Waktu Berjalan Lebih Cepat di Dek Observasi Menara Tokyo Skytree

Ilustrasi eksperimen pengujian teori relativitas umum di menara Tokyo Skytree

Tahukah anda bahwa waktu berjalan sedikit lebih cepat jika anda berada di tempat yang lebih tinggi? Fenomena fisika ini diprediksi dan dijelaskan oleh teori relativitas umum yang digagas oleh fisikawan tersohor Albert Einstein pada tahun 1915. Teori relativitas umum menjelaskan gravitasi sebagai hasil dari melengkungnya hamparan ruang dan waktu akibat massa sebuah benda. Semakin berat sebuah benda semakin dalam lengkungan ruang dan waktu yang dibentuknya.

Bayangkan sebuah trampolin dengan sebuah bola berat di permukaannya, lengkungan akan terbentuk di permukaan sekitar bola. Jika anda letakkan bola lain dengan massa yang lebih ringan, bola tersebut akan menggelinding ke arah bola yang lebih berat; itulah gravitasi menurut teori relativitas umum. Konsekuensi lain dari teori ini adalah adanya pemuluran waktu di kedalam lengkungan ruang-waktu; semakin dekat kita dengan pusat lengkungan semakin lambat waktu bergulir.

Sebuah tim ilmuwan di Jepang berhasil menguji teori relativitas umum di darat (di permukaan bumi; bumi sendiri merupakan beda langit bermassa yang pasti melengkungkan ruang-waktu) dengan menggunakan dua jam atom super akurat yang diletakkan di ikon kota Tokyo; Tokyo Skytree. Tokyo Skytree adalah menara pemancar dengan tinggi 634 meter yang terletak di pusat kota Tokyo di Jepang. Dua jam atom ini diletakkan di dua ketinggian berbeda, 0 m dan 450 m (di dek observasi tertinggi Tokyo Skytree).

Dalam eksperimennya, mereka mengukur bahwa detikan waktu dari jam atom yang diletakkan di dasar Tokyo Skytree (0 m) berjalan sedikit lebih lambat dibandingkan detikan waktu dari jam atom di dek observasi Tokyo Skytree yang terletak di ketinggian 450 m. Jam atom mengukur waktu secara akurat berdasarkan frekuensi gelombang elektromagnetik yang dibutuhkan elektron-elektron dalam satu atom untuk berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi lain. Dalam observasinya, tim ilmuwan berhasil mengukur frekuensi transisi atom Strontium (Sr) sebesar 429 228 000 000 000 Siklus per detik (Hz) di dasar Tokyo Skytree (0 m), sedangkan pada ketinggian 450 m mereka mengukur frekuensi transisi sebesar 429 228 000 000 021,18 siklus per detik. Ini berarti terdapat perbedaan frekuensi transisi atom Sr sebesar 21,18 siklus per detik pada perbedaan ketinggian 450 m. Sebagai perbandingan, satu detik dalam Satuan Internasional (SI) didefinisikan sebagai transisi atom sesium-133 (Cs-133) sebesar 9 192 631 770 siklus per detik.

Hasil yang dicapai dalam eksperimen ini adalah hasil pengujian teori relativitas umum pertama yang dilakukan di luar laboratorium dan di darat. Sebelumnya, pengujian yang sama juga telah dilakukan di ruang angkasa dengan menggunakan satelit dan berhasil mendemonstrasikan perbedaan berjalannya waktu pada perbedaan ketinggian dalam orde kilometer. Hal luar biasa lain dari  pengamatan yang dilakukan oleh tim ilmuwan dari Jepang adalah mereka berhasil membuat jam atom super akurat yang berukuran kompak dan dapat dipindahkan dengan mudah serta memiliki keakuratan pengukuran dalam orde sentimeter.

Hasil observasi mereka membuka jalan bagi cara baru yang lebih akurat dalam pengukuran ketinggian. Ke depan, teknik yang mereka kembangkan akan sangat bermanfaat bagi bidang seismologi dan vulkanologi yang bergantung pada pengukuran pergerakan daratan secara akurat secara waktu-nyata.

Referensi:

M. Takamoto, et al. Test of general relativity by a pair of transportable optical lattice clocks. Nature Photon. 14, 411–415(2020). DOI:10.1038/s41566-020-0619-8