kecepatan cahaya saat melewati medium (prinsip indeks bias)

Artikel ini akan membahas bagaimana cahaya bisa mencapai kecepatan yang sama kita melewati suatu medium.

Cahaya merupakan partikel tercepat di alam semesta ini. Kecepatan cahayalah yang menjadi acuan dari teori fisika modern seperti teori relativitas dan yang lainnya. Kita mungkin bertanya-tanya bahwa darimana cahaya bisa mendapatkan energy yang sebesar itu untuk bergerak?

Salah satu sifat dari cahaya adalah bergerak sebagai gelombang dan juga bergerak sebagai partikel. Teori tersebut dinamakan Dualisme gelombang dan merupakan salah satu bahasan dari fisika modern. Cahaya merambat dalam sekejap mata, akan tetapi kecepatan cahaya dipengaruhi oleh medium yang dilaluinya juga. Banyak yang berfikir jika cahaya merambat melewati suatu medium maka kecepatannya akan berkurang. Dan memang benar kecepatan cahaya akan "berkurang" jika dia melewati suatu medium. Namun yang menjadi pertanyaannya, mengapa cahaya bisa kembali melaju seperti kecepatan semula setelah melewati medium tersebut? Apakah energinya tidak berkurang? Karena berdasarkan logika, cahaya tentu akan semakin "melambat" jika melewati suatu medium. Tapi, selambat-lambatnya cahaya dalam suatu medium, ketika cahaya kembali pada medium ruang hampa udara maka cahaya tersebut akan kembali melaju secepat kilat seperti pada kondisi awalnya. 

Bagaiamana bisa?

Oke, mari kita lihat proses perambatan cahaya didalam suatu medium optic (optical medium).

Karena cahaya merupakan suatu gelombang elektromagnetik, maka perlu diketahui variabel apa saja yang mempengaruhi gelombang elektromagnetik tersebut. Beberapa variabel yang digunakan untuk mendeskripsikan suatu gelombang adalah berdasarkan rumus dibawah ini:

Jika kita mengamati fenomena daripada refraction (pembiasan) pada perubahan sudut yang dialaminya, kita bisa menggunakan prinsip Fresnel, yang menyatakan bahwa setiap titik pada permukaan gelombang adalah bersumber dari gelombang-gelombang berbentuk lingkaran (spherical wavelets). Jumlah dari gelombang berbentuk lingkaran yang membentuk muka gelombang. Seperti pada gambar dibawah :

muka gelombang inilah yang menghasilkan spherical waves pada permukaan suatu medium. Ketika gelombang elektromagnetik bergerak semakin lambat pada medium yang masa jenisnya leih besar, maka gelombang akan bergerak pada suatu kecepatan tertentu. Gelombang yang dihasilkan dimedium kedua menjadi tidak lagi parallel, atau dengan kata lain gelombangnya belok. Kejadian inilah yang kita namakan pembiasan cahaya (refraction). Hal ini dipengaruhi oleh sesuatu yang kita namakan indeks bias (n). indeks bias suatu medium berbeda-beda antara medium lainnya. Untuk lebih memahami apa itu pembiasan, perhatikan rumus snellius dibawah:

bagaimana kita bisa membuktikan rumus diatas? Perhatikan penurunannya dibawah:

    dan karena 

perhatikan gambar dibawah:

sebagai hipotesis, kita asumsikan panjang gelombangnya sama dengan 1 pada panjang gelombang yang di persamaan indeks bias diatas. Rumusnya menjadi:

Karena

maka:

berdasarkan fakta bahwa frekuensi gelombang elektromagnetik diatas adalah sama, maka:

Karena indeks bias didefinisikan sebagai perbandingan antara kecepatan cahaya pada ruang vacum dan pada medium.

maka :

perhatikan gambar dibawah;

Gelombang, meskipun kecepatannya berubah namun perambatannya tetap pada frekuensi yang sama yang berarti periodenya juga sama. Gelombang tersebut melemah karena interaksi antara materi dari medium tersebut dengan gelombang elektromagnetnya, tapi hal tersebut tidak mengubah apa-apa dengan frekuensinya.

Dari indeks bias itulah kita bisa mengetahui bagaimana perilaku gelombang elektromagnetik pada medium optic, yang sangat didasarkan pada materi penyusunnya. Jika komponen listriknya mendapat gangguan dari polaritas molekul dengan momen dipole listrik yang ada, perambatan dari gelombang akan melambat dan akan ada sedikit energi yang hilang yang digunakan sebagai penyelarasan molekul di medan listrik.

Jadi kesimpulannya, cahaya memperoleh kembali kecepatannya setelah melewati medium karena medium hampa udara adalah dielektrik yang jauh lebih lemah, sehingga rangsangan elektromagnetik tidak benar-benar terhalang olehnya.

Photo via Google