Dikatakan bahawa pencerahan itu datang kepada Albert Einstein dalam sekelip mata. Saintis itu didakwa sedang menaiki trem di Bern (Switzerland), melihat jam jalan dan tiba-tiba menyedari bahawa jika tram sekarang memecut dengan laju cahaya, maka pada persepsi, jam ini akan berhenti - dan tidak akan ada waktu lagi. Ini mendorongnya untuk merumuskan salah satu postulat relativiti pusat - bahawa pemerhati yang berbeza melihat realiti secara berbeza, termasuk jumlah mendasar seperti jarak dan waktu.
Secara ilmiah, pada hari itu, Einstein menyedari bahawa gambaran mengenai sebarang kejadian atau fenomena fizikal bergantung pada kerangka rujukan di mana pemerhati berada (lihat kesan Coriolis). Sekiranya penumpang di tram, misalnya, menjatuhkan cermin mata, maka bagi mereka mereka akan jatuh secara menegak ke bawah, dan bagi pejalan kaki yang berdiri di jalan, cermin mata akan jatuh di parabola, ketika tram bergerak ketika cermin mata jatuh. Masing-masing mempunyai kerangka rujukan tersendiri.
Tetapi walaupun perihalan peristiwa berubah semasa peralihan dari satu kerangka acuan ke kerangka yang lain, ada juga hal-hal universal yang tidak berubah. Sekiranya, alih-alih menggambarkan kejatuhan cermin mata, kami mengajukan pertanyaan mengenai hukum alam yang menyebabkannya jatuh, maka jawapannya akan sama untuk pemerhati dalam sistem koordinat tetap dan untuk pemerhati dalam sistem koordinat bergerak. Hukum lalu lintas yang diedarkan sama berlaku di jalan dan di trem. Dengan kata lain, sementara perihalan peristiwa bergantung pada pemerhati, hukum alam tidak bergantung kepadanya, yakni, seperti yang mereka katakan dalam bahasa ilmiah, mereka tidak berubah. Ini adalah prinsip relativiti.
Seperti hipotesis apa pun, prinsip relativiti harus diuji dengan menghubungkannya dengan fenomena semula jadi yang sebenarnya. Dari prinsip relativiti, Einstein memperoleh dua teori yang terpisah (walaupun berkaitan). Teori relativiti khas, atau khusus, bermula dari anggapan bahawa undang-undang alam adalah sama untuk semua kerangka acuan yang bergerak pada kelajuan yang tetap. Relativiti umum meluaskan prinsip ini ke kerangka acuan, termasuk yang bergerak dengan pecutan. Teori relativiti khas diterbitkan pada tahun 1905, dan yang lebih kompleks dari sudut pandang alat matematik, teori relativiti umum diselesaikan oleh Einstein pada tahun 1916.
Teori relativiti khas
Sebilangan besar idea intuitif yang bertentangan dan bertentangan mengenai dunia kesan yang timbul ketika bergerak dengan kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya diramalkan oleh teori relativiti khas. Yang paling terkenal adalah kesan memperlahankan jam, atau kesan melambatkan masa. Jam yang bergerak relatif dengan pemerhati berjalan lebih perlahan untuknya daripada jam yang sama di tangannya.
Waktu dalam sistem koordinat bergerak dengan kelajuan mendekati kecepatan cahaya diregangkan berbanding dengan pemerhati, sementara jarak (panjang) objek sepanjang paksi arah gerakan, sebaliknya, dimampatkan. Kesan ini, yang dikenali sebagai pengecutan Lorentz-Fitzgerald, dijelaskan pada tahun 1889 oleh ahli fizik Ireland George Fitzgerald (1851-1901) dan ditambah pada tahun 1892 oleh orang Belanda Hendrick Lorentz (1853-1928). Singkatan Lorentz-Fitzgerald menjelaskan mengapa eksperimen Michelson-Morley untuk menentukan kelajuan pergerakan Bumi di angkasa lepas dengan mengukur "angin eter" memberikan hasil yang negatif. Kemudian, Einstein memasukkan persamaan ini dalam relativiti khas dan menambahkannya dengan formula transformasi yang serupa untuk jisim,mengikut mana jisim badan juga meningkat seiring dengan kepantasan badan menghampiri kelajuan cahaya. Jadi, pada kelajuan 260,000 km / s (87% kelajuan cahaya), jisim objek dari sudut pandang seorang pemerhati dalam kerangka rujukan rehat akan berlipat ganda.
Video promosi:
Sejak zaman Einstein, semua ramalan ini, tidak kira seberapa bertentangan dengan akal sehat mereka, dapati pengesahan eksperimen lengkap dan langsung. Dalam salah satu eksperimen yang paling mendedahkan, para saintis di University of Michigan meletakkan jam atom ultra-tepat di atas kapal terbang yang melakukan penerbangan transatlantik biasa, dan setelah setiap penerbangan kembali ke lapangan terbang asal, mereka memeriksa pembacaan mereka terhadap jam kawalan. Ternyata jam di pesawat secara beransur-ansur ketinggalan di belakang alat kawalan semakin banyak (begitu pula, jika berlaku pecahan sesaat). Selama setengah abad yang lalu, para saintis telah meneliti zarah asas di kompleks perkakasan besar yang disebut pemecut. Di dalamnya, pancaran zarah subatomik bermuatan (seperti proton dan elektron) dipercepat hingga mendekati kelajuan cahaya,maka mereka ditembakkan ke pelbagai sasaran nuklear. Dalam eksperimen seperti itu pada pemecut, perlu mengambil kira peningkatan jisim zarah pecutan - jika tidak, hasil eksperimen tidak akan memberikan tafsiran yang wajar. Dan dalam pengertian ini, teori relativiti khas telah lama berlalu dari kategori teori hipotesis ke bidang alat kejuruteraan gunaan, di mana ia digunakan setara dengan undang-undang mekanik Newton.
Kembali ke undang-undang Newton, saya ingin menekankan bahawa teori relativiti khas, walaupun secara luarannya bertentangan dengan undang-undang mekanik Newtonian klasik, pada kenyataannya, secara praktikal menghasilkan semula semua persamaan biasa undang-undang Newton, jika diterapkan untuk menggambarkan badan yang bergerak dengan kecepatan secara signifikan kurang daripada kelajuan cahaya. Artinya, teori relativiti khas tidak membatalkan fizik Newton, tetapi memperluas dan melengkapkannya (idea ini dibincangkan dengan lebih terperinci dalam Pengenalan).
Prinsip relativiti juga membantu memahami mengapa kepantasan cahaya, dan bukan yang lain, memainkan peranan penting dalam model struktur dunia ini - persoalan ini diajukan oleh banyak orang yang pertama kali menemui teori relativiti. Kelajuan cahaya menonjol dan memainkan peranan khas sebagai pemalar sejagat, kerana ditentukan oleh undang-undang sains semula jadi (lihat persamaan Maxwell). Berdasarkan prinsip relativiti, kecepatan cahaya dalam vakum, c, adalah sama dalam kerangka acuan mana pun. Ini nampaknya bertentangan dengan akal sehat, kerana ternyata cahaya dari sumber bergerak (tidak kira seberapa cepat ia bergerak) dan dari sumber pegun mencapai pemerhati secara serentak. Bagaimanapun, ini betul.
Oleh kerana peranan khasnya dalam undang-undang alam, kelajuan cahaya merupakan pusat relativiti umum.
Teori relativiti am
Teori relativiti umum sudah diterapkan pada semua kerangka rujukan (dan tidak hanya pada mereka yang bergerak dengan kecepatan tetap antara satu sama lain) dan kelihatan secara matematis jauh lebih rumit daripada yang khusus (yang menjelaskan jurang sebelas tahun antara penerbitan mereka). Ini merangkumi, sebagai kes khas, teori relativiti khas (dan, oleh itu, undang-undang Newton). Lebih-lebih lagi, teori relativiti umum jauh lebih jauh daripada semua pendahulunya. Khususnya, ia memberikan tafsiran graviti baru.
Relativiti umum menjadikan dunia empat dimensi: masa ditambahkan ke tiga dimensi ruang. Keempat-empat dimensi tidak dapat dipisahkan, jadi kami tidak lagi membicarakan jarak spasial antara dua objek, seperti yang terjadi di dunia tiga dimensi, tetapi mengenai selang ruang-waktu antara peristiwa yang menyatukan jarak antara satu sama lain - baik dalam waktu dan di ruang … Maksudnya, ruang dan waktu dianggap sebagai kontinum ruang-waktu empat dimensi atau, hanya, ruang-waktu. Dalam kesinambungan ini, pemerhati yang bergerak secara relatif antara satu sama lain bahkan mungkin tidak setuju sama ada dua peristiwa berlaku secara serentak - atau satu mendahului yang lain. Nasib baik untuk akal fikiran kita yang lemah, perkara itu tidak menimbulkan pelanggaran hubungan sebab-akibat - iaitu adanya sistem koordinat,di mana dua peristiwa tidak berlaku secara serentak dan dalam urutan yang berbeza, bahkan teori relativiti umum tidak membenarkan.
Hukum graviti Newton memberitahu kita bahawa terdapat daya tarikan bersama antara dua badan di alam semesta ini. Dari sudut pandang ini, Bumi berputar mengelilingi Matahari, kerana daya tarikan bersama bertindak di antara mereka. Relativiti umum, bagaimanapun, memaksa kita untuk melihat fenomena ini secara berbeza. Menurut teori ini, graviti adalah akibat daripada ubah bentuk (kelengkungan ") tisu elastik ruang-waktu di bawah pengaruh jisim (dalam kes ini, semakin berat badan, misalnya, Matahari, semakin banyak ruang-waktu" membengkokkan "di bawahnya dan, dengan itu, semakin kuat gravitinya bidang). Bayangkan kanvas diregangkan dengan ketat (sejenis trampolin) dengan bola besar di atasnya. Jaringan berubah bentuk di bawah berat bola, dan kemurungan berbentuk corong terbentuk di sekelilingnya. Menurut relativiti umum,Bumi berputar mengelilingi Matahari seperti bola kecil yang diatur untuk mengelilingi kerucut corong yang terbentuk akibat "memaksa" ruang-waktu oleh bola berat - Matahari. Dan yang tampaknya bagi kita adalah kekuatan graviti, sebenarnya, adalah manifestasi luaran semata-mata kelengkungan ruang-waktu, dan sama sekali bukan kekuatan dalam pemahaman Newton. Sehingga kini, tidak ada penjelasan yang lebih baik mengenai sifat graviti daripada teori relativiti umum yang dijumpai. Sehingga kini, tidak ada penjelasan yang lebih baik mengenai sifat graviti daripada teori relativiti umum yang dijumpai. Sehingga kini, tidak ada penjelasan yang lebih baik mengenai sifat graviti daripada teori relativiti umum yang dijumpai.
Sukar untuk menguji teori relativiti umum, kerana dalam keadaan makmal biasa hasilnya hampir sama dengan apa yang diramalkan oleh undang-undang gravitasi universal Newton. Walaupun begitu, beberapa eksperimen penting telah dilakukan, dan hasilnya memungkinkan teori tersebut dianggap dapat disahkan. Sebagai tambahan, relativiti umum membantu menjelaskan fenomena yang kita amati di angkasa - contohnya, sedikit penyimpangan Merkuri dari orbit pegun, yang tidak dapat dijelaskan dari sudut pandang mekanik Newtonian klasik, atau kelengkungan radiasi elektromagnetik dari bintang jauh ketika ia berlalu dekat dengan Matahari.
Sebenarnya, hasil yang diramalkan oleh relativiti umum berbeza dengan hasil yang diramalkan oleh undang-undang Newton hanya dengan adanya medan graviti yang sangat kuat. Ini bermaksud bahawa untuk ujian lengkap teori relativiti umum, diperlukan pengukuran ultra-tepat objek yang sangat besar, atau lubang hitam, yang mana idea intuitif biasa kita tidak dapat digunakan. Oleh itu, pengembangan kaedah eksperimen baru untuk menguji teori relativiti tetap menjadi salah satu tugas terpenting dalam fizik eksperimen.
