Aset besar Einstein adalah imajinasinya, yang dicirikan oleh fantasi kekanak-kanakan, tidak dibatasi oleh pola-pola yang dipaksakan oleh kedewasaan realistis.
Kecepatan cahaya konstan
Ada kemungkinan bahwa inspirasi pertama bagi ilmuwan adalah kereta api menuju stasiun di Zurich, tempat Albert Einstein kemudian tinggal dan bekerja. Saat kami perlahan bergerak dari stasiun, melihat ke luar jendela, kami melihat peron pergi. Orang dewasa akan segera mengerti bahwa itu bukan platform yang bergerak, tetapi kereta api. Namun, Einstein bertanya pada dirinya sendiri: bagaimana kita tahu ini?
Jawabannya adalah Bumi. Inilah yang kami anggap tidak bergerak, dan oleh karena itu kami menghubungkan kecepatan dengan benda-benda sehubungan dengan itu. Tapi bagaimana jika Bumi tidak ada? Bagaimana kita tahu jika pesawat ruang angkasa kita bergerak atau stasiun ruang angkasa menjauh dari kita? Hal pertama yang terlintas dalam pikiran adalah hukum fisika. Mungkin ada beberapa aturan yang memperhitungkan kecepatan, dan dengan cara ini kita belajar dari jalannya fenomena apakah kita sedang berdiri atau bergerak?
Kandidat terbaik adalah medan magnet dan listrik. Di sekolah, kami belajar bahwa itu benar-benar satu gaya – elektromagnetisme. Karya fisikawan Belanda Hendrik Lorenz menunjukkan bahwa cahaya, yang sebenarnya merupakan medan elektromagnetik bolak-balik, harus selalu bergerak dengan kecepatan yang sama, terlepas dari gerakan kita.
Bagaimana cara memeriksa? Karena kita tahu bahwa Bumi bergerak (cukup cepat) mengelilingi Matahari dan mengelilingi porosnya, maka jika kecepatan cahaya bergantung pada pergerakannya, seberkas cahaya bergerak dari barat ke timur – dan karenanya searah dengan pergerakan Bumi – harus mengikuti cara yang sama, berbeda dari yang kedua, dari utara ke selatan. Eksperimen semacam itu dilakukan oleh ilmuwan Amerika Albert A. Michelson dan Edward Morley. Dan ternyata kecepatan cahaya sebenarnya tidak bergantung pada arah pergerakannya.
Relativitas Khusus
Gerak hanya ada dalam konteks dua pengamat yang membandingkan sistem mereka, selalu saling menguntungkan, dan tidak ada gunanya mendefinisikan sistem diam. Oleh karena itu, semua teori fisika yang benar harus independen dari kecepatan dan posisi, dan juga waktu. Jika sebaliknya, adalah mungkin untuk membedakan antara sistem mobile dan stasioner.
Bagaimana cara berdamai dengan kecepatan cahaya yang konstan ini? Lagi pula, ini berarti bahwa jika “suar” ruang angkasa mengirim sinyal cahaya, dan kami menabrak roket yang terbang dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, dan mengejar sinyal ini, itu akan dengan cepat menjauh dari kami dan mercusuar. . Ini paradoks, tetapi bukan imajinasi anak-anak.
Jika demikian, maka jarak antara kita dan balok bertambah, atau waktu melambat bagi kita. Derajat regangan ruang atau pelebaran waktu sebanding dengan kecepatan relatif. Dalam hal mengejar cahaya, ruang akan membentang tanpa batas, dan waktu akan berhenti.
Kita mencapai titik di mana imajinasi kita mungkin tidak cukup bagi kita. Apa artinya waktu akan berhenti? Akankah kita membeku di satu posisi? Yah, tidak, kita akan hidup secara normal dalam kerangka acuan kita – tetapi kita akan merasa seperti dewa yang ada di luar waktu alam semesta lainnya. Tetapi karena gerak itu relatif dan timbal balik, kita dapat mengatakan hal yang sama tentang dunia di luar kita. Jadi apa itu simultanitas? Bagaimana Anda menyelaraskan prinsip sebab dan akibat dengan ini?
Semua implikasi dari teori relativitas belum dipahami. Einstein menyebutkan dua yang paling penting. Pertama, tidak mungkin mencapai kecepatan cahaya. Energi yang dibutuhkan untuk meningkatkan kecepatan meningkat berbanding terbalik dengan perbedaan antara itu dan kecepatan cahaya. Sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan cahaya akan memiliki energi yang tak terbatas. Tetapi karena gerak itu relatif, apakah energi ini? Seperti yang kita ingat dari sekolah, energi gerak sebanding dengan kecepatan dan massa. Jadi, Einstein mengatakan bahwa itu harus masif. Dari sini ia menurunkan persamaannya yang paling terkenal. E=mc^2 – massa adalah bentuk energi dalam keadaan diam.
Kesimpulan kedua dari keteguhan kecepatan cahaya adalah kebutuhan untuk mengintegrasikan waktu sebagai dimensi keempat ke dalam ruang tiga dimensi yang kita kenal, yang telah dijelaskan pada zaman kuno oleh Euclid. Hanya ruang-waktu yang diciptakan dengan cara ini, yang pertama kali didefinisikan oleh ahli matematika Jerman Hermann Minkowski, yang akan menjelaskan fisika dengan tepat. Titik dalam ruang-waktu adalah lokasi tertentu dalam ruang pada titik waktu tertentu. Ruas ruang-waktu yang menghubungkan dua titiknya adalah jarak antara dua peristiwa.
Relativitas Umum
Massa bukan hanya ukuran gaya yang harus diterapkan untuk membuat benda bergerak, dan karena itu derajat inersianya. Massa juga merupakan sumber gravitasi. Definisi ini mengacu pada fenomena yang sama sekali berbeda. Bisakah mereka mengandung kuantitas fisik yang sama? “Insiden” seperti itu tidak terjadi di alam.
Eksperimen yang sesuai dilakukan oleh ahli geofisika Hungaria Lorand Eötvös menggunakan pendulum puntir. Ternyata massa inersia dan gravitasi benar-benar sama. Bagi Einstein, ini adalah bukti bahwa, seperti medan listrik dan magnet, gravitasi dan inersia harus mengikuti pola yang sama. Di bawah pengaruh gaya, kita mengubah nilai atau arah kecepatan kita, yang dalam fisika disebut percepatan. Percepatan adalah perubahan kecepatan, dan kecepatan selalu relatif. Karena gerak itu sendiri adalah relatif, percepatan juga harus relatif.
Terinspirasi oleh contoh Bumi, permukaan melengkung tempat kita hidup dan mengukur, Einstein tahu bahwa permukaan datar bukan satu-satunya kemungkinan yang diizinkan oleh geometri. Jika ruang-waktu empat dimensi bukanlah sebuah bidang, maka lintasan benda-benda tanpa gangguan eksternal apa pun dan, oleh karena itu, bergerak dalam garis lurus menurut hukum fisika klasik, harus melengkung.
Dalam beberapa sistem, ini dapat dijelaskan oleh gravitasi, di sistem lain – dengan inersia, dan dalam model – hanya dengan kelengkungan ruang. Dua kereta api yang berjalan pada rel paralel yang berdekatan, atau pada rel yang sama tetapi pada interval yang konstan, dapat bertabrakan.
Itu perlu memikirkan kembali konsep paralelisme dan langsung, serta konsep waktu. Karena ruang melengkung, cahaya juga harus dilengkungkan dalam kurva tersebut. Karena kelengkungan harus menyebabkan efek seperti gravitasi, setiap massa harus menciptakan ketidakhomogenan ruang-waktu dan dengan demikian, misalnya, mempengaruhi perjalanan waktu.
Banyak dari kesimpulan ini telah dikonfirmasi secara eksperimental, seperti aliran waktu yang tidak merata pada titik terdekat dan terjauh dari orbit Merkurius, yang mengarah pada perubahannya yang lambat, atau kemampuan untuk melihat bintang-bintang yang tersembunyi di balik benda-benda kosmik masif lainnya. Banyak lagi yang masih menunggu konfirmasi.
