Teori relativitas khusus, yang diterbitkan pada tahun 1905 oleh Einstein dan generalisasi penting dari sejumlah hipotesis sebelumnya, adalah salah satu yang paling bergema dan dibahas dalam fisika.
Memang, sulit untuk membayangkan bahwa ketika sebuah objek bergerak dengan kecepatan mendekati cahaya, proses fisik mulai berlangsung untuk itu dengan cara yang sama sekali tidak biasa: panjangnya berkurang, massanya meningkat, dan waktu melambat. Segera setelah publikasi, upaya mulai mendiskreditkan teori, yang berlanjut hari ini, meskipun lebih dari seratus tahun telah berlalu. Ini tidak mengherankan, karena pertanyaan tentang jam berapa telah lama mengkhawatirkan umat manusia dan menarik perhatian semua orang.
Apa itu relativisme
Inti dari mekanika relativistik (ini juga merupakan teori relativitas khusus, selanjutnya disebut SRT) dan perbedaannya dari mekanika klasik diungkapkan dengan jelas oleh terjemahan langsung namanya: Latin relativus berarti "relatif". SRT mendalilkan keniscayaan dilatasi waktu untuk suatu objek saat bergerak relatif terhadap pengamat.
Perbedaanteori ini, yang diusulkan oleh Albert Einstein, dari mekanika Newton dan terletak pada kenyataan bahwa semua proses yang sedang berlangsung hanya dapat dianggap relatif terhadap satu sama lain atau terhadap beberapa pengamat luar. Sebelum menjelaskan apa itu pelebaran waktu relativistik, perlu digali sedikit pertanyaan tentang pembentukan teori dan menentukan mengapa perumusannya menjadi mungkin dan bahkan wajib sama sekali.
Asal Mula Relativitas
Pada akhir abad ke-19, para ilmuwan mulai memahami bahwa beberapa data eksperimen tidak sesuai dengan gambaran dunia berdasarkan mekanika klasik.
Kontradiksi mendasar menghasilkan upaya untuk menggabungkan mekanika Newton dengan persamaan Maxwell yang menggambarkan gerakan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa dan media kontinu. Sudah diketahui bahwa cahaya hanyalah gelombang seperti itu, dan itu harus dipertimbangkan dalam kerangka elektrodinamika, tetapi sangat bermasalah untuk berdebat dengan visual dan, yang paling penting, mekanik yang telah teruji waktu.
Kontradiksi, bagaimanapun, adalah jelas. Misalkan lentera dipasang di depan kereta yang bergerak, yang bersinar ke depan. Menurut Newton, kecepatan kereta api dan cahaya yang datang dari lentera harus bertambah. Persamaan Maxwell dalam situasi hipotetis ini "rusak". Diperlukan pendekatan yang sama sekali baru.
Relativitas Khusus
Tidaklah benar untuk percaya bahwa Einstein menemukan teori relativitas. Bahkan, ia beralih ke karya dan hipotesis para ilmuwan yang bekerja sebelumnya. Namun, penulis mendekatipertanyaan di sisi lain dan alih-alih mekanika Newton mengakui persamaan Maxwell sebagai "apriori benar".
Selain prinsip relativitas yang terkenal (sebenarnya, dirumuskan oleh Galileo, bagaimanapun, dalam kerangka mekanika klasik), pendekatan ini membawa Einstein ke pernyataan yang menarik: kecepatan cahaya adalah konstan di semua kerangka referensi. Dan kesimpulan inilah yang memungkinkan kita untuk berbicara tentang kemungkinan mengubah standar waktu ketika benda bergerak.
Kekonstanan kecepatan cahaya
Tampaknya pernyataan "kecepatan cahaya adalah konstan" tidak mengejutkan. Tetapi coba bayangkan bahwa Anda berdiri diam dan melihat cahaya menjauh dari Anda dengan kecepatan tetap. Anda mengikuti sinar itu, tetapi sinar itu terus menjauh dari Anda dengan kecepatan yang persis sama. Selain itu, berbalik dan terbang ke arah yang berlawanan dari sinar, Anda tidak akan mengubah kecepatan jarak Anda satu sama lain dengan cara apa pun!
Bagaimana mungkin? Di sini dimulai percakapan tentang efek relativistik dari pelebaran waktu. Menarik? Kemudian baca terus!
Dilatasi waktu relativistik menurut Einstein
Ketika kecepatan suatu benda mendekati kecepatan cahaya, waktu internal objek dihitung untuk melambat. Jika kita berasumsi bahwa seseorang bergerak sejajar dengan sinar matahari dengan kecepatan yang sama, waktu baginya akan berhenti berjalan sama sekali. Ada rumus untuk pelebaran waktu relativistik, yang mencerminkan hubungannya dengan kecepatan suatu benda.
Namun, ketika mempelajari masalah ini, harus diingat bahwa tidak ada benda bermassa yang secara teoritis dapat mencapai kecepatan cahaya.
Paradoks terkait teori
Relativitas khusus adalah karya ilmiah dan tidak mudah dipahami. Namun, ketertarikan publik pada pertanyaan tentang jam berapa secara teratur memunculkan ide-ide yang pada tingkat sehari-hari tampaknya merupakan paradoks yang tidak dapat dipecahkan. Misalnya, contoh berikut membingungkan kebanyakan orang yang diperkenalkan ke SRT tanpa pengetahuan fisika.
Ada dua pesawat, salah satunya terbang lurus, dan yang kedua lepas landas dan, setelah menggambarkan busur dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, menyusul yang pertama. Bisa ditebak, ternyata waktu untuk peralatan kedua (yang terbang dengan kecepatan mendekati cahaya) berlalu lebih lambat daripada yang pertama. Namun, sesuai dengan postulat SRT, kerangka acuan untuk kedua pesawat adalah sama. Ini berarti waktu dapat berlalu lebih lambat untuk satu dan perangkat lainnya. Tampaknya ini adalah jalan buntu. Tapi…
Menyelesaikan paradoks
Sebenarnya, sumber paradoks semacam ini adalah kesalahpahaman tentang mekanisme teori. Kontradiksi ini dapat diselesaikan dengan menggunakan eksperimen spekulatif yang terkenal.
Kami memiliki gudang dengan dua pintu yang membentuk jalan tembus dan tiang sedikit lebih panjang dari panjang gudang. Jika kita merentangkan tiang dari pintu ke pintu, mereka tidak akan bisa menutup atau mereka hanya akan mematahkan tiang kita. Jika tiang, terbang ke gudang,akan memiliki kecepatan mendekati kecepatan cahaya, panjangnya akan berkurang (ingat: benda yang bergerak dengan kecepatan cahaya akan memiliki panjang nol), dan pada saat berada di dalam gudang, kita dapat menutup dan membuka pintu tanpa merusak alat peraga kami.
Di sisi lain, seperti dalam contoh dengan pesawat, gudang yang seharusnya berkurang relatif terhadap tiang. Paradoks ini berulang, dan, tampaknya, tidak ada jalan keluar - kedua objek secara serempak dikurangi panjangnya. Namun, ingat bahwa semuanya relatif, dan selesaikan masalah dengan mengubah waktu.
Relativitas Kesimultanan
Ketika tepi depan tiang berada di dalam, di depan pintu depan, kita dapat menutup dan membukanya, dan pada saat tiang terbang sepenuhnya ke dalam gudang, kita akan melakukan hal yang sama dengan bagian belakang pintu. Tampaknya kita tidak melakukannya pada saat yang sama, dan eksperimennya gagal, tetapi di sini hal utama ternyata: sesuai dengan teori relativitas khusus, momen penutupan kedua pintu terletak pada titik yang sama pada sumbu waktu.
Ini terjadi karena peristiwa yang terjadi secara bersamaan dalam satu kerangka acuan tidak akan serentak di kerangka acuan lainnya. Dilatasi waktu relativistik dimanifestasikan dalam hubungan objek, dan kita kembali ke generalisasi teori Einstein sehari-hari: semuanya relatif.
Ada satu detail lagi: kesetaraan sistem referensi relevan di SRT, ketika kedua objek bergerak secara seragam dan lurus. Begitu salah satu benda mulai berakselerasi atau melambat, kerangka acuannya menjadi unikmungkin.
Paradoks Kembar
Paradoks paling terkenal yang menjelaskan dilatasi waktu relativistik "secara sederhana" adalah eksperimen pikiran dengan dua saudara kembar. Salah satunya terbang dengan pesawat ruang angkasa dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, sementara yang lain tetap di tanah. Setelah kembali, saudara astronot menemukan bahwa dia sendiri telah berusia 10 tahun, dan saudaranya, yang tinggal di rumah, telah berusia 20 tahun.
Gambaran keseluruhan seharusnya sudah jelas bagi pembaca dari penjelasan sebelumnya: untuk saudara di pesawat ruang angkasa, waktu melambat karena kecepatannya mendekati kecepatan cahaya; kami tidak dapat menerima kerangka acuan relatif terhadap saudara-di-tanah, karena akan menjadi non-inersia (hanya satu saudara yang mengalami kelebihan beban).
Saya ingin mencatat sesuatu yang lain: tidak peduli sejauh mana lawan mencapai dalam perselisihan, faktanya tetap: waktu dalam nilai absolutnya tetap konstan. Tidak peduli berapa tahun seorang saudara terbang di pesawat ruang angkasa, dia akan terus menua dengan kecepatan yang sama dengan waktu yang berlalu dalam kerangka acuannya, dan saudara laki-laki kedua akan menua dengan kecepatan yang persis sama - perbedaannya akan terungkap hanya ketika mereka bertemu, dan tidak dalam kasus lain.
Dilatasi waktu gravitasi
Sebagai kesimpulan, perlu dicatat bahwa ada jenis dilatasi waktu kedua, yang telah dikaitkan dengan teori relativitas umum.
Bahkan di abad ke-18, Mitchell meramalkan keberadaan merahperpindahan, yang berarti bahwa ketika suatu benda bergerak di antara area dengan gravitasi kuat dan lemah, waktu untuk itu akan berubah. Terlepas dari upaya untuk mempelajari masalah ini oleh Laplace dan Zoldner, hanya Einstein yang mempresentasikan karya lengkap tentang topik ini pada tahun 1911.
Efek ini tidak kalah menarik dari dilatasi waktu relativistik, tetapi memerlukan studi tersendiri. Dan itu, seperti yang mereka katakan, adalah cerita yang sama sekali berbeda.
