Interferometer Michelson: Konsep, Prinsip, dan Cara Kerjanya

Interferometer Michelson memiliki peran signifikan dalam perkembangan fisika modern, terutama setelah fisikawan Amerika Serikat, Albert A. Michelson, dan E.W. Morley melakukan eksperimen pada tahun 1887 untuk menguji keberadaan eter. Eksperimen Michelson-Morley dapat dianggap sebagai contoh penting dalam sains di mana kegagalan atau hasil yang tidak sesuai dengan ekspektasi dapat membuka jalan bagi pemahaman baru dan penemuan yang lebih besar. Walaupun eksperimen tersebut gagal untuk mendeteksi eter, keberhasilan eksperimen tersebut terletak pada runtuhnya kepercayaan ilmuwan terkait eter dan membuka pintu bagi konsep baru dalam fisika. Kamu mungkin juga bertanya-tanya, ngapain sih harus belajar alat yang telah dibuat 136 tahun yang lalu? Nah baca artikelnya sampai selesai ya!

Sejarah Interferometer Michelson

Sejarah Interferometer Michelson dimulai dengan eksperimen terkenal yang dilakukan oleh fisikawan Amerika Serikat, Albert A. Michelson, bersama dengan E.W. Morley pada tahun 1887. Percobaan ini dilakukan untuk mengukur kecepatan bumi terhadap eter. Di masa tersebut, eter dianggap dan dipercaya sebagai medium untuk perambatan cahaya.

Pada masa itu, konsep “eter” menjadi dasar bagi teori cahaya sebagai gelombang elektromagnetik. Teori tersebut menganggap bahwa cahaya memerlukan medium untuk merambat, mirip seperti gelombang suara yang memerlukan udara sebagai salah satu mediumnya untuk dapat merambat. Michelson dan Morley berusaha membuktikan keberadaan eter dengan merancang sebuah eksperimen yang dapat mengukur perubahan kecepatan bumi terhadap eter.

Eksperimen Michelson-Morley menggunakan interferometer Michelson, instrumen optik yang memanfaatkan interferensi cahaya untuk mengukur perubahan panjang gelombang cahaya. Michelson merancang interferometer ini khusus untuk mengukur perbedaan kecepatan cahaya dalam dua arah yang tegak lurus satu sama lain.

Eksperimen Michelson-Morley disebut “gagal” karena hasilnya tidak sesuai dengan ekspektasi teori yang mendominasi pada saat itu, yaitu teori eter. Menurut teori eter, bumi yang bergerak melalui eter seharusnya akan menyebabkan perubahan kecepatan cahaya, tergantung pada arah gerakan bumi terhadap eter.

Eksperimen Michelson-Morley dirancang untuk mengukur perbedaan waktu tempuh cahaya dalam dua arah tegak lurus, yang seharusnya menghasilkan perubahan kecepatan cahaya yang dapat diukur jika bumi bergerak melalui eter. Namun, hasil eksperimen ini mengejutkan karena tidak menunjukkan adanya perubahan signifikan dalam kecepatan cahaya seiring dengan rotasi dan revolusi bumi. Meskipun telah diulang beberapa kali dengan akurasi yang semakin tinggi, eksperimen ini terus menunjukkan ketidaksesuaian dengan teori eter yang pada akhirnya teori eter runtuh dan tidak dapat dibuktikan.

Hasil tersebut menjadi pendorong utama bagi perkembangan teori relativitas oleh Albert Einstein pada awal abad ke-20, di mana ia menyatakan bahwa kecepatan cahaya adalah konstan dan tidak memerlukan medium khusus (seperti eter) untuk merambat. Dengan demikian, kegagalan eksperimen Michelson-Morley pada akhirnya membawa pada pemahaman baru yang revolusioner dalam fisika.

Interferometer Michelson dan Prinsipnya

Hasil eksperimen Michelson-Morley sangat mengejutkan pada zamannya. Meskipun diprediksi bahwa akan terdeteksi perubahan kecepatan cahaya yang dihasilkan oleh gerak bumi terhadap eter, hasilnya malah menunjukkan tidak ada perbedaan yang signifikan.

Interferometer Michelson adalah perangkat pengukuran yang memanfaatkan interferensi cahaya. Interferensi ini terjadi saat dua gelombang cahaya saling berinteraksi, menghasilkan pola gelap dan terang seperti ditunjukkan di layar laptop pada gambar di atas. Interferensi konstruktif terjadi ketika fase kedua gelombang sama, sementara interferensi destruktif terjadi jika fase tidak sama. Adapun prinsip kerja dari interferometer Michelson adalah sebagai berikut:

1. Pembelahan Cahaya: Seberkas cahaya monokromatik (satu warna) dipisahkan menjadi dua oleh pembagi berkas (beam splitter).
2. Perjalanan Cahaya: Dua berkas cahaya tersebut merambat sepanjang lintasan yang berbeda, yang kemudian dipantulkan kembali oleh cermin datar.
3. Pertemuan Kembali: Kedua berkas cahaya ini dipadukan kembali setelah melalui lintasan yang berbeda.
4. Interferensi: Karena perbedaan panjang lintasan yang ditempuh kedua berkas, interferensi terjadi, menciptakan pola gelap dan terang pada layar pengukuran.

Interferometer Michelson terdiri dari beberapa bagian komponen yang bekerja bersama-sama untuk menciptakan interferensi cahaya dan mengukur perbedaan panjang lintasan optis. Berikut adalah penjelasan mengenai bagian-bagian utama dari interferometer Michelson:

1. Sumber Cahaya (Source): Interferometer Michelson menggunakan sumber cahaya monokromatik, yang umumnya dihasilkan oleh laser. Cahaya laser memastikan bahwa gelombang cahaya yang digunakan memiliki panjang gelombang yang tetap dan konsisten.
2. Pembagi Berkas (Beam Splitter): Cahaya dari sumber (laser) dipancarkan ke pembagi berkas atau beam splitter. Pembagi berkas adalah suatu komponen optik yang memecah cahaya menjadi dua lintasan yang bergerak dalam arah yang berbeda. Sebagian cahaya dipantulkan dan sebagian lagi dibiarkan lewat.
3. Cermin Datar (Mirrors): Interferometer Michelson biasanya melibatkan dua cermin datar. Sebuah cermin digunakan untuk memantulkan sebagian cahaya yang dipisahkan oleh pembagi berkas. Cermin kedua memantulkan cahaya yang telah dipantulkan oleh cermin pertama. Kedua lintasan cahaya ini memiliki panjang yang berbeda.
4. Layar Pengukuran (Detector): Layar pengukuran atau layar detektor dipasang di tempat yang tepat untuk menerima cahaya yang telah mengalami interferensi. Pada layar ini, pola interferensi yang terdiri dari frinji atau pola gelap dan terang terbentuk. Perubahan posisi frinji ini digunakan untuk mengukur perubahan panjang lintasan optis.
5. Perangkat Pemindah Cermin: Beberapa interferometer Michelson dilengkapi dengan perangkat untuk memindahkan salah satu cermin. Pemindahan cermin ini memungkinkan penyesuaian panjang lintasan optis, yang dapat digunakan untuk mengukur perubahan panjang gelombang cahaya.
6. Pelat Kompensator (Compensator): Pelat kompensator digunakan dalam interferometer Michelson untuk mengontrol dan menyesuaikan perbedaan fase antara dua berkas cahaya. Hal tersebut penting karena perbedaan fase inilah yang menciptakan pola interferensi yang digunakan untuk mengukur sifat-sifat cahaya, seperti panjang gelombang, polarisasi, atau indeks biasnya. Pelat kompensator memungkinkan pengguna untuk menyempurnakan perbedaan fase dan mencapai pengukuran yang lebih akurat.
7. Lensa (Opsional): Dalam beberapa konfigurasi interferometer Michelson, lensa dapat ditambahkan untuk memfokuskan cahaya pada layar detektor, memperjelas pola interferensi.
8. Filter (Opsional): Filter dapat digunakan untuk menyaring cahaya, terutama jika interferometer digunakan dengan cahaya polikromatik. Ini membantu memastikan bahwa hanya cahaya dengan panjang gelombang tertentu yang digunakan dalam eksperimen.

Perhitungan

Perhitungan dalam interferometer Michelson melibatkan pengukuran perubahan panjang lintasan optis yang ditempuh oleh dua berkas cahaya yang dipisahkan dan kemudian dipadukan kembali. Perubahan ini dapat diukur melalui pergeseran pola interferensi pada layar detektor. Berikut adalah rumus dasar yang digunakan dalam perhitungan interferometer Michelson:

Rumus Dasar Interferometer Michelson:

Penjelasan Rumus:

• Panjang Gelombang : Panjang gelombang cahaya yang digunakan dalam eksperimen harus diketahui dengan tepat. Panjang gelombang ini merupakan jarak antara dua puncak (atau lembah) berturut-turut dari gelombang cahaya dan diukur dalam satuan panjang, seperti meter.
• Perubahan Jumlah Frinji atau pola gelap terang (N): Perubahan jumlah frinji interferensi dapat diukur dengan memonitor pergeseran pola interferensi pada layar detektor. Pergeseran ini diasumsikan sebagai perubahan jumlah frinji (N) yang dapat diketahui dengan tepat.
• Perubahan Panjang Lintasan Optis: Perubahan panjang lintasan optis merupakan perbedaan panjang antara dua lintasan optis yang ditempuh oleh dua berkas cahaya. Ini dapat diukur dengan menggerakkan salah satu cermin interferometer.

Contoh Penggunaan Rumus:

Misalkan panjang gelombang cahaya yang digunakan adalah 500 nm (nanometer), dan terjadi pergeseran pola interferensi yang setara dengan (10) frinji ((N = 10)). Maka, perubahan panjang lintasan optis dapat dihitung menggunakan rumus:

Perlu diingat bahwa hasil perhitungan tersebut dapat dikonversi ke satuan panjang yang diinginkan, seperti meter atau milimeter, tergantung pada kebutuhan eksperimen atau pengukuran yang sedang dilakukan.

Kesimpulan

Kesimpulan terkait interferometer Michelson dapat dirangkum sebagai berikut:

1. Prinsip Dasar:
   • Interferometer Michelson beroperasi berdasarkan prinsip interferensi cahaya, di mana gelombang cahaya yang dipisahkan dan kemudian dipadukan kembali menciptakan pola interferensi yang dapat diukur.
2. Eksperimen Michelson-Morley:
   • Eksperimen Michelson-Morley adalah salah satu eksperimen paling terkenal yang menggunakan interferometer Michelson. Meskipun eksperimen ini “gagal” dalam mendeteksi eter, hasilnya memicu perkembangan teori relativitas oleh Albert Einstein.
3. Gagal Mendeteksi Eter:
   • Interferometer Michelson tidak berhasil mendeteksi perubahan kecepatan cahaya yang diharapkan terhadap eter, seperti yang diasumsikan oleh teori eter pada masa itu. Gagalnya eksperimen ini menggoyahkan paradigma dominan dan membuka jalan bagi konsep baru dalam fisika.
4. Kontribusi pada Fisika Modern:
   • Meskipun awalnya dirancang untuk mengukur perbedaan kecepatan cahaya terhadap eter, interferometer Michelson dan eksperimen Michelson-Morley memberikan kontribusi penting dalam memahami sifat cahaya dan mengarah pada pengembangan teori relativitas.
5. Penggunaan dalam Penelitian Astronomi:
   • Interferometer Michelson terus digunakan dalam penelitian astronomi modern. Interferometri optik membantu meningkatkan resolusi teleskop dan memberikan informasi mendalam tentang objek astronomi jauh.
6. Interferometer Optik Modern:
   • Selain interferometer Michelson, ada berbagai jenis interferometer optik modern dengan aplikasi yang luas dalam berbagai bidang, termasuk metrologi presisi, deteksi gelombang gravitasi, dan penelitian quantum.
7. Pentingnya Kegagalan dalam Ilmiah:
   • Meskipun awalnya dianggap sebagai kegagalan, eksperimen Michelson-Morley menunjukkan bahwa kegagalan dalam mengonfirmasi ekspektasi teori dapat membuka jalan bagi penemuan baru dan revolusi konseptual dalam ilmiah.

Contoh Soal Interferometer Michelson

Contoh Soal 1:

Pertanyaan:
Jelaskan prinsip dasar interferometer Michelson dan berikan rumus yang digunakan untuk menghitung perubahan panjang lintasan optis.

Teori:
Interferometer Michelson adalah alat yang memanfaatkan interferensi cahaya untuk mengukur perubahan panjang lintasan optis. Dalam interferometer Michelson, cahaya dari sumber (biasanya laser) dipisahkan menjadi dua berkas oleh pembagi berkas. Kedua berkas ini mengikuti lintasan yang berbeda sebelum dipadukan kembali. Jika terdapat perbedaan panjang lintasan antara kedua berkas, maka akan terjadi interferensi. Pada layar detektor, pola interferensi berupa frinji gelap dan terang terbentuk.

Contoh Soal 2:

Pertanyaan:
Jelaskan fungsi pembagi berkas (beam splitter) dalam interferometer Michelson dan bagaimana hal itu memengaruhi interferensi cahaya.

Teori:
Pembagi berkas dalam interferometer Michelson berperan memecah cahaya menjadi dua lintasan yang bergerak dalam arah yang berbeda. Sebagian cahaya dipantulkan, dan sebagian lagi dibiarkan melalui. Hal ini menciptakan dua berkas cahaya yang mengikuti lintasan yang berbeda. Pada saat kedua berkas ini dipadukan kembali, interferensi terjadi. Jika lintasan kedua berkas memiliki perbedaan panjang, maka pola interferensi akan terbentuk pada layar detektor.

Contoh Soal 3:

Pertanyaan:
Bagaimana perubahan panjang lintasan optis dalam interferometer Michelson memengaruhi pola interferensi yang terbentuk? Jelaskan.

Teori:
Perubahan panjang lintasan optis pada interferometer Michelson akan mempengaruhi fase kedua berkas cahaya yang dipadukan kembali. Jika perubahan panjang lintasan optis menghasilkan perbedaan fase yang sesuai, interferensi konstruktif terjadi, dan frinji terang terbentuk pada layar detektor. Sebaliknya, jika perubahan panjang lintasan optis menghasilkan perbedaan fase yang saling merusak, interferensi destruktif terjadi, dan frinji gelap terbentuk. Oleh karena itu, perubahan panjang lintasan optis akan tercermin dalam pola interferensi yang diamati.

Contoh Soal 4:

Pertanyaan:
Apakah interferometer Michelson dapat digunakan untuk mengukur panjang gelombang cahaya yang berbeda? Jelaskan.

Teori:
Interferometer Michelson dapat digunakan untuk mengukur panjang gelombang cahaya yang berbeda. Panjang gelombang tersebut menciptakan pola interferensi dengan frinji yang dapat diukur. Namun, penting untuk memastikan bahwa panjang gelombang cahaya yang digunakan dalam eksperimen diketahui dengan tepat untuk menghasilkan perhitungan yang akurat.

Contoh Soal 5:

Pertanyaan:
Apa peran cermin datar dalam interferometer Michelson, dan bagaimana cahaya berinteraksi dengan cermin tersebut?

Teori:
Cermin datar dalam interferometer Michelson digunakan untuk memantulkan cahaya, menciptakan perbedaan panjang lintasan optis antara dua berkas cahaya. Cahaya yang dipantulkan oleh cermin datar akan mengalami perubahan fase saat dipadukan kembali dengan cahaya yang melewati lintasan yang berbeda. Hal ini menyebabkan terbentuknya pola interferensi pada layar detektor.

Contoh Soal 6:

Pertanyaan:
Mengapa interferometer Michelson sering digunakan dalam penelitian astronomi?

Teori:
Interferometer Michelson sering digunakan dalam penelitian astronomi karena dapat memberikan resolusi yang tinggi. Dengan menggabungkan cahaya dari dua atau lebih teleskop, interferometer menciptakan efek teleskop yang lebih besar, meningkatkan kemampuan resolusi dan akurasi pengukuran dalam pengamatan objek astronomi, seperti bintang atau galaksi.

Contoh Soal 7:

Pertanyaan:
Bagaimana cara interferometer Michelson digunakan untuk mengukur perubahan sudut bintang?

Teori:
Interferometer Michelson dapat digunakan dalam teknik interferometri optis untuk mengukur perubahan sudut bintang. Dengan menggabungkan cahaya dari dua atau lebih teleskop, interferometer menciptakan pola interferensi yang dapat diukur. Perubahan posisi frinji interferensi dapat dihubungkan dengan perubahan sudut objek astronomi yang diamati.

Contoh Soal 8:

Pertanyaan:
Jelaskan bagaimana interferometer Michelson membantu dalam penelitian gelombang gravitasi.

Teori:
Interferometer Michelson, seperti LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), digunakan untuk mendeteksi gelombang gravitasi. Gelombang gravitasi menyebabkan perubahan panjang lintasan optis interferometer. Dengan mengukur perubahan panjang lintasan optis ini, interferometer dapat mendeteksi dan mengukur gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh peristiwa astronomi seperti tabrakan dua lubang hitam.

Referensi Bacaan

Untuk informasi lebih lanjut tentang Interferometer Michelson dan eksperimen Michelson-Morley, serta aplikasi dan perkembangan terkini, Anda dapat merujuk ke berbagai sumber ilmiah dan referensi. Berikut beberapa referensi yang dapat dijadikan acuan:

1. Buku:
   • “Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light” oleh Max Born dan Emil Wolf. Buku ini mencakup prinsip dasar interferensi dan interferometer.
2. Buku Teks Fisika Modern:
   • “Modern Physics” oleh Kenneth S. Krane. Buku ini memberikan penjelasan yang baik tentang konsep-konsep fisika modern, termasuk interferometer Michelson.
3. Jurnal Ilmiah:
   • Artikel ilmiah dan jurnal fisika terkemuka seperti “Physical Review Letters” atau “Journal of the Optical Society of America” dapat memberikan pemahaman mendalam tentang aplikasi dan pengembangan terbaru dalam bidang interferometri.
4. Sumber Online:
   • American Institute of Physics (AIP) menyediakan sejumlah sumber daya online termasuk artikel dan publikasi ilmiah di bidang fisika.
   • Situs web Optical Society of America (OSA) juga dapat memberikan informasi terbaru tentang penggunaan dan perkembangan interferometer optik.
5. Buku Fisika Teoretis:
   • “Introduction to Electrodynamics” oleh David J. Griffiths mencakup konsep elektrodinamika, yang relevan untuk pemahaman interferensi dan cahaya.
6. Sumber Online Terkini:
   • Jelajahi literatur ilmiah terkini di basis data seperti Google Scholar atau PubMed untuk menemukan penelitian-penelitian dan artikel terbaru terkait interferometer Michelson.