Dikatakan bahwa pencerahan datang ke Albert Einstein dalam sekejap. Ilmuwan tersebut diduga sedang mengendarai trem di Bern (Swiss), melihat ke jam jalan dan tiba-tiba menyadari bahwa jika trem sekarang melaju ke kecepatan cahaya, maka dalam persepsinya, jam ini akan berhenti - dan tidak akan ada waktu lagi. Hal ini membawanya untuk merumuskan salah satu postulat utama relativitas - bahwa pengamat yang berbeda memandang realitas secara berbeda, termasuk besaran fundamental seperti jarak dan waktu.
Berbicara secara ilmiah, hari itu, Einstein menyadari bahwa deskripsi peristiwa atau fenomena fisik bergantung pada kerangka acuan di mana pengamat berada (lihat efek Coriolis). Jika seorang penumpang trem, misalnya, menjatuhkan kacamata, maka kacamata akan jatuh secara vertikal ke bawah, dan bagi pejalan kaki yang berdiri di jalan, kacamata akan jatuh dalam bentuk parabola, karena trem bergerak sementara kacamata jatuh. Masing-masing memiliki kerangka acuannya sendiri.
Tetapi meskipun deskripsi peristiwa berubah selama transisi dari satu kerangka acuan ke kerangka acuan lainnya, ada juga hal-hal universal yang tetap tidak berubah. Jika, alih-alih menjelaskan jatuhnya kacamata, kita mengajukan pertanyaan tentang hukum alam yang menyebabkannya jatuh, maka jawabannya akan sama untuk pengamat dalam sistem koordinat tetap, dan untuk pengamat dalam sistem koordinat bergerak. Hukum lalu lintas terdistribusi sama-sama berlaku di jalan dan di trem. Dengan kata lain, sementara deskripsi peristiwa bergantung pada pengamat, hukum alam tidak bergantung padanya, artinya, seperti yang mereka katakan dalam bahasa ilmiah, mereka tidak berubah. Ini adalah prinsip relativitas.
Seperti hipotesis lainnya, prinsip relativitas harus diuji dengan menghubungkannya dengan fenomena alam yang nyata. Dari prinsip relativitas, Einstein menurunkan dua teori terpisah (meskipun terkait). Teori relativitas khusus, atau partikular, berasal dari asumsi bahwa hukum alam adalah sama untuk semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan konstan. Relativitas umum memperluas prinsip ini ke kerangka acuan mana pun, termasuk kerangka acuan yang bergerak dengan percepatan. Teori relativitas khusus diterbitkan pada tahun 1905, dan yang lebih kompleks dari sudut pandang peralatan matematika, teori relativitas umum diselesaikan oleh Einstein pada tahun 1916.
Teori relativitas khusus
Sebagian besar gagasan intuitif yang paradoks dan kontradiktif tentang dunia efek yang muncul saat bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya diprediksi oleh teori relativitas khusus. Yang paling terkenal di antaranya adalah efek memperlambat waktu, atau efek memperlambat waktu. Sebuah jam bergerak relatif terhadap pengamat berjalan lebih lambat baginya daripada jam yang sama persis di tangannya.
Waktu dalam sistem koordinat yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya direntangkan relatif terhadap pengamat, sedangkan jarak spasial (panjang) benda di sepanjang sumbu arah gerak, sebaliknya, dikompresi. Efek ini, yang dikenal sebagai kontraksi Lorentz-Fitzgerald, dijelaskan pada tahun 1889 oleh fisikawan Irlandia George Fitzgerald (1851-1901) dan diselesaikan pada tahun 1892 oleh orang Belanda Hendrick Lorentz (1853-1928). Singkatan Lorentz-Fitzgerald menjelaskan mengapa percobaan Michelson-Morley untuk menentukan kecepatan gerak bumi di luar angkasa dengan mengukur "angin eter" memberikan hasil negatif. Kemudian, Einstein memasukkan persamaan ini dalam relativitas khusus dan melengkapinya dengan rumus transformasi massa yang serupa,yang menurutnya massa benda juga bertambah seiring kecepatan benda mendekati kecepatan cahaya. Jadi, pada kecepatan 260.000 km / s (87% kecepatan cahaya), massa suatu benda dari sudut pandang pengamat dalam kerangka acuan istirahat akan berlipat ganda.
Video promosi:
Sejak zaman Einstein, semua prediksi ini, betapapun bertentangan dengan akal sehatnya, menemukan konfirmasi eksperimental yang lengkap dan langsung. Dalam salah satu eksperimen yang paling terungkap, para ilmuwan di Universitas Michigan memasang jam atom ultra-presisi di atas pesawat yang melakukan penerbangan transatlantik reguler, dan setelah setiap penerbangan kembali ke bandara asal, mereka memeriksa pembacaan mereka terhadap jam kontrol. Ternyata jam di pesawat perlahan-lahan semakin tertinggal di belakang jam kendali (bisa dikatakan, jika menyangkut sepersekian detik). Selama setengah abad terakhir, para ilmuwan telah meneliti partikel elementer di kompleks perangkat keras besar yang disebut akselerator. Di dalamnya, berkas partikel subatom bermuatan (seperti proton dan elektron) dipercepat hingga mendekati kecepatan cahaya,kemudian mereka ditembakkan ke berbagai sasaran nuklir. Dalam eksperimen pada akselerator semacam itu, perlu untuk memperhitungkan peningkatan massa partikel yang dipercepat - jika tidak, hasil eksperimen tidak akan cocok untuk interpretasi yang masuk akal. Dan dalam pengertian ini, teori relativitas khusus telah lama berpindah dari kategori teori hipotetis ke bidang alat teknik terapan, yang digunakan setara dengan hukum mekanika Newton.
Kembali ke hukum Newton, saya ingin menekankan bahwa teori relativitas khusus, meskipun secara lahiriah bertentangan dengan hukum mekanika Newtonian klasik, pada kenyataannya, secara praktis mereproduksi semua persamaan hukum Newton yang biasa, jika diterapkan untuk menggambarkan benda yang bergerak dengan kecepatan secara signifikan kurang dari kecepatan cahaya. Artinya, teori relativitas khusus tidak membatalkan fisika Newton, tetapi memperluas dan melengkapinya (gagasan ini dibahas lebih rinci dalam Pendahuluan).
Prinsip relativitas juga membantu untuk memahami mengapa kecepatan cahaya, dan bukan yang lain, memainkan peran penting dalam model struktur dunia ini - pertanyaan ini diajukan oleh banyak dari mereka yang pertama kali menemukan teori relativitas. Kecepatan cahaya menonjol dan memainkan peran khusus sebagai konstanta universal, karena ditentukan oleh hukum ilmu alam (lihat persamaan Maxwell). Berdasarkan prinsip relativitas, kecepatan cahaya dalam ruang hampa, c, adalah sama dalam kerangka acuan mana pun. Hal ini tampaknya bertentangan dengan akal sehat, karena ternyata cahaya dari sumber yang bergerak (tidak peduli seberapa cepat ia bergerak) dan dari sumber yang tidak bergerak mencapai pengamat secara bersamaan. Namun, memang begitu.
Karena peran khususnya dalam hukum alam, kecepatan cahaya menjadi pusat relativitas umum.
Teori relativitas umum
Teori relativitas umum telah diterapkan pada semua kerangka acuan (dan tidak hanya pada kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan konstan relatif terhadap satu sama lain) dan secara matematis terlihat jauh lebih rumit daripada kerangka khusus (yang menjelaskan selisih sebelas tahun antara publikasi mereka). Ini termasuk, sebagai kasus khusus, teori relativitas khusus (dan, karenanya, hukum Newton). Selain itu, teori relativitas umum melangkah lebih jauh dari semua pendahulunya. Secara khusus, ini memberikan interpretasi baru tentang gravitasi.
Relativitas umum menjadikan dunia empat dimensi: waktu ditambahkan ke tiga dimensi spasial. Keempat dimensi tersebut tidak dapat dipisahkan, sehingga kita tidak lagi berbicara tentang jarak spasial antara dua objek, seperti yang terjadi di dunia tiga dimensi, tetapi tentang interval ruang-waktu antar peristiwa yang menyatukan jarak mereka satu sama lain - baik dalam waktu maupun di ruang angkasa … Artinya, ruang dan waktu dianggap sebagai kontinum ruang-waktu empat dimensi atau, sederhananya, ruang-waktu. Dalam kontinum ini, pengamat yang bergerak relatif satu sama lain bahkan mungkin tidak setuju tentang apakah dua peristiwa terjadi secara bersamaan - atau yang satu mendahului yang lain. Untungnya bagi pikiran kita yang buruk, masalah ini tidak sampai pada pelanggaran hubungan sebab-akibat - yaitu, adanya sistem koordinat,di mana dua peristiwa tidak terjadi secara bersamaan dan dalam urutan yang berbeda, bahkan teori relativitas umum tidak mengizinkannya.
Hukum gravitasi Newton memberi tahu kita bahwa ada gaya tarik-menarik antara dua benda di alam semesta. Dari sudut pandang ini, Bumi berputar mengelilingi Matahari, karena gaya tarik-menarik bekerja di antara mereka. Relativitas umum, bagaimanapun, memaksa kita untuk melihat fenomena ini secara berbeda. Menurut teori ini, gravitasi adalah konsekuensi dari deformasi ("kelengkungan") jaringan elastis ruang-waktu di bawah pengaruh massa (dalam hal ini, semakin berat suatu benda, misalnya Matahari, semakin banyak ruang-waktu "melengkung" di bawahnya dan, karenanya, semakin kuat gravitasinya. bidang). Bayangkan sebuah kanvas yang direntangkan erat (semacam trampolin) dengan sebuah bola besar di atasnya. Jaring berubah bentuk di bawah berat bola, dan depresi berbentuk corong terbentuk di sekitarnya. Menurut relativitas umum,Bumi berputar mengelilingi Matahari seperti bola kecil yang berputar mengelilingi kerucut dari corong yang terbentuk sebagai hasil "memaksa" ruang-waktu oleh bola yang berat - Matahari. Dan apa yang bagi kita tampaknya gaya gravitasi, pada kenyataannya, adalah manifestasi eksternal murni dari kelengkungan ruang-waktu, dan sama sekali bukan gaya dalam pemahaman Newtonian. Sampai saat ini, tidak ada penjelasan yang lebih baik tentang sifat gravitasi daripada yang diberikan teori relativitas umum kepada kita. Sampai saat ini, tidak ada penjelasan yang lebih baik tentang sifat gravitasi daripada yang diberikan teori relativitas umum kepada kita. Sampai saat ini, tidak ada penjelasan yang lebih baik tentang sifat gravitasi daripada yang diberikan teori relativitas umum kepada kita.
Sulit untuk menguji teori relativitas umum, karena dalam kondisi laboratorium biasa hasilnya hampir sepenuhnya sesuai dengan prediksi hukum gravitasi universal Newton. Namun demikian, beberapa eksperimen penting telah dilakukan, dan hasilnya memungkinkan teori tersebut dipertimbangkan untuk dikonfirmasi. Selain itu, relativitas umum membantu menjelaskan fenomena yang kita amati di ruang angkasa - misalnya, sedikit penyimpangan Merkurius dari orbit stasioner, yang tidak dapat dijelaskan dari sudut pandang mekanika Newtonian klasik, atau kelengkungan radiasi elektromagnetik dari bintang-bintang yang jauh saat melintas di dekat Matahari.
Faktanya, hasil yang diprediksikan oleh relativitas umum sangat berbeda dari hasil yang diprediksi oleh hukum Newton hanya dengan adanya medan gravitasi yang sangat kuat. Ini berarti bahwa untuk pengujian penuh teori relativitas umum, diperlukan pengukuran ultra-presisi dari objek yang sangat masif atau lubang hitam, yang tidak dapat diterapkan oleh ide intuitif biasa kita. Jadi pengembangan metode eksperimental baru untuk menguji teori relativitas tetap menjadi salah satu tugas terpenting fisika eksperimental.
