan seberkas cahaya adalah dua hal yang sama?

Kita sebagai manusia pasti tidak akan menganggapnya seperti itu–bagaimana mungkin semangkok bakso sama dengan seberkas cahaya padahal jelas-jelas wujudnya berbeda?-Tapi nyatanya alam melihatnya begitu. Alam melihat semangkok bakso dan seberkas cahaya adalah dua wujud berbeda dari satu hal yang sama.

Coba lihat kembali persamaan Einstein di atas! Disebutkan bahwa energi sama dengan massa (materi) dikali kuadrat kecepatan cahaya di ruang vakum. Einstein ingin bercerita bahwa massa (materi) dan energi dapat dipertukarkan-keduanya memiliki wujud yang berbeda dari hal yang sama-dikondisi yang tepat, energi dapat diubah menjadi massa, dan sebaliknya. Itulah mengapa alam semesta ini melihat semangkok bakso dan seberkas cahaya sebagai satu kesatuan yang sama. Begitu juga kita, walaupun kita sama tetap saja tidak bisa bersama.

Mengapa massa semangkok bakso harus dikali kecepatan cahaya untuk menentukan seberapa besar energi yang terkandung di dalamnya?

Jika kita ingin mengubah semangkok bakso atau materi bermassa lainnya menjadi energi murni (pure energy) maka energi yang dihasilkan terdefinisi sebagai energi bergerak dengan kecepatan cahaya.

Energi murni (pure energy) adalah salah satu bentuk dasar radiasi yang merupakan energi murni tanpa bobot (massa). Ketika materi diubah menjadi energi seutuhnya tanpa menyisakan massa, maka energi yang dimaksud adalah energi (radiasi) murni. Bentuk radiasi ini lebih familiar kita kenal sebagai radiasi elektromagnetik yang bergerak dengan kecepatan konstan (pembulatan) 300.000 km/s.  

Lalu mengapa dikuadratkan?

Bayangkan kita sedang bergerak dengan kecepatan 2 m/s, lalu beberapa saat mempercepatnya menjadi 4 m/s, apakah energi kita menjadi 2 kali dari semula? Jelas tidak-energi kita akan menjadi 4 kalinya. Dengan kata lain, kecepatan cahaya merupakan faktor kuadrat. Itulah mengapa kecepatan cahaya dalam persamaan tersebut diekspresikan dengan kuadrat.

Dari sini dapat disimpulkan bahwa kuadrat kecepatan cahaya merupakan faktor konversi yang menentukan seberapa besar energi yang terkandung dalam semangkok bakso atau materi bermassa lainnya. Karena kuadrat cahaya memiliki nilai yang sangat besar-90.000.000.000 (km/s)²-massa yang sangat kecil cukup mempu menghasilkan energi yang sangat besar.

Coba dengar pemaparan Einstein mengenai persamaannya : 

 

Agar mudah membayangkannya, mari kita berhitung. hehe

Contoh :

Percayakah kalian kalau 1 g arang sate setara bom atom Hiroshima & Nagasaki?

Arang dengan kualitas baik memiliki kandungan karbon 50% sampai 95% [1]. Katakanlah massa rerata atom karbon C-12 sebesar 2,004 x 10^-26 kg dan massa atom relatifnya 12. Dengan informasi itu kita bisa mendapatkan informasi jumlah molekul karbon dalam satuan mol.

mol C = massa C/Ar C = 1/12 = 0,083 mol

Informasi jumlah molekul karbon ini selanjutnya digunakan untuk menentukan seberapa banyak atom C di dalam 1 g arang, yang katakanlah memiliki kandungan 90% karbon dengan bilangan Avogadro-jumlah molekul/atom dalam satu mol senyawa atau unsur-yang nilainya 6,022 x 10²³.

Jumlah atom C dalam 1 g arang = 90% x 0,083 mol x 6,022 x 10²³ ≈ 4,5 x 10²² atom C

Terakhir, untuk mendapatkan energi murni digunakan persamaan Einstein.

E = mc2

E = (2,004 x 10^-26 kg) x (4,5 x 10²² atom C) x (3 x 10⁸ m/s)²

E ≈ 81.162 GJ {Giga joule}

1 ton TNT setara dengan energi 4,184 GJ [2]. Jika dikonversikan, maka 1 g arang setara dengan kurang lebih 19,4 kiloton TNT.

Menurut World Nuclear Association, disebutkan bahwa 1 bom atom Hiroshima memiliki daya ledak 15 kiloton TNT, sedangkan di Nagasaki lebih besar yaitu 25 kiloton TNT [2].

Artinya 1 g arang sudah cukup untuk membuat ledakan sehebat bom atom Hiroshima & Nagasaki. Bayangkan bagaimana jadinya jika energi itu dipanen menjadi energi listrik yang ramah lingkungan? Bumi ini selamanya tidak akan mengalami krisis energi.

Itu tidak akan lama teman-teman, kita pasti sudah mendengar bahwa di Tiongkok telah dikembangkan artificial sun (matahari buatan) yang sebenarnya adalah pembangkit daya fusi nuklir yang suhunya diperkirakan 10 kali suhu inti matahari. Dengan pencapaian ini, memungkinkan ilmuwan untuk merancang teknologi yang lebih advance.

Kesimpulan

·      Energi dan massa (materi) sejatinya adalah dua wujud yang berbeda dari satu hal yang sama, sehingga sifatnya dapat dipertukarkan.

·    Secara teori, energi yang dimiliki 1 g arang jika dikonversi menjadi energi akan memiliki energi yang kurang lebih sama besarnya dengan bom atom Hiroshima & Nagasaki. Meskipun begitu, belum ada cara praktis untuk mengubah semangkok bakso, arang, atau materi lain seluruhnya menjadi energi karena membutuhkan suhu dan tekanan yang lebih besar daripada yang ada di inti matahari kita. Jika suatu saat teknologinya ditemukan, bumi kita selamanya tidak akan pernah kekurangan energi.

 

Referensi :

[1] Mechanical Wood Products Branch Forest Industries Division, “Simple technologies for charcoal making”, 1987, Food and Agriculture Organization of The United Nations, [Online]. Tersedia : http://www.fao.org/3/X5328E/x5328e0b.htm [diakses 23 Desember 2020].

[2] "Tons (Explosives) to Gigajoules Conversion Calculator", unitconversion.org, [Online]. Tersedia : http://www.unitconversion.org/energy/tons-explosives-to-gigajoules-conversion.html  [diakses 23 Desember 2020].

[3] World Nuclear Association, “Hiroshima, Nagasaki, and Subsequent Weapons Testing”, update 2016, [Online]. Tersedia : https://www.world-nuclear.org/information-library/safety-and-security/non-proliferation/hiroshima,-nagasaki,-and-subsequent-weapons-testin.aspx [diakses 23 Desember 2020].