Teori relativitas khusus, yang pada awal abad terakhir menjungkirbalikkan gagasan yang diterima secara umum tentang dunia, masih terus menggairahkan pikiran dan hati orang. Hari ini kita akan mencoba mencari tahu bersama apa itu.
Pada tahun 1905, Albert Einstein menerbitkan Teori Relativitas Khusus (SRT), yang menjelaskan bagaimana menafsirkan gerakan antara kerangka acuan inersia yang berbeda - sederhananya, benda-benda yang bergerak dengan kecepatan konstan dalam hubungannya satu sama lain.
Einstein menjelaskan bahwa ketika dua benda bergerak dengan kecepatan konstan, seseorang harus mempertimbangkan gerakan mereka relatif satu sama lain, alih-alih menerima salah satunya sebagai kerangka acuan absolut.
Jadi, jika dua astronot, Anda dan, katakanlah, Herman, terbang dengan dua pesawat ruang angkasa dan ingin membandingkan pengamatan Anda, satu-satunya hal yang perlu Anda ketahui adalah kecepatan Anda relatif terhadap satu sama lain.
Teori relativitas khusus mempertimbangkan hanya satu kasus khusus (karena itu namanya), ketika gerakannya bujursangkar dan seragam. Jika badan material dipercepat atau berbelok ke samping, hukum SRT tidak berlaku lagi. Kemudian teori relativitas umum (GTR) mulai berlaku, yang menjelaskan pergerakan benda-benda material dalam kasus umum.
Teori Einstein didasarkan pada dua prinsip dasar:
1. Prinsip relativitas: hukum fisika dipertahankan bahkan untuk benda yang merupakan kerangka acuan inersia, yaitu, bergerak dengan kecepatan konstan relatif satu sama lain.
2. Prinsip kecepatan cahaya: kecepatan cahaya tetap tidak berubah untuk semua pengamat, terlepas dari kecepatan mereka dalam kaitannya dengan sumber cahaya. (Fisikawan menggunakan huruf c untuk kecepatan cahaya.)
Salah satu alasan keberhasilan Albert Einstein adalah karena ia menempatkan data eksperimen di atas data teoritis. Ketika sejumlah percobaan mengungkapkan hasil yang bertentangan dengan teori yang diterima secara umum, banyak fisikawan memutuskan bahwa percobaan ini salah.
Albert Einstein adalah salah satu orang pertama yang memutuskan untuk membangun teori baru berdasarkan data eksperimen baru.
Pada akhir abad ke-19, fisikawan sedang mencari eter misterius - media di mana, menurut asumsi yang diterima secara umum, gelombang cahaya harus merambat, seperti gelombang akustik, yang membutuhkan udara untuk merambat, atau media lain - padat, cair atau gas. Keyakinan akan keberadaan eter mengarah pada keyakinan bahwa kecepatan cahaya harus berubah tergantung pada kecepatan pengamat dalam kaitannya dengan eter.
Albert Einstein meninggalkan konsep eter dan menyarankan bahwa semua hukum fisika, termasuk kecepatan cahaya, tetap tidak berubah terlepas dari kecepatan pengamat - seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen.
Keseragaman ruang dan waktu
Teori Relativitas Khusus Einstein mendalilkan hubungan mendasar antara ruang dan waktu. Alam Semesta Material, seperti yang Anda ketahui, memiliki tiga dimensi ruang: atas dan bawah, kanan dan kiri, dan maju dan mundur. Satu dimensi lagi ditambahkan ke dalamnya - dimensi temporal. Bersama-sama, keempat dimensi ini membentuk kontinum ruang-waktu.
Jika Anda bergerak dengan kecepatan tinggi, pengamatan Anda dalam kaitannya dengan ruang dan waktu akan berbeda dari pengamatan orang lain yang bergerak dengan kecepatan lebih lambat.
Gambar di bawah menunjukkan eksperimen pikiran untuk membantu Anda memahami gagasan ini. Bayangkan Anda berada di pesawat ruang angkasa, Anda memiliki laser di tangan Anda, yang dengannya Anda mengirim berkas cahaya ke langit-langit tempat cermin dipasang. Cahaya, yang dipantulkan, jatuh pada detektor, yang mencatatnya.
Katakanlah kapal Anda bergerak dengan kecepatan konstan sama dengan setengah kecepatan cahaya (0,5c). Menurut SRT Einstein, tidak masalah bagi Anda, Anda bahkan tidak memperhatikan gerakan Anda.
Namun, Herman, yang melihat Anda dari kapal luar angkasa yang sedang beristirahat, akan melihat gambaran yang sama sekali berbeda. Dari sudut pandangnya, berkas cahaya akan berjalan secara diagonal ke cermin di langit-langit, memantul darinya dan jatuh secara diagonal ke detektor.
Dengan kata lain, lintasan berkas cahaya akan terlihat berbeda untuk Anda dan Herman, dan panjangnya akan berbeda. Oleh karena itu, lama waktu yang diperlukan sinar laser untuk menempuh jarak ke cermin dan ke detektor akan tampak berbeda bagi Anda.
Fenomena ini disebut pelebaran waktu: waktu di kapal luar angkasa yang bergerak dengan kecepatan tinggi, dari sudut pandang pengamat di Bumi, mengalir jauh lebih lambat.
Contoh ini, seperti banyak contoh lainnya, dengan jelas menunjukkan hubungan yang tak terpisahkan antara ruang dan waktu. Hubungan ini dengan jelas dimanifestasikan bagi pengamat hanya dalam hal kecepatan tinggi, mendekati kecepatan cahaya.
Eksperimen sejak Einstein menerbitkan teori besarnya telah mengkonfirmasi bahwa ruang dan waktu sebenarnya dipersepsikan secara berbeda tergantung pada kecepatan pergerakan objek.
Menggabungkan massa dan energi
Dalam artikelnya yang terkenal yang diterbitkan pada tahun 1905, Einstein menggabungkan massa dan energi dalam rumus sederhana yang telah diketahui setiap siswa sejak: E = mc^2.
Menurut teori fisikawan besar, ketika kecepatan benda material meningkat, mendekati kecepatan cahaya, massanya juga meningkat. Itu. semakin cepat benda bergerak, semakin berat benda tersebut. Dalam hal mencapai kecepatan cahaya, massa tubuh, serta energinya, menjadi tak terbatas. Semakin berat tubuh, semakin sulit untuk meningkatkan kecepatannya; untuk mempercepat benda bermassa tak terhingga, diperlukan energi dalam jumlah tak terhingga, oleh karena itu mustahil bagi benda-benda material untuk mencapai kecepatan cahaya.
Sebelum Einstein, konsep massa dan energi dalam fisika dianggap terpisah. Ilmuwan brilian membuktikan bahwa hukum kekekalan massa, seperti hukum kekekalan energi, adalah bagian dari hukum massa-energi yang lebih umum.
Karena hubungan mendasar antara kedua konsep ini, materi dapat diubah menjadi energi, dan sebaliknya - energi menjadi materi.