Teori Relativitas Einstein

Teori relativitas Einstein adalah teori terkenal, tetapi sedikit dipahami. Teori relativitas mengacu pada dua elemen berbeda dari teori yang sama: relativitas umum dan relativitas khusus. Teori relativitas khusus diperkenalkan pertama kali dan kemudian dianggap sebagai kasus khusus dari teori relativitas umum yang lebih komprehensif.

Relativitas umum adalah teori gravitasi yang dikembangkan Albert Einstein antara tahun 1907 dan 1915, dengan kontribusi dari banyak orang lain setelah tahun 1915.

Teori relativitas Einstein mencakup pengerjaan beberapa konsep berbeda, yang meliputi:

• Teori Relativitas Khusus Einstein - perilaku objek yang terlokalisasi dalam kerangka referensi inersia, umumnya hanya relevan pada kecepatan yang sangat mendekati kecepatan cahaya
• Transformasi Lorentz - persamaan transformasi yang digunakan untuk menghitung perubahan koordinat di bawah relativitas khusus
• Teori Relativitas Umum Einstein - teori yang lebih komprehensif, yang memperlakukan gravitasi sebagai fenomena geometris dari sistem koordinat ruangwaktu melengkung, yang juga mencakup kerangka acuan noninertial (mis. percepatan)
  instagram viewer
• Prinsip Dasar Relativitas

Relativitas klasik (awalnya didefinisikan oleh Galileo Galilei dan disempurnakan oleh Sir Isaac Newton) melibatkan transformasi sederhana antara objek bergerak dan pengamat dalam kerangka referensi inersia lain. Jika Anda berjalan di kereta yang bergerak, dan seseorang yang menulis di tanah sedang menonton, kecepatan Anda relatif pengamat akan menjadi jumlah kecepatan Anda relatif terhadap kereta dan kecepatan kereta relatif terhadap pengamat. Anda berada dalam satu kerangka referensi inersia, kereta itu sendiri (dan siapa pun yang duduk di atasnya) ada di yang lain, dan pengamat berada di yang lain.

Masalah dengan ini adalah bahwa cahaya diyakini, di sebagian besar tahun 1800-an, untuk merambat sebagai gelombang melalui universal substansi yang dikenal sebagai eter, yang akan dihitung sebagai kerangka referensi yang terpisah (mirip dengan kereta di atas contoh). Yang terkenal Percobaan Michelson-Morley, Namun, telah gagal mendeteksi gerakan Bumi relatif terhadap eter dan tidak ada yang bisa menjelaskan mengapa. Ada yang salah dengan interpretasi klasik relativitas seperti yang diterapkan pada cahaya... dan lapangan sudah siap untuk interpretasi baru ketika Einstein datang.

Pada tahun 1905, Albert Einstein menerbitkan (antara lain) sebuah makalah yang disebut "Tentang Elektrodinamika Benda Bergerak" dalam jurnal Annalen der Physik. Makalah ini menyajikan teori relativitas khusus, berdasarkan dua postulat:

Prinsip Relativitas (Postulat Pertama): Hukum fisika adalah sama untuk semua kerangka referensi inersia.

Prinsip Keteguhan Kecepatan Cahaya (Postulat Kedua): Cahaya selalu merambat melalui ruang hampa (yaitu ruang kosong atau "ruang bebas") pada kecepatan tertentu, c, yang tidak tergantung pada kondisi gerak benda yang dipancarkan.

Sebenarnya, makalah ini menyajikan formulasi matematis yang lebih formal, dari postulat. Ungkapan postulat sedikit berbeda dari buku teks ke buku teks karena masalah terjemahan, dari matematika Jerman ke bahasa Inggris yang dapat dipahami.

Postulat kedua sering keliru ditulis untuk memasukkan bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah c dalam semua kerangka referensi. Ini sebenarnya adalah hasil turunan dari dua postulat, bukan bagian dari postulat kedua itu sendiri.

Postulat pertama cukup masuk akal. Namun, dalil kedua adalah revolusi. Einstein sudah memperkenalkan teori cahaya foton dalam makalahnya di efek fotoelektrik (yang membuat eter tidak perlu). Oleh karena itu, dalil kedua adalah konsekuensi dari foton tak bermassa bergerak dengan kecepatan c dalam ruang hampa. Eter tidak lagi memiliki peran khusus sebagai kerangka acuan inersia "absolut", sehingga tidak hanya tidak perlu tetapi secara kualitatif tidak berguna di bawah relativitas khusus.

Adapun kertas itu sendiri, tujuannya adalah untuk mendamaikan persamaan Maxwell untuk listrik dan magnet dengan gerakan elektron di dekat kecepatan cahaya. Hasil dari makalah Einstein adalah untuk memperkenalkan transformasi koordinat baru, yang disebut transformasi Lorentz, di antara kerangka acuan inersia. Pada kecepatan lambat, transformasi ini pada dasarnya identik dengan model klasik, tetapi pada kecepatan tinggi, mendekati kecepatan cahaya, mereka menghasilkan hasil yang sangat berbeda.

Relativitas khusus menghasilkan beberapa konsekuensi dari penerapan transformasi Lorentz pada kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Diantaranya adalah:

• Pelebaran waktu (termasuk "paradoks kembar" yang populer)
• Kontraksi panjang
• Transformasi kecepatan
• Penambahan kecepatan relativistik
• Efek doppler relatif
• Sinkronisasi simultan & jam
• Momentum relativistik
• Energi kinetik relativistik
• Massa relativistik
• Total energi relativistik

Selain itu, manipulasi aljabar sederhana dari konsep-konsep di atas menghasilkan dua hasil signifikan yang pantas disebutkan secara individu.

Einstein mampu menunjukkan bahwa massa dan energi saling terkait, melalui formula yang terkenal itu E=mc2. Hubungan ini terbukti paling dramatis di dunia ketika bom nuklir melepaskan energi massa di Hiroshima dan Nagasaki pada akhir Perang Dunia II.

Tidak ada benda dengan massa yang dapat berakselerasi dengan kecepatan cahaya yang tepat. Objek tak bermassa, seperti foton, dapat bergerak dengan kecepatan cahaya. (Foton sebenarnya tidak mempercepat, karena itu selalu bergerak tepat di kecepatan cahaya.)

Tetapi untuk objek fisik, kecepatan cahaya adalah batasnya. Itu energi kinetik pada kecepatan cahaya mencapai tak terhingga, sehingga tidak pernah bisa dicapai dengan akselerasi.

Beberapa orang telah menunjukkan bahwa suatu objek secara teori bisa bergerak lebih besar dari kecepatan cahaya, asalkan tidak mempercepat untuk mencapai kecepatan itu. Sejauh ini tidak ada entitas fisik yang pernah menampilkan properti itu.

Pada tahun 1908, Max Planck menerapkan istilah "teori relativitas" untuk menggambarkan konsep-konsep ini, karena peran kunci yang dimainkan relativitas di dalamnya. Pada saat itu, tentu saja, istilah ini hanya berlaku untuk relativitas khusus, karena belum ada relativitas umum.

Relativitas Einstein tidak langsung dianut oleh fisikawan secara keseluruhan karena tampaknya begitu teoretis dan berlawanan dengan intuisi. Ketika ia menerima Hadiah Nobel 1921-nya, itu adalah khusus untuk solusinya efek fotoelektrik dan untuk "kontribusinya pada Fisika Teoritis." Relativitas masih terlalu kontroversial untuk dirujuk secara spesifik.

Namun seiring waktu, prediksi relativitas khusus telah terbukti benar. Misalnya, jam terbang di seluruh dunia telah terbukti melambat oleh durasi yang diprediksi oleh teori tersebut.

Albert Einstein tidak menciptakan transformasi koordinat yang diperlukan untuk relativitas khusus. Dia tidak harus melakukannya karena transformasi Lorentz yang dia butuhkan sudah ada. Einstein adalah ahli dalam mengambil pekerjaan sebelumnya dan mengadaptasinya ke situasi baru, dan dia melakukannya dengan transformasi Lorentz sama seperti ia menggunakan solusi Planck 1900 untuk bencana ultraviolet di radiasi benda hitam untuk menyusun solusi untuk efek fotoelektrik, dan dengan demikian mengembangkan teori cahaya foton.

Transformasi sebenarnya pertama kali diterbitkan oleh Joseph Larmor pada tahun 1897. Versi yang sedikit berbeda telah diterbitkan satu dekade sebelumnya oleh Woldemar Voigt, tetapi versinya memiliki kuadrat dalam persamaan pelebaran waktu. Namun, kedua versi persamaan itu terbukti invarian di bawah persamaan Maxwell.

Ahli matematika dan fisika Hendrik Antoon Lorentz mengusulkan ide "waktu lokal" untuk menjelaskan keserempakan relatif dalam 1895, dan mulai bekerja secara independen pada transformasi serupa untuk menjelaskan hasil nol di Michelson-Morley percobaan. Dia menerbitkan transformasi koordinasinya pada tahun 1899, tampaknya masih tidak mengetahui publikasi Larmor, dan menambahkan pelebaran waktu pada tahun 1904.

Pada tahun 1905, Henri Poincare memodifikasi formulasi aljabar dan menghubungkannya dengan Lorentz dengan nama "transformasi Lorentz," sehingga mengubah peluang Larmor pada keabadian dalam hal ini. Formulasi Poincare tentang transformasi pada dasarnya identik dengan apa yang akan digunakan Einstein.

Transformasi diterapkan pada sistem koordinat empat dimensi, dengan tiga koordinat spasial (x, y, & z) dan koordinat satu kali (t). Koordinat baru dilambangkan dengan tanda kutip, dilafalkan "prima," sedemikian rupa x'diucapkan x-utama. Dalam contoh di bawah ini, kecepatannya ada di xx'Arah, dengan kecepatan kamu:

x' = ( x - ut ) / sqrt (1 - kamu2 / c2 )
y' = y

z' = z

t' = { t - ( kamu / c2 ) x } / sqrt (1 - kamu2 / c2 )

Transformasi disediakan terutama untuk tujuan demonstrasi. Aplikasi spesifik dari mereka akan ditangani secara terpisah. Istilah 1 / sqrt (1 - kamu2/c2) begitu sering muncul dalam relativitas sehingga dilambangkan dengan simbol Yunani gamma dalam beberapa representasi.

Perlu dicatat bahwa dalam kasus-kasus kapan kamu << c, penyebut runtuh ke dasarnya sqrt (1), yang hanya 1. Gamma hanya menjadi 1 dalam kasus ini. Demikian pula halnya dengan kamu/c2 term juga menjadi sangat kecil. Oleh karena itu, baik pelebaran ruang dan waktu tidak ada pada tingkat signifikan pada kecepatan yang jauh lebih lambat daripada kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

Relativitas khusus menghasilkan beberapa konsekuensi dari penerapan transformasi Lorentz pada kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Diantaranya adalah:

• Pelebaran waktu (termasuk yang populer "Paradoks Kembar")
• Kontraksi panjang
• Transformasi kecepatan
• Penambahan kecepatan relativistik
• Efek doppler relatif
• Sinkronisasi simultan & jam
• Momentum relativistik
• Energi kinetik relativistik
• Massa relativistik
• Total energi relativistik

Beberapa orang menunjukkan bahwa sebagian besar pekerjaan aktual untuk relativitas khusus telah dilakukan pada saat Einstein mempresentasikannya. Konsep pelebaran dan simultanitas untuk benda bergerak sudah ada dan matematika telah dikembangkan oleh Lorentz & Poincare. Beberapa orang bahkan menyebut Einstein sebagai penjiplak.

Ada beberapa validitas untuk tagihan ini. Tentu saja, "revolusi" Einstein dibangun di atas pundak banyak pekerjaan lain, dan Einstein mendapat penghargaan yang jauh lebih besar untuk perannya daripada mereka yang melakukan pekerjaan kasar.

Pada saat yang sama, harus dipertimbangkan bahwa Einstein mengambil konsep-konsep dasar ini dan memasangnya pada kerangka teori yang dibuat mereka bukan sekadar trik matematis untuk menyelamatkan teori yang sekarat (mis. eter), melainkan aspek-aspek mendasar dari alam dalam diri mereka sendiri Baik. Tidak jelas apakah Larmor, Lorentz, atau Poincare berniat bertindak begitu berani, dan sejarah telah memberi hadiah kepada Einstein atas wawasan & keberanian ini.

Dalam teori Albert Einstein tahun 1905 (relativitas khusus), ia menunjukkan bahwa di antara kerangka acuan inersia tidak ada kerangka "pilihan". Perkembangan relativitas umum terjadi, sebagian, sebagai upaya untuk menunjukkan bahwa ini juga berlaku di antara kerangka acuan yang non-inersia (yaitu mempercepat).

Pada tahun 1907, Einstein menerbitkan artikel pertamanya tentang efek gravitasi pada cahaya di bawah relativitas khusus. Dalam makalah ini, Einstein menguraikan "prinsip kesetaraan," yang menyatakan bahwa mengamati eksperimen di Bumi (dengan percepatan gravitasi) g) akan identik dengan mengamati percobaan di kapal roket yang bergerak dengan kecepatan g. Prinsip kesetaraan dapat dirumuskan sebagai:

kami [...] mengasumsikan kesetaraan fisik lengkap dari medan gravitasi dan percepatan yang sesuai dari sistem referensi.

seperti yang dikatakan Einstein atau, secara bergantian, sebagai satu Fisika Modern buku menyajikannya:

Tidak ada percobaan lokal yang dapat dilakukan untuk membedakan antara efek gravitasi yang seragam bidang dalam bingkai inertial non-akselerasi dan efek dari percepatan seragam (noninertial) bingkai.

Artikel kedua tentang masalah ini muncul pada tahun 1911, dan pada tahun 1912 Einstein secara aktif bekerja untuk memahami seorang jenderal teori relativitas yang akan menjelaskan relativitas khusus, tetapi juga akan menjelaskan gravitasi sebagai geometris fenomena.

Pada tahun 1915, Einstein menerbitkan satu set persamaan diferensial yang dikenal sebagai Persamaan bidang Einstein. Relativitas umum Einstein menggambarkan alam semesta sebagai sistem geometris tiga dimensi spasial dan satu waktu. Kehadiran massa, energi, dan momentum (secara kolektif dikuantifikasi sebagai kepadatan energi massa atau energi stres) mengakibatkan pembengkokan sistem koordinat ruang-waktu ini. Gravitasi, oleh karena itu, bergerak di sepanjang rute "paling sederhana" atau paling tidak energik di sepanjang ruang-waktu melengkung ini.

Dalam istilah yang paling sederhana, dan menghilangkan matematika yang kompleks, Einstein menemukan hubungan berikut antara kelengkungan ruang-waktu dan kepadatan energi massa:

(kelengkungan ruang-waktu) = (kepadatan energi massa) * 8 babi / c4

Persamaannya menunjukkan proporsi langsung dan konstan. Konstanta gravitasi, G, datang dari Hukum gravitasi Newton, sedangkan ketergantungan pada kecepatan cahaya, c, Diharapkan dari teori relativitas khusus. Dalam kasus kepadatan energi massa nol (atau mendekati nol) (mis. Ruang kosong), ruang-waktu adalah datar. Gravitasi klasik adalah kasus khusus dari manifestasi gravitasi dalam medan gravitasi yang relatif lemah, di mana c4 istilah (penyebut yang sangat besar) dan G (pembilang yang sangat kecil) membuat koreksi kelengkungan kecil.

Sekali lagi, Einstein tidak menarik ini dari topi. Dia banyak bekerja dengan geometri Riemannian (geometri non-Euclidean yang dikembangkan oleh ahli matematika Bernhard Riemann tahun sebelumnya), meskipun ruang yang dihasilkan adalah manifold Lorentzian 4-dimensi daripada Riemannian geometri. Meski begitu, karya Riemann sangat penting untuk menyelesaikan persamaan medan Einstein sendiri.

Untuk analogi dengan relativitas umum, pertimbangkan bahwa Anda merentangkan sprei atau sepotong flat elastis, menempelkan sudut-sudut dengan kuat pada beberapa pos yang diamankan. Sekarang Anda mulai menempatkan benda-benda dari berbagai bobot pada lembaran. Di mana Anda menempatkan sesuatu yang sangat ringan, lembaran akan sedikit melengkung ke bawah di bawah bobotnya. Namun, jika Anda menaruh sesuatu yang berat, kelengkungan akan lebih besar.

Anggaplah ada benda berat di atas kertas dan Anda letakkan benda kedua yang lebih ringan di atas kertas. Lengkungan yang diciptakan oleh objek yang lebih berat akan menyebabkan objek yang lebih ringan "terpeleset" di sepanjang kurva ke arahnya, mencoba mencapai titik keseimbangan di mana ia tidak lagi bergerak. (Dalam hal ini, tentu saja, ada pertimbangan lain - bola akan menggelinding lebih jauh dari yang akan digeser kubus, karena efek gesekan dan semacamnya.)

Ini mirip dengan bagaimana relativitas umum menjelaskan gravitasi. Lengkungan benda ringan tidak banyak mempengaruhi benda berat, tetapi lengkungan yang diciptakan oleh benda berat itulah yang membuat kita tidak melayang ke luar angkasa. Lengkungan yang diciptakan oleh Bumi membuat bulan tetap berada di orbit, tetapi pada saat yang sama, kelengkungan yang diciptakan oleh bulan cukup untuk mempengaruhi pasang surut.

Semua temuan relativitas khusus juga mendukung relativitas umum, karena teorinya konsisten. Relativitas umum juga menjelaskan semua fenomena mekanika klasik, karena mereka juga konsisten. Selain itu, beberapa temuan mendukung prediksi unik relativitas umum:

• Presesi perihelion Merkurius
• Lendutan gravitasi bintang
• Ekspansi universal (dalam bentuk konstanta kosmologis)
• Keterlambatan gema radar
• Elang radiasi dari lubang hitam

• Prinsip Umum Relativitas: Hukum fisika harus identik untuk semua pengamat, terlepas dari apakah mereka dipercepat atau tidak.
• Prinsip Kovarian Umum: Hukum fisika harus memiliki bentuk yang sama di semua sistem koordinat.
• Gerakan Inersia adalah Gerakan Geodesik: Garis-garis partikel dunia yang tidak terpengaruh oleh gaya (yaitu gerakan inersia) adalah seperti waktu atau nol geodesik ruangwaktu. (Ini berarti vektor garis singgung negatif atau nol.)
• Invariansi Lorentz Lokal: Aturan relativitas khusus berlaku secara lokal untuk semua pengamat inersia.
• Lengkungan ruangwaktu: Seperti yang dijelaskan oleh persamaan medan Einstein, kelengkungan ruangwaktu sebagai respons terhadap massa, energi, dan momentum menghasilkan pengaruh gravitasi yang dipandang sebagai bentuk gerak inersia.

Prinsip kesetaraan, yang digunakan Albert Einstein sebagai titik awal untuk relativitas umum, terbukti merupakan konsekuensi dari prinsip-prinsip ini.

Pada tahun 1922, para ilmuwan menemukan bahwa penerapan persamaan medan Einstein untuk kosmologi menghasilkan perluasan alam semesta. Einstein, percaya pada alam semesta statis (dan karena itu berpikir persamaannya salah), menambahkan konstanta kosmologis ke persamaan medan, yang memungkinkan solusi statis.

Edwin Hubble, pada tahun 1929, menemukan bahwa ada pergeseran merah dari bintang yang jauh, yang menyiratkan mereka bergerak sehubungan dengan Bumi. Tampaknya alam semesta mengembang. Einstein menghilangkan konstanta kosmologis dari persamaannya, menyebutnya kesalahan terbesar dalam karirnya.

Pada 1990-an, minat konstanta kosmologis kembali dalam bentuk energi gelap. Solusi untuk teori medan kuantum telah menghasilkan sejumlah besar energi dalam ruang hampa kuantum, yang mengakibatkan percepatan perluasan alam semesta.

Ketika fisikawan berusaha menerapkan teori medan kuantum ke medan gravitasi, segalanya menjadi sangat berantakan. Dalam istilah matematika, kuantitas fisik melibatkan diverge, atau menghasilkan tak terbatas. Medan gravitasi di bawah relativitas umum membutuhkan sejumlah besar koreksi, atau konstanta "renormalisasi," untuk menyesuaikannya menjadi persamaan yang dapat dipecahkan.

Upaya untuk memecahkan "masalah renormalisasi" ini terletak di jantung teori gravitasi kuantum. Teori gravitasi kuantum biasanya bekerja mundur, memprediksi teori dan kemudian mengujinya daripada benar-benar berusaha menentukan konstanta tak terhingga yang dibutuhkan. Ini adalah trik lama dalam fisika, tetapi sejauh ini tidak ada teori yang cukup terbukti.

Masalah utama dengan relativitas umum, yang sebelumnya sangat sukses, adalah ketidakcocokan keseluruhannya dengan mekanika kuantum. Sejumlah besar teori fisika dikhususkan untuk mencoba mendamaikan dua konsep: yang diprediksi fenomena makroskopis melintasi ruang dan satu yang memprediksi fenomena mikroskopis, seringkali dalam ruang yang lebih kecil dari atom.

Selain itu, ada beberapa kekhawatiran dengan gagasan Einstein tentang ruangwaktu. Apa itu ruangwaktu? Apakah itu ada secara fisik? Beberapa telah meramalkan "busa kuantum" yang menyebar ke seluruh alam semesta. Upaya terbaru di teori string (dan anak perusahaannya) menggunakan ini atau penggambaran ruangwaktu kuantum lainnya. Sebuah artikel baru-baru ini di majalah New Scientist memperkirakan bahwa ruangwaktu mungkin merupakan superfluid kuantum dan bahwa seluruh alam semesta dapat berputar pada suatu poros.

Beberapa orang telah menunjukkan bahwa jika ruangwaktu ada sebagai substansi fisik, itu akan bertindak sebagai kerangka referensi universal, seperti yang eter miliki. Anti-relativis sangat senang dengan prospek ini, sementara yang lain melihatnya sebagai upaya tidak ilmiah untuk mendiskreditkan Einstein dengan menghidupkan kembali konsep yang telah mati seabad.

Masalah-masalah tertentu dengan singularitas black hole, di mana kurvatur ruangwaktu mendekati tak terhingga, juga menimbulkan keraguan apakah relativitas umum secara akurat menggambarkan alam semesta. Namun, sulit untuk mengetahui secara pasti lubang hitam hanya bisa dipelajari dari jauh saat ini.

Seperti yang ada sekarang, relativitas umum begitu sukses sehingga sulit membayangkan itu akan sangat dirugikan oleh ini inkonsistensi dan kontroversi sampai sebuah fenomena muncul yang sebenarnya bertentangan dengan ramalan teori.