konsep jam atom dan gps
konsep jam atom dan gps

Konsep Jam Atom dan Penggunaanya di GPS

Posted on

Pernah tidak teman-teman pembaca mendengar kata “Synchronicity”? Ini adalah istilah yang menjelaskan fenomena kebetulan yang memiliki makna. Istilah ini pertama kali dipopulerkan oleh seorang psikolog asal Swiss bernama Carl Gustav Jung.

Salah satu contohnya ialah secara kebetulan dua tahun yang lalu aku membaca sebuah artikel bahwa Teori Relativitas Einstein digunakan di dalam teknologi GPS (Global Positioning System). Saat itu aku penasaran bagaimana dan dimana penggunaannya di GPS.

Rasa penasaranku itu ternyata bersambung lagi beberapa minggu yang lalu setelah ada diskusi di kepala tentang 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 digunakan pada GPS. Nah.. Inilah yang kuanggap sebagai “Synchronicity”. Bahasa gampangnya adalah “pucuk dicinta ulam pun tiba”.

Rasa penasaran itu sudah reda kemarin, ketika ada kuliah mengenai Konsep Jam Nuklir yang digunakan pada GPS. Kuliah ini disampaikan dalam bahasa inggris walaupun pematerinya ialah orang Jepang. Sebuah kebetulan lainnya yang patut aku 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 aku 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 sebenarnya sudah diusulkan sejak 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 karena teknologinya menggunakan konsep nuklir.

Namun karena perkembangan teknologi nuklir itu bertahap, maka jam atom ini baru bisa masuk ke eksperiment pada tahun 1945, yang diawali oleh fisikawan Amerika, Isidor Rabi. Jam atom pertama baru berhasil di buat pada tahun 1949 menggunakan serapan ammonia, oleh institusi US.NBS. (sekarang NIST).

Konsep utama dari jam atom atau jam nuklir ini ialah menggunakan 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 pasti sudah mengenal yang namanya elektron dan nukleus. Di dalam ilmu kimia nukleus itu adalah inti atom. Elektron memutari nukleus dengan level energi yang tertentu. Nah level energi ini berupa gelombang yang memiliki frekuensi spesifik. Frekuensi inilah yang digunakan untuk pengukuran waktu di dalam jam atom.

Atom yang saat ini digunakan sebagai jam atom ialah unsur Cessium (Cs) karena mampu memberikan akurasi yang sangat tinggi.

Mekanisme Jam Atom

Setelah mengetahui bahan yang digunakan ialah atom Cessium, maka berikutnya ialah mekanisme kerjanya. Aku gambarkan secara sederhananya seperti ini:

Atom cessium memiliki beberapa sifat:

  • Memiliki level energi rendah dan level energi tinggi.
  • Kedua level tersebut dapat dipisahkan dengan medan magnet.
  • Cessium dengan level energi rendah dapat dikonversi menjadi level energi tinggi dengan menggunakan frekuensi tambahan dari luar.

Karena sifat-sifat tersebut, maka ilmuwan dapat menghitung frekuensi yang dipancarkan dari atom Cessium pada level energi tingginya menggunakan detektor. Dari detektor, kemudian frekuensi ini diubah menjadi energi listrik yang dapat dikeluarkan sebagai data yang terbaca manusia.

Osilasi dari atom Cessium pada level energi tinggi ialah $9,192,631,770$ osilasi perdetik. Oleh karena itu akurasi yang dapat dicapai dari jam atom ialah $10^-8$ detik.


Tahu artinya akurasi $10^-8$ detik? Artinya jam atom hanya akan melakukan kesalahan pengukuran 1 detik setiap 1.4 juta tahun! Lalu akurasi yang setinggi itu untuk apa? Ternyata digunakan pada GPS!

Global Positioning System

Berdasarkan dari teori General Relativity dan Special Relativity yang dikemukakan Einstein, ruang dan waktu adalah 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 memiliki 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 menggunakan dua jam atom, dilakukan percobaan pengukuran waktu. Jam atom dicocokkan waktu awalnya, kemudian ditunggu hingga waktu tertentu dan dihentikan secara bersamaan. Setelah di cek ternyata jam atom tidak lagi sinkron. Jam atom yang ada di tempat tinggi mengalami waktu yang lebih cepat. Hal ini membuktikan teori General Relativity Einstein.

Special Relativity

Di sisi lain, special relativity memberikan konsep bahwa benda/orang yang bergerak cepat mengalami waktu yang lebih cepat dibandingkan dengan yang diam. Artinya ketika benda bergerak ia memiliki 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 menggunakan 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 dibuat sama. Setelah sekian waktu, kedua jam atom nya dihentikan secara bersamaan. Apa yang diprediksi Einstein benar! Jam kedua yang bergerak bolak-balik di motor menunjukkan pengukuran waktu yang lebih cepat.

Artinya, ada hubungan antara perbedaan ketinggian dari permukaan bumi dengan perbedaan waktu. Dengan persamaan matematis yang dikemukaan Einstein kita bisa menghitung ketinggian berdasarkan perbedaan waktu ini. Nah.. Melihat perbedaan waktu tersebut haruslah menggunakan 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 karena itulah ilmuwan mengakali hal ini dengan cara menggunakan beberapa jam atom pada satelit.

GPS menggunakan jam atom untuk mengukur posisi penerimanya di bumi (reciever). Konsep sederhananya, ilmuwan memasang jam atom di empat satelit GPS, kemudian di bagian penerimanya (hanphone, map reader, dll) dipasang kristal quarts yang akan membaca sinyal yang datang dari satelit. Berdasarkan perbedaan waktu yang dikirimkan oleh empat satelit GPS, kita dapat menghitung jarak dan menentukan lokasi.

Karena reciever (hp kita) memiliki ketinggian yang berbeda dari satelit GPS yang memiliki Jam atom dan kecepatan gerak kita juga berbeda dari satelit GPS, maka diperlukan persamaan teori General Relativity dan Special Relativity Einstein untuk menentukan posisi kita.

Jadi setiap kali kita mengakses peta, maka ada interaksi dari empat jam atom untuk menunjukkan lokasi kita sebenarnya. Akurasi yang tinggi dari jam atom menjadi sangat penting, sebab jika akurasinya rendah maka jarak yang ditunjukkan menjadi salah, akibatnya lokasi yang ditunjukkan juga salah.

Kalian pasti 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 buruk dan ketelitian dari jam atom masih kurang.

Nah.. Kuliahku yang lalu itu berusaha membuah Jam Nuklir, yang diprediksi ketelitiannya mencapai $10^-18$ detik. Dengan menggunakan jam nuklir ini, nantinya teknologi GPS akan menjadi jauh lebih baik dan teliti.

Yap itulah kira-kira pembahasan tentang jam atom dan penggunaanya dalam GPS. Mungkin artikel ini hanya memberikan gambaran dan membuka rasa penasaran kalian saja tentang teknologi Jam Atom dan GPS. Selanjutnya kalian bisa pelajari sendiri dengan bertanya pada dosen ahli 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
Mengaku-ngaku sebagai penulis sejak 2013, tak satupun buku yang berhasil dituliskan. Amatir Garis Keras!

One thought on “Konsep Jam Atom dan Penggunaanya di GPS

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

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