Sejarah Singkat Relativitas Umum dan Relativitas Khusus

Sangat menarik untuk melihat sejarah aktual perkembangan teori relativitas.

Teori yang disajikan Einstein pada tahun 1905, awalnya disebut teori relativitas, adalah tentang kerangka referensi pengamat inersia (inersia artinya tanpa percepatan atau tanpa perputan/rotasi). Teori ini bekerja dengan baik dan menyelesaikan kontradiksi yang dicatat sebelumnya antara geometri ruang dan waktu dan persamaan Maxwell untuk medan elektromagnetik.

Namun, Einstein merasa bahwa teori ini tidak lengkap dalam arti bahwa ia memperlakukan pengamat yang non inersia atau relatif sebagai sebagai sesuatu yang tidak ada pengaruhnya. Jadi dia mencari perpanjangan dari teori, yang dia sebut sebagai "teori umum", yang akan memperlakukan pengamat inersia dan non-inersia pada pijakan yang sama.

Ada banyak kesalahan awal. Ada kalanya Einstein berpikir bahwa tidak ada solusi. Tetapi akhirnya pada tahun 1915, ia berhasil menemukan bentuk yang tepat dari "teori umum" ini. Versi sebelumnya, 1905 dimasukkan dalam teori baru sebagai kasus khusus (relativitas khusus).

Dengan berlalunya waktu, teori 1905 (secara matematis jauh lebih sederhana) oleh karenanya dikenal sebagai teori relativitas khusus, sedangkan teori 1915 dikenal sebagai teori relativitas umum. Tetapi ini sebenarnya bukan teori yang terpisah; teori umum memasukkan teori khusus sebagai kasus pembatas.

Sebagai catatan kaki, izinkan saya untuk menyajikan definisi Kamus Besar Bahasa Indonesia dari kata "theory", sebagai pengingat apa itu teori secara lughawi.

Semua kecepatan adalah relatif kecuali cahaya, Mengapa?

Pada tahun 1887, dua fisikawan Amerika, Michelson dan Morley, melakukan percobaan presisi yang secara meyakinkan menunjukkan bahwa kecepatan cahaya yang diamati tidak tergantung pada arah berkas cahaya relatif terhadap gerakan Bumi sendiri.

Eksperimen ini telah ditafsirkan oleh banyak fisikawan saat itu sebagai panggilan untuk merevisi teori-teori eter elektromagnetik, yang dianggap sebagai media yang membawa gelombang elektromagnetik. Mereka mencoba untuk menciptakan berbagai skema di mana eter akan diseret oleh Bumi, dan bahkan skema di mana panjang alat pengukur berubah sebagai fungsi gerakannya melalui eter.

Photo via Google

Einstein memilih jalan yang berbeda. Fakta bahwa kecepatan cahaya adalah sama untuk semua pengamat diberikan: itulah yang dikatakan pengamatan kami. Tetapi alih-alih menganugerahkan eter (hipotetis) dengan sifat-sifat yang lebih eksotis, Einstein membuang eter sama sekali, dan hanya mempertanyakan pemahaman kita tentang geometri transformasi ruang-waktu dan kecepatan. Sisanya, seperti kata mereka, adalah sejarah.

Dalam bahasa matematika modern, Einstein mencari keluarga paling umum dari transformasi ruang dan waktu empat dimensi yang akan meninggalkan kecepatan cahaya yang tidak berubah. Kelompok yang paling umum adalah conformal group. Namun, perlu dibatasi lebih lanjut jika fisikawan juga juga ingin muatan listrik dilestarikan. Itu yang membuat fisikawan membentuk kelompok transformasi yang disebut Lorentz-Poincaré. Ternyata, ini adalah set transformasi paling umum di mana persamaan Maxwell tetap tidak berubah.

Jadi dalam retrospeksi, bahkan tanpa bukti pengamatan seperti percobaan Michelson-Morley, jika seseorang menerima teori Maxwell untuk berlaku bagi semua pengamat inersia, kelompok Lorentz-Poincaré harus mengikuti. Dan itu tidak lain adalah relativitas khusus.

Tidak adil? Nah, Alam tidak berkewajiban untuk adil, adil, intuitif atau mudah dipahami. Alam tidak ada untuk kenyamanan kita. Bagaimanapun, begitu Anda mempelajari dasar-dasar matematika, teori relativitas sebenarnya sangat mudah dan sangat elegan. Jauh dari kata "cacat", itu adalah salah satu teori fisik fundamental paling bersih di luar sana. Dan selama 100 tahun terakhir, setiap kali diuji, teorinya dikonfirmasi oleh eksperimen. Itulah sebabnya fisikawan memiliki kepercayaan yang sangat tinggi terhadap validitasnya.

Memahami Koordinat Ruang dan Waktu dalam Teori Relativitas

Pertama, perhatikan gambar dibawah ini terlebih dahulu. 

 Photo via Google

Apa yang Anda lihat dalam gambar diatas adalah ruangwaktu dengan satu koordinat (koordinat z) waktu. (Sulit untuk menggambar koordinat 4 dimensi). Sumbu vertikal (sumbu - z) adalah waktu. Bayangkan seorang pengamat yang duduk, saat istirahat sehubungan dengan sistem koordinat ini, pada t = 0. Momen "sekarang" adalah bidang x − y pada t = 0, yang diarsir dalam gambar diatas.

“Garis waktu” pengamat, selama ia tetap diam, hanyalah sumbu vertikal. Artinya, waktu terus berjalan untuknya tetapi koordinat spasialnya tetap tidak berubah, x = 0, y = 0.

Gambar diatas juga menunjukkan dua "kerucut cahaya". Bayangkan pengamat memancarkan cahaya sebentar di t = 0. Kerucut cahaya atas (masa depan) menunjukkan jalur sinar cahaya dari flash itu, ketika flash menyebar di ruang seiring waktu berjalan. Disisi lain kerucut di bawah, menunjukkan bagian ruangwaktu yang dilihat pengamat pada saat itu, yaitu kerucut cahaya masa lalunya.

Pikirkan hal ini sejenak dan cobalah untuk menyerap apa yang ditunjukkan gambar datas.

Jika pengamat juga menembakkan peluru yang lebih lambat dari cahaya pada t = 0, lintasannya akan berada di dalam kerucut cahaya di masa depan. Demikian pula, apa pun yang mengenai pengamat pada t = 0 yang bergerak lebih lambat dari cahaya, akan memiliki lintasan di dalam kerucut cahaya yang lalu.

Tetapi sekarang izinkan saya menunjukkan kepada anda hal yang sama dari sudut pandang pengamat lain. Yang bergerak relatif terhadap pengamat pertama. Misalkan lintasan mereka bertemu pada t = 0, x = 0, y = 0. Inilah cara pengamat itu melihat sistem koordinat pengamat pertama:

Photo via google

Menarik, bukan? Perhatikan bagaimana, dari perspektif pengamat kedua ini, baik sumbu waktu dan sumbu spasial tampak miring, terhadap satu sama lainnya.

Tetapi yang lebih penting ... perhatikan bagaimana kerucut cahaya masa depan dan masa lalu tidak terdistorsi. Mereka tetap sama persis seperti sebelumnya.

Ini adalah fitur penting dari teori relativitas. Ini membuat kerucut cahaya tidak berubah. Ini secara langsung mengikuti fakta bahwa teori relativitas dirancang untuk mengakomodasi pengamatan bahwa hukum-hukum elektromagnetisme (yang mencakup kecepatan cahaya) adalah sama untuk semua pengamat, terlepas dari kecepatan relatifnya.

Tetapi akibat dari hal di atas adalah bahwa lintasan apa pun yang ada di dalam kerucut cahaya untuk satu pengamat tetap berada di dalam kerucut cahaya untuk semua pengamat lainnya. Anda tidak dapat mengubah kecepatan lebih lambat dari cahaya ke kecepatan cahaya atau kecepatan lebih cepat dari cahaya dengan transformasi ini. Ketiga jenis kecepatan ini berbeda secara kualitatif.

Jadi, inilah jawabannya. Ada tiga jenis lintasan mendasar: timelike (untuk benda biasa seperti orang, peluru, pesawat ruang angkasa), lightlike (juga dikenal sebagai "null"; untuk sinar cahaya) dan Spacelike. Ketiga jenis lintasan ini tidak dapat saling dipertukarkan.

Kuantitas yang membedakan partikel sehubungan dengan jenis lintasan ini adalah massa sisa kuadratnya, m² . Jika m² > 0, lintasan yang sesuai adalah timelike; jika m² = 0, lintasannya lightlike; dan jika m² < 0, lintasannya adalah spacelike. Tanpa membahas terlalu banyak detail, tanda m² identik dengan tanda c² – v², di mana c adalah kecepatan cahaya dan v adalah kecepatan partikel. Jadi jika m² > 0, c > v; jika m² = 0, c = v; dan akhirnya, jika m² < 0, maka c < v dan partikel harus bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. (Sejauh yang kami tahu, tidak ada partikel seperti itu, tetapi kami masih memiliki nama untuk mereka untuk berjaga-jaga: partikel hipotetis ini disebut tachyons.)

Memahami waktu dari sudut pandang yang berbeda

Apa yang orang-orang di zaman modern tidak mengerti adalah bahwa peradaban kuno memiliki konsep waktu yang berbeda dari kita.

Mari kita bedah hal ini dengan cara yang berbeda.

Kita telah mendasarkan masyarakat kita saat ini di sekitar konsep bagaimana mengukur waktu karena kita membaginya menjadi "tugas". Jadi, pada saat "jam" tertentu, kita melakukan sesuatu, dan kemudian sesuatu yang lain.

Ini tidak begitu di zaman kuno. Tidak ada jam, tetapi yang ada adalah periode. Dan periode dihubungkan dengan kebiasaan. Ada periode untuk bekerja, lain untuk makan siang, lain untuk berdoa kepada tuhan, lain untuk makan malam, lain untuk tidur. Tetapi sejauh mana periode-periode ini bervariasi selama bulan-bulan dalam setahun, karena semakin kita memindahkan diri kita lebih jauh dari garis Khatulistiwa, semakin banyak perbedaan ini selama musim yang dapat dilihat.

Jadi, periode-periode ini sangat bervariasi sepanjang tahun.

Kita tidak dapat benar-benar mengatakan "ini saatnya" karena lamanya jam itu fleksibel. Fakta ini juga membuat masyarakat lama jauh lebih santai daripada kita!

Jejak waktu semacam ini dapat ditemukan di bagian paling terpencil di Afrika, di mana waktu seperti yang kita tahu tidak ada. Populasi pedesaan yang paling tidak memiliki konsep jam seperti yang kita lakukan. Mereka memiliki konsep hari, dan menerapkan konsep ini untuk jarak juga. Misalnya, desa lain dapat menempuh satu setengah hari dengan berjalan kaki, tidak pada jarak 30 km. Mereka menggunakan pengukuran yang berarti bagi mereka, dan ini juga berlaku untuk ketepatan waktu.

Photo via Google

Gambar diatas adalah tablet tanah liat kuno yang sekarang disimpan di British Museum yang telah diterjemahkan lebih dari 10 tahun yang lalu. Itu adalah Peta Bintang Sumeria kuno yang sebenarnya merekam waktu kemunculan asteroid. Kita kembali ke tahun 3.123 SM, dan asteroid mungkin adalah salah satu yang mendarat di Austria (ya, telah dilacak kembali). Peta ini akurat hingga satu derajat. 

Jadi, orang kuno sudah memiliki pengetahuan dan teori untuk mengukur waktu - tetapi tidak memiliki cara yang dapat diandalkan untuk melakukannya secara praktis!

Pencatatan waktu tidak terlalu penting bagi orang awam, tetapi penting bagi para ilmuwan dan astronom. Karena merekalah sekarang kita memiliki pengukuran waktu kita. Para astronom menemukan konsep derajat (jika anda pernah belajar fisika anda pasti paham), yang dibagi menjadi "menit" dan "detik" - dan unit-unit yang lebih kecil ini tidak diterapkan untuk ketepatan waktu sampai teknik itu mampu menghasilkan arloji yang cukup tepat - yaitu, usia Huygens (sekitar 1650) , yang menemukan keseimbangan musim semi pertama, membuat jam tangan yang cukup tepat untuk memasang jarum menit. Sebelum dia, astronom dan fisikawan hanya menunjukkan jam, dan sangat tidak tepat.

Ketika jam matahari pertama dikembangkan sekitar 2.000 SM, kita memiliki sekitar 3.650 tahun di mana peradaban Barat menyesuaikan diri dengan cara yang berbeda dalam menentukan waktu. Ya, periode selanjutnya jam fleksibel dan sistem jam tetap berdampingan, tetapi yang Anda tanyakan benar-benar sesuatu yang datang sangat terlambat dalam evolusi peradaban kita.

Apakah mungkin teori Big Bang salah dan ada teori alternatif lain?

Big Bang merupakan teori fisika dan tentu saja mungkin jika teori fisika salah.

Yang perlu di ingat pertama kali adalah Sains bukan agama. Meskipun fisikawan mencari kebenaran (pemahaman tentang Alam), fisikawan tidak mengklaim atau mengetahui bahwa kebenaran itu absolut. Tentu saja, beberapa teori yang diuji lebih baik daripada yang lain dan bisa di implementasikan dalam kehidupan sehari-hari, tetapi pada akhirnya, mengingat bahwa fisikawan hanya bisa melakukan sejumlah pengamatan terbatas, pengecualian selalu mungkin dan tidak diperhitungkan oleh teori yang sudah ada.

Photo via Google

Sebagai contoh, fisikawan telah mengetahui sejak awal peradaban bahwa Matahari terbit setiap hari di sebagian besar dunia. Seiring waktu, pemahaman fisikawan tentang mengapa hal ini menjadi semakin canggih, tetapi jika teori ilmiah sederhana fisikawan adalah bahwa "Matahari terbit setiap hari," ia dapat diuji dan diuji lagi, dan dalam beberapa juta hari sejak manusia pertama kali mulai untuk membangun permukiman dan menemukan bentuk-bentuk primitif dari pencatatan, Matahari tidak pernah mengecewakan fisikawan sekali pun. Jadi fisikawan bisa yakin bahwa matahari itu akan naik lagi besok.

Tetapi bagaimana jika tidak? Bagaimana jika ada efek aneh yang sampai sekarang tidak diketahui dalam fisika yang akan memanifestasikan dirinya besok dan Matahari tidak akan terbit? Sangat tidak mungkin, pasti, tetapi bisakah fisikawan mengecualikannya dengan kepastian absolut? Tidak, fisikawan tidak bisa. Dan itu terjadi, fisikawan harus kembali ke papan gambar dan memodifikasi teori fisika: "Matahari terbit setiap hari kecuali pada hari-hari ketika kondisi ___ berlaku" (isi bagian yang kosong.)

Apa yang fisikawan sebut "Big Bang" adalah tubuh fisika yang menggunakan pengamatan astronomi masa kini dan hukum fisika dasar yang diketahui (gravitasi, fisika partikel, termodinamika, dll.) Untuk meramalkan kemungkinan mundur dan mencari tahu seperti apa alam semesta di masa lalu yang jauh. Kecuali jika pemahaman fisikawan tentang fisika dasar benar-benar tidak aktif, fisikawan dapat yakin bahwa di masa lalu yang jauh, Alam Semesta panas dan padat dan telah berkembang dan mendingin sejak saat itu. (Inilah yang sebenarnya dimaksud dengan "Big Bang". "Atom purba" atau "singularitas awal" yang mungkin Anda baca bagus, tetapi ahli kosmologi fisik tahu bahwa fisikawan tidak dapat benar-benar kembali sejauh itu; teori fisika tidak cukup baik. Fisikawan dapat menyimpulkan apa yang terjadi setelah picosecond (10^-12) pertama atau lebih dari peristiwa awal ini, tetapi fisikawan tidak tahu apa yang terjadi dalam picosecond pertama itu atau memang, apakah itu picosecond atau keabadian.)

Tetapi untuk rincian spesifik dari model, seperti rasio materi normal vs "gelap", kontribusi konstanta kosmologis alias energi gelap (Dark Energy), nilai kelengkungan spasial dan lain-lain. Hampir pasti bahwa fisikawan belum memiliki perinciannya dengan tepat. Fakta bahwa fisikawan belum dapat menemukan bukti pengamatan materi gelap (Dark Matter), ketegangan antara berbagai perkiraan tingkat ekspansi, dan masalah serupa adalah petunjuk kuat bahwa fisikawan belum memiliki gambaran lengkap.

Jadi walaupun tidak mungkin bahwa model Big Bang (maksudnya, alam semesta yang mengembang dengan masa lalu yang panas dan padat) sangat keliru, pemahaman fisikawan masih jauh untuk menyangkut fitur-fitur terperinci.

Apa itu Dark Matter ?

Apa itu Dark Matter ?

Saya akan memberitahu bagaimana memahami Dark Matter bahkan bagi orang awam sekalipun.

Photo via Google

Galaksi tempat kita hidup sekarang ini, atau mungkin kita sebut saja alam semesta. Alam semesta ini merupakan kumpulan dari milaran bintang yang tersusun secara baik dan benar dan disatukan oleh interaksi gaya gravitasi antar bintang tersebut.

Seperti yang kita tahu, galaksi itu berputar. Dan perputaran galaksi sangatlah cepat. Apakah mungkin kita menghitung gaya gravitasi dengan cara yang sederhana seperti menggunakan hukum gravitasi newton. Bisa tapi susah. Ketika kita menghitung berapa besar gaya gravitasi di galaksi ini mengingat informasi yang kita tahu tenang gravitasi itu sangatlah terbatas, menghitungnya jelas tidak akan mudah. Hukum Newton tentang gravitasi menyatakan bahwa tidak ada gaya gravitasi yang cukup kuat untuk menahan atau membuat galaksi tetap seimbang. Galaksi pasti sudah terpecah belah dan berhamburan.

Namun kenyataanya galaksi tetap stabil sampai sekarang.

Kecuali kita telah memahami semuanya dengan cara yang salah. Namun dari sini dapat ditarik kesimpulan bahwa ada dua alasan mengapa galaksi bisa tetap menjadi stabil. antara kita salah memahami konsep gaya gravitasi Newton, atau ada materi di galaxy yang tidak bisa dilihat oleh mata.

Fisikawan sangat enggan untuk menyimpulkan bahwa mereka salah memahami hukum gravitasi, karena ia bekerja dengan sangat baik dalam penerapannya. Karena itu, kemungkinan besar kemungkinannya adalah ada materi atau ssesuatu yang tidak bisa kita lihat.

Fisikawan menyebut benda ini "Dark Matter" (Dark (gelap), karena kita tidak bisa melihatnya; tetapi itu benar-benar harus disebut materi tak kasat mata atau transparan, karena ia juga tidak persis membayangi, ia tidak memiliki efek pada cahaya apa pun.) Dan fisikawan terus mencarinya, dan para ahli teori terus-menerus menemukan teori-teori baru tentang apa sebenarnya Dark Matter ini.

Sejauh ini, fisikawan belum dapat menetapkan keberadaan materi Dark Matter secara independen dari gravitasinya. Jadi pintu masih terbuka untuk teori alternatif, teori gravitasi yang dimodifikasi. Di sisi lain, kebetulan bahwa anggapan keberadaan Dark Matter juga meningkatkan model matematika kita dari kosmos secara keseluruhan. Itu adalah poin kuat yang mendukung gagasan Dark Matter.

Tetapi para ahli tidak akan tahu sampai dan kecuali mereka memiliki bukti pengamatan langsung atau, sebagai alternatif, sampai mereka memiliki teori gravitasi yang dimodifikasi yang meyakinkan, dikonfirmasi melalui prediksi yang dapat diuji.