Teori relativitas berkaitan dengan peristiwa yang diamati dan diukur dari
kerangka acuan inersial, yakni kerangka acuan di mana Hukum Pertama Newton
berlaku. Hukum Pertama Newton tentang gerak menyatakan bahwa sebuah benda akan
diam atau bergerak dengan kecepatan tetap jika resultan gaya yang bekerja pada
benda tersebut sama dengan nol. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa kerangka
acuan inersial adalah kerangka acuan diam atau bergerak dengan kecepatan tetap
relatif terhadap suatu kerangka acuan lainnya.
Untuk memahami teori relativitas Newton, perhatikan Gambar 8.1. Dua
buah mobil sedang bergerak searah pada garis lurus yang sama masing-masing
dengan kecepatan v dan v2 relatif terhadap titik A di tanah
(kerangka acuan diam). Berapakah kecepatan mobil kedua relatif terhadap mobil
pertama (v21)? Pertanyaan ini mengandung makna bahwa mobil pertama
dijadikan kerangka acuan juga, tetapi bergerak. Misalnya, pada t
= 0 kedua mobil berada di A. Kemudian, pada saat t
jarak yang ditempuh kedua mobil masing-masing s1 = v1 t
dan s2 = v2t.
Jarak mobil kedua terhadap mobil pertama adalah s21 = s2
- s1 = (v2 – v1)t.
Gambar 8.1
Dengan demikian, kecepatan mobil kedua relatif terhadap mobil pertama
adalah
............ Persamaan (8-1)
Persamaan
(8-1)dikenal dengan
penjumlahan kecepatan menurut teori Relativitas Newton.
Dari Persamaan
(8-1), jika kecepatan mobil kedua (v2) berubah
terhadap waktu, sedangkan kecepatan mobil pertama (v1 ) tetap, percepatan mobil kedua terhadap mobil pertama adalah
.......... Persamaan (8-2)
Persamaan (8-2) menunjukkan bahwa percepatan mobil kedua relatif terhadap mobil
pertama sama dengan percepatan mobil kedua terhadap titik A. Oleh karena titik
A merupakan kerangka acuan diam dan mobil pertama merupakan kerangka acuan
bergerak dengan kecepatan tetap, dapat dikatakan bahwa percepatan benda pada kerangka
acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap sama dengan percepatan benda pada
kerangka acuan diam.
Selanjutnya, dari Persamaan
(8-2) diperoleh m a21 = m a2
atau F21
= Fr Hal ini menunjukkan bahwa gaya yang bekerja pada
benda dalam kerangka acuan bergerak dengan kecepatan tetap (F21) sama dengan gaya yang bekerja
pada benda dalam kerangka acuan diam (F2). Dengan kata lain,
hukum-hukum Newton berlaku sama pada kerangka acuan inersial. Dengan cara yang
sama, persamaan-persamaan Fisika lainnya dapat dibuktikan memenuhi prinsip
relativitas. Keadaan seperti ini disebut relativitas Newton.
Samanya hukum-hukum mekanika pada semua kerangka inersial menunjukkan bahwa
tidak ada satu pun kerangka inersial yang khusus.
Dapat disimpulkan bahwa semua kerangka inersial adalah sama untuk semua
fenomena mekanik. Tidak ada satu pun kerangka inersial yang lebih baik dari
kerangka inersial lainnya. Ketika Anda katakan sebuah mobil bergerak relatif terhadap
pohon di pinggir jalan, tidak ada bedanya apabila Anda katakan pohon di pinggir
jalan bergerak relatif terhadap mobil. Mana yang bergerak dan
mana yang diam menjadi relatif. Tidak ada kerangka acuan yang diam mutlak,
semuanya relatif.
Akan tetapi, permasalahan muncul ketika ditemukan bahwa cahaya adalah
gelombang elektromagnetik. Maxwell memprediksi dengan tepat kelajuan cahaya di ruang hampa sama dengan
kelajuan cahaya yang terukur oleh Hertz delapan tahun setelah kematian Maxwell, yakni c
= 3 x 108 m/s. Pertanyaannya adalah, terhadap kerangka acuan apakah
kecepatan cahaya ini diukur? Penerapan teori relativitas Newton akan memberikan kesimpulan bahwa
kelajuan cahaya berbeda pada kerangka acuan yang satu dan kerangka acuan
lainnya. Sebagai contoh, kelajuan cahaya relatif terhadap pengamat yang
bergerak dengan kelajuan 0,5c searah gerak cahaya adalah c -
0,5c = 0,5c. Tetapi, persamaan Maxwell tidak dapat dibuktikan memenuhi teori relativitas. Kelajuan cahaya haruslah
tetap c. Hal ini mengindikasikan bahwa ada kerangka acuan yang khusus berlaku
untuk cahaya.