Teori Relativitas Khusus Einstein

    Pada tahun 1905, Albert Einstein menerbitkan teori relativitas khusus, yang menjelaskan bagaimana menafsirkan gerak pada kerangka acuan inersia yang berbeda – yaitu, tempat-tempat yang bergerak dengan kecepatan konstan relatif satu sama lain.

Einstein menjelaskan bahwa ketika dua benda yang bergerak dengan kecepatan konstan sebagai gerakan relatif antara dua benda, bukannya menarik bagi eter sebagai kerangka acuan mutlak untuk mendefiniskan apa yang sedang terjadi. Jika Anda dan beberapa astronot, Amber, yang bergerak dalam pesawat ruang angkasa yang berbeda dan ingin membandingkan pengamatan Anda, yang penting adalah seberapa cepat Anda dan Amber bergerak terhadap satu sama lain.

(atas) Anda melihat seberkas cahaya naik, memantul dari cermin, dan datang langsung ke bawah. (Bawah) Amber melihat perjalanan sinar sepanjang jalan diagonal.

Relativitas khusus hanya mencakup kasus khusus di mana gerak menjadi seragam. Gerakan ini menjelaskan hanya jika Anda bergerak dalam garis lurus dengan kecepatan konstan. Segera setelah Anda mempercepat atau melengkung – atau melakukan sesuatu yang mengubah sifat gerak dengan cara apapun – relativitas khusus dihentikan penggunaanya. Di situlah teori relativitas umum Einstein masuk, karena dapat menjelaskan kasus umum dari segala macam gerak.

Teori Einstein didasarkan pada dua prinsip utama:

·         Prinsip relativitas: Hukum-hukum fisika tidak berubah, bahkan untuk benda yang bergerak dalam kerangka acuan inersia (kecepatan konstan).

·         Prinsip kecepatan cahaya: Kecepatan cahaya adalah sama untuk semua pengamat, terlepas dari gerakan mereka relatif terhadap sumber cahaya. (Fisikawan menulis kecepatan ini menggunakan simbol c.)

Penemuan Jenius Einstein adalah bahwa ia melihat percobaan dan diasumsikan temuan itu benar. Ini adalah seperti kebalikan dari apa yang fisikawan lain lakukan. Alih-alih menganggap teori itu benar dan bahwa percobaan gagal, dia berasumsi bahwa percobaan yang benar dan teori telah gagal.

Pada bagian akhir abad ke-19, fisikawan sedang mencari hal misterius yang disebut eter – medium yang mereka yakini ada untuk gelombang cahaya ketika dilalui gelombang. Kepercayaan pada eter telah menyebabkan kekacauan hal, dalam pandangan Einstein, dengan memperkenalkan medium yang menyebabkan hukum-hukum tertentu fisika untuk bekerja secara berbeda tergantung pada bagaimana pengamat bergerak relatif terhadap eter. Einstein hanya menghilangkan eter sepenuhnya dan diasumsikan bahwa hukum fisika, termasuk kecepatan cahaya, bekerja sama terlepas dari bagaimana Anda bergerak – persis seperti eksperimen dan matematika menunjukkan mereka untuk terjadi!

Mempersatukan ruang dan waktu

Teori Einstein relativitas khusus menciptakan hubungan mendasar antara ruang dan waktu. Alam semesta dapat dilihat sebagai memiliki ruang tiga dimensi – atas / bawah, kiri / kanan, maju / mundur – dan satu dimensi waktu. Ruang 4-dimensi ini disebut sebagai kontinum ruang-waktu.

Jika Anda bergerak cukup cepat melalui ruang, pengamatan yang Anda buat tentang ruang dan waktu agak berbeda dari pengamatan orang lain, yang bergerak dengan kecepatan yang berbeda.

Anda dapat membayangkan ini untuk diri sendiri dengan memahami eksperimen pikiran digambarkan dalam gambar ini. Bayangkan bahwa Anda berada di sebuah pesawat ruang angkasa dan memegang laser sehingga ujung sinar cahaya langsung naik, membentur cermin Anda yang telah ditempatkan di langit-langit. Sinar cahaya kemudian datang kembali dan menyerang detektor.

Namun, pesawat ruang angkasa bergerak dengan kecepatan konstan setengah kecepatan cahaya (0.5c, seperti fisikawan akan menulis itu). Menurut Einstein, ini tidak membuat perbedaan untuk Anda – Anda bahkan tidak bisa mengatakan bahwa Anda bergerak. Namun, jika astronot Amber sedang memata-matai Anda, seperti di bagian bawah gambar, itu akan menjadi cerita yang berbeda.

Amber akan melihat sinar cahaya Anda bergerak ke atas sepanjang jalur diagonal, menumbuk cermin, dan kemudian melakukan perjalanan ke bawah sepanjang jalan diagonal sebelum membentur detektor. Dengan kata lain, Anda dan Amber akan melihat jalan yang berbeda untuk cahaya, yang lebih penting, jalan mereka bahkan tidak sama panjang. Ini berarti bahwa waktu sinar yang diperlukan untuk pergi dari laser ke cermin untuk detektor juga harus berbeda untuk Anda dan Amber sehingga Anda berdua sesuai pada kecepatan cahaya.

Fenomena ini dikenal sebagai dilatasi waktu, di mana waktu pada sebuah kapal bergerak sangat cepat tampaknya melewati lebih lambat daripada di Bumi.

Aneh seperti kelihatannya, contoh ini (dan banyak lainnya) menunjukkan bahwa dalam teori relativitas Einstein, ruang dan waktu sangat erat terkait bersama-sama. Jika Anda menerapkan persamaan transformasi Lorentz, mereka bekerja diluar sehingga kecepatan cahaya adalah hal yang konsisten untuk kedua pengamat.

Perilaku aneh ruang dan waktu hanya jelas ketika Anda sedang bepergian mendekati kecepatan cahaya, sehingga tak seorang pun pernah mengamati hal itu sebelumnya. Percobaan dilakukan sejak penemuan Einstein ini telah mengkonfirmasi bahwa itu benar – waktu dan ruang yang dirasakan berbeda, dengan cara yang persis dijelaskan Einstein, untuk benda bergerak mendekati kecepatan cahaya.

Mempersatukan massa dan energi

Karya paling terkenal dari kehidupan Einstein juga dari tahun 1905 (tahun yang sibuk bagi dia), ketika ia menerapkan ide-ide kertas relativitas untuk datang dengan persamaan E = mc² yang mewakili hubungan antara massa (m) dan energi (E ).

Singkatnya, Einstein menemukan bahwa ketika sebuah benda mendekati kecepatan cahaya, c, massa benda meningkat. Objek berjalan lebih cepat, tetapi juga menjadi lebih berat. Jika itu benar-benar mampu bergerak pada c, massa benda dan energi keduanya akan menjadi tak terbatas. Sebuah benda yang lebih berat lebih sulit untuk mempercepat, sehingga tidak mungkin untuk pernah benar-benar mendapatkan partikel sampai dengan kecepatan c.

Sampai Einstein, konsep massa dan energi dipandang sebagai benar-benar terpisah. Ia membuktikan bahwa prinsip-prinsip konservasi massa dan konservasi energi merupakan bagian yang sama besar, prinsip terpadu, kekekalan massa-energi. Materi dapat diubah menjadi energi dan energi dapat berubah menjadi materi karena ada suatu hubungan mendasar antara dua jenis zat.