Fisikawan revolusioner menggunakan imajinasinya, bukan matematika yang rumit, untuk menghasilkan persamaannya yang paling terkenal dan elegan. Teori relativitas umum Einstein dikenal untuk memprediksi fenomena aneh namun nyata, seperti memperlambat penuaan astronot di luar angkasa dibandingkan dengan manusia di Bumi dan mengubah bentuk benda padat dengan kecepatan tinggi.
Tetapi yang menarik adalah jika Anda mengambil salinan makalah asli Einstein tahun 1905 tentang relativitas, itu cukup mudah untuk dilihat. Teksnya sederhana dan lugas, dan sebagian besar persamaannya adalah aljabar - siswa sekolah menengah mana pun dapat memahaminya.
Ini karena matematika kompleks tidak pernah menjadi kuda hobi Einstein. Dia suka berpikir secara kiasan, bereksperimen dalam imajinasinya dan mengkonseptualisasikannya sampai ide dan prinsip fisik menjadi sangat jelas.
Di sinilah eksperimen pemikiran Einstein dimulai ketika dia baru berusia 16 tahun, dan bagaimana eksperimen itu akhirnya membawanya ke persamaan paling revolusioner dalam fisika modern.
1895: berlari di samping seberkas cahaya
Pada titik ini dalam kehidupan Einstein, penghinaannya yang tidak tersamar terhadap akar Jerman, metode pengajaran otoriter di Jerman telah memainkan peran dan dia dikeluarkan dari sekolah menengah, jadi dia pindah ke Zurich dengan harapan dapat mendaftar di Institut Teknologi Federal Swiss (ETH).
Tapi pertama-tama, Einstein memutuskan untuk menghabiskan satu tahun mempersiapkan diri di sebuah sekolah di kota terdekat Aarau. Pada titik ini, dia segera menemukan dirinya bertanya-tanya bagaimana rasanya berlari di samping seberkas cahaya.
Video promosi:
Einstein telah mempelajari di kelas fisika apa itu sinar cahaya: sekumpulan medan magnet dan listrik yang bergetar yang bergerak dengan kecepatan 300.000 kilometer per detik, kecepatan cahaya yang diukur. Jika dia berlari dengan kecepatan ini, Einstein menyadari, dia bisa melihat banyak medan listrik dan magnet yang bergetar di dekatnya, seolah membeku di luar angkasa.
Tapi itu tidak mungkin. Pertama, medan diam akan melanggar persamaan Maxwell, hukum matematika yang menetapkan semua yang diketahui fisikawan tentang listrik, magnetisme, dan cahaya. Hukum-hukum ini dulu (dan masih) cukup ketat: setiap gelombang di medan ini harus bergerak dengan kecepatan cahaya dan tidak bisa diam, tanpa pengecualian.
Lebih buruk lagi, bidang stasioner tidak sesuai dengan prinsip relativitas, yang telah dikenal fisikawan sejak zaman Galileo dan Newton pada abad ke-17. Pada dasarnya, prinsip relativitas mengatakan bahwa hukum fisika tidak dapat bergantung pada seberapa cepat Anda bergerak: Anda hanya dapat mengukur kecepatan satu objek relatif terhadap yang lain.
Tetapi ketika Einstein menerapkan prinsip ini pada eksperimen pemikirannya, sebuah kontradiksi muncul: relativitas menyatakan bahwa segala sesuatu yang dapat dia lihat bergerak di samping seberkas cahaya, termasuk bidang diam, pasti sesuatu yang biasa yang dapat dibuat oleh fisikawan di laboratorium. Tapi tidak ada yang pernah melihat ini.
Masalah ini akan mengkhawatirkan Einstein selama 10 tahun lagi, selama masa studinya dan pekerjaannya di ETH dan perjalanannya ke ibu kota Swiss, Bern, di mana dia akan menjadi penguji di kantor paten Swiss. Di sanalah dia akan menyelesaikan paradoks untuk selamanya.
1904: mengukur cahaya dari kereta yang bergerak
Itu tidak mudah. Einstein mencoba setiap solusi yang muncul di benaknya, tetapi tidak ada yang berhasil. Hampir putus asa, dia mulai merenungkan, tetapi solusi yang sederhana namun radikal. Persamaan Maxwell mungkin bisa digunakan untuk semua hal, pikirnya, tapi kecepatan cahaya selalu konstan.
Dengan kata lain, ketika Anda melihat seberkas cahaya lewat, tidak masalah jika sumbernya bergerak ke arah Anda, menjauh dari Anda, ke samping atau ke tempat lain, dan tidak peduli seberapa cepat sumbernya bergerak. Kecepatan cahaya yang Anda ukur akan selalu 300.000 kilometer per detik. Antara lain, ini berarti bahwa Einstein tidak akan pernah melihat medan berosilasi yang tidak bergerak, karena dia tidak akan pernah bisa menangkap seberkas cahaya.
Ini adalah satu-satunya cara Einstein mempertemukan persamaan Maxwell dengan prinsip relativitas. Namun, pada pandangan pertama, keputusan ini memiliki cacat fatal tersendiri. Dia kemudian menjelaskannya dengan eksperimen pemikiran lain: Bayangkan sebuah balok diluncurkan di sepanjang tanggul rel kereta api sementara sebuah kereta api lewat ke arah yang sama, katakanlah, 3.000 kilometer per detik.
Seseorang yang berdiri di dekat tanggul harus mengukur kecepatan berkas cahaya dan mendapatkan angka standar 300.000 kilometer per detik. Tapi seseorang di kereta akan melihat cahaya bergerak dengan kecepatan 297.000 kilometer per detik. Jika kecepatan cahaya tidak konstan, persamaan Maxwell di dalam mobil akan terlihat berbeda, simpul Einstein, dan prinsip relativitas akan dilanggar.
Kontradiksi yang nyata ini membuat Einstein berhenti selama hampir setahun. Tetapi kemudian, pada suatu pagi yang cerah di bulan Mei 1905, dia berjalan untuk bekerja dengan sahabatnya Michel Besso, seorang insinyur yang dia kenal sejak masa kuliahnya di Zurich. Kedua pria itu membicarakan dilema Einstein, seperti yang selalu mereka lakukan. Dan tiba-tiba Einstein melihat solusi. Dia mengerjakannya sepanjang malam, dan ketika mereka bertemu keesokan paginya, Einstein memberi tahu Besso, “Terima kasih. Saya benar-benar memecahkan masalah."
Mei 1905: Petir menyambar kereta yang bergerak
Pengungkapan Einstein adalah bahwa pengamat dalam gerakan relatif melihat waktu dengan cara yang berbeda: sangat mungkin bahwa dua peristiwa akan terjadi secara bersamaan dari sudut pandang satu pengamat, tetapi pada waktu yang berbeda dari sudut pandang yang lain. Dan kedua pengamat itu benar.
Einstein kemudian mengilustrasikan maksudnya dengan eksperimen pikiran lainnya. Bayangkan seorang pengamat berdiri lagi di samping rel kereta api dan sebuah kereta api melewatinya. Saat titik pusat kereta dilewati oleh pengamat, petir menyambar di setiap ujung kereta. Karena petir menyambar pada jarak yang sama dari pengamat, cahaya mereka mengenai matanya pada saat yang bersamaan. Dapat dikatakan bahwa petir menyambar pada saat yang bersamaan.
Sementara itu, ada pengamat lain yang duduk persis di tengah kereta. Dari sudut pandangnya, cahaya dari dua sambaran petir menempuh jarak yang sama dan kecepatan cahaya akan sama ke segala arah. Namun karena kereta melaju, cahaya yang berasal dari petir belakang harus menempuh jarak yang lebih jauh, sehingga mengenai pengamat beberapa saat kemudian daripada cahaya dari awal. Karena pulsa cahaya tiba pada waktu yang berbeda, dapat disimpulkan bahwa sambaran petir tidak terjadi secara bersamaan - satu lebih cepat.
Einstein menyadari bahwa keserempakan inilah yang relatif. Dan begitu Anda mengakui itu, efek aneh yang sekarang kita kaitkan dengan relativitas diselesaikan dengan aljabar sederhana.
Einstein dengan panik menuliskan pemikirannya dan menyerahkan karyanya untuk dipublikasikan. Judulnya adalah "Tentang elektrodinamika benda bergerak", dan ini mencerminkan upaya Einstein untuk menghubungkan persamaan Maxwell dengan prinsip relativitas. Terima kasih khusus untuk Besso.
September 1905: massa dan energi
Namun, karya pertama ini tidak menjadi yang terakhir. Einstein terobsesi dengan relativitas hingga musim panas 1905, dan pada bulan September ia mengirim artikel kedua untuk diterbitkan, setelah melihat ke belakang.
Itu didasarkan pada eksperimen pikiran lain. Bayangkan sebuah benda diam, katanya. Sekarang bayangkan bahwa dia secara bersamaan memancarkan dua gelombang cahaya yang identik ke arah yang berlawanan. Objek akan tetap di tempatnya, tetapi karena setiap pulsa membawa sejumlah energi tertentu, energi yang terkandung di dalam objek akan berkurang.
Sekarang, tulis Einstein, seperti apa proses ini bagi pengamat bergerak? Dari sudut pandangnya, objek akan terus bergerak dalam garis lurus, sedangkan dua impuls akan terbang menjauh. Tetapi bahkan jika kecepatan kedua impuls tetap sama - kecepatan cahaya - energinya akan berbeda. Dorongan yang bergerak maju ke arah perjalanan akan memiliki energi yang lebih tinggi daripada yang bergerak ke arah yang berlawanan.
Dengan sedikit aljabar, Einstein menunjukkan bahwa agar semua ini konsisten, sebuah benda tidak hanya harus kehilangan energi saat mengirimkan pulsa cahaya, tetapi juga massa. Atau massa dan energi harus dapat dipertukarkan. Einstein menuliskan persamaan yang menghubungkan mereka. Dan itu menjadi persamaan paling terkenal dalam sejarah sains: E = mc2.
ILYA KHEL
