Dalam pidatonya pada 27 April 1900, di Royal Institution of Great Britain, Lord Kelvin berkata: “Fisika teoretis adalah bangunan yang proporsional dan selesai. pada langit cerah fisika, hanya ada dua awan kecil - ini adalah keteguhan kecepatan cahaya dan kurva intensitas radiasi tergantung pada panjang gelombang. Saya pikir dua pertanyaan khusus ini akan segera diselesaikan dan fisikawan abad ke-20 tidak akan ada hubungannya.” Lord Kelvin ternyata benar sekali dalam menunjukkan bidang-bidang utama penelitian dalam fisika, tetapi dia tidak menilai dengan tepat kepentingannya: teori relativitas dan teori kuantum yang lahir darinya ternyata hamparan tak berujung untuk penelitian yang telah menguasai pikiran para ilmuwan selama lebih dari seratus tahun.

Karena tidak menggambarkan interaksi gravitasi, Einstein, tak lama setelah selesai, mulai berkembang versi umum teori ini, penciptaan yang ia habiskan 1907-1915. Teorinya indah dalam kesederhanaan dan konsistensinya dengan Fenomena alam kecuali momen tunggal: pada saat teori Einstein disusun, belum diketahui tentang perluasan alam semesta bahkan tentang keberadaan galaksi lain, oleh karena itu, para ilmuwan pada waktu itu percaya bahwa alam semesta ada tanpa batas waktu dan tidak bergerak. Pada saat yang sama, mengikuti hukum gravitasi universal Newton bahwa bintang-bintang tetap pada titik tertentu harus ditarik bersama-sama ke satu titik.

Karena tidak menemukan penjelasan yang lebih baik untuk fenomena ini, Einstein memperkenalkan persamaannya, yang secara numerik dikompensasikan dan dengan demikian memungkinkan Semesta yang tidak bergerak ada tanpa melanggar hukum fisika. Selanjutnya, Einstein mulai mempertimbangkan memasukkan konstanta kosmologis ke dalam persamaannya sebagai kesalahan terbesarnya, karena itu tidak diperlukan untuk teori dan tidak dikonfirmasi oleh apa pun selain Semesta yang tampaknya tidak bergerak pada waktu itu. Dan pada tahun 1965 ditemukan radiasi latar belakang, yang berarti bahwa Alam Semesta memiliki awal dan konstanta dalam persamaan Einstein ternyata sama sekali tidak diperlukan. Namun demikian, konstanta kosmologis tetap ditemukan pada tahun 1998: menurut data yang diperoleh teleskop Hubble, galaksi jauh tidak memperlambat ekspansi mereka sebagai akibat dari gaya tarik gravitasi, tetapi bahkan mempercepat ekspansi mereka.

Dasar-dasar teori

Selain postulat dasar teori relativitas khusus, yang baru ditambahkan di sini: Mekanika Newton memberikan perkiraan numerik tentang interaksi gravitasi benda-benda material, tetapi tidak menjelaskan fisika dari proses ini. Einstein berhasil menggambarkan ini melalui kelengkungan ruang-waktu 4 dimensi oleh benda besar: benda tersebut menciptakan gangguan di sekelilingnya, akibatnya benda-benda di sekitarnya mulai bergerak di sepanjang garis geodesik (contoh garis tersebut adalah garis lintang dan bujur bumi, yang bagi pengamat internal tampak seperti garis lurus, tetapi pada kenyataannya sedikit melengkung). Sinar cahaya dibelokkan dengan cara yang sama, yang mendistorsi gambar yang terlihat di belakang objek besar. Dengan kebetulan yang sukses dari posisi dan massa objek, ini mengarah ke (ketika kelengkungan ruang-waktu bertindak sebagai lensa besar yang membuat sumber cahaya jauh lebih terang). Jika parameternya tidak cocok dengan sempurna, ini dapat mengarah pada pembentukan "salib Einstein" atau "lingkaran Einstein" dalam gambar astronomi dari objek yang jauh.

Di antara prediksi teori itu juga perlambatan gravitasi waktu (yang, ketika mendekati objek besar, bertindak pada tubuh dengan cara yang sama seperti pelebaran waktu sebagai akibat dari percepatan), gravitasi (ketika seberkas cahaya yang dipancarkan oleh benda besar masuk ke bagian merah spektrum sebagai akibat hilangnya energi untuk fungsi kerja dari "sumur gravitasi"), serta gelombang gravitasi (gangguan ruang-waktu, yang menghasilkan benda apa pun yang memiliki massa dalam proses pergerakannya).

Status teori

Konfirmasi pertama dari teori relativitas umum diperoleh oleh Einstein sendiri pada tahun 1915 yang sama, ketika itu diterbitkan: teori yang dijelaskan dengan akurasi mutlak perpindahan perihelion Merkurius, yang sebelumnya tidak dapat dijelaskan menggunakan mekanika Newton. Sejak itu, banyak fenomena lain telah ditemukan yang diprediksi oleh teori, tetapi pada saat publikasinya terlalu lemah untuk dideteksi. Penemuan terbaru hingga saat ini adalah penemuan gelombang gravitasi 14 September 2015.

bahan dari buku "The Shortest History of Time" oleh Stephen Hawking dan Leonard Mlodinov

relativitas

Postulat fundamental Einstein, yang disebut prinsip relativitas, menyatakan bahwa semua hukum fisika harus sama untuk semua pengamat yang bergerak bebas, berapa pun kecepatannya. Jika kecepatan cahaya konstan, maka setiap pengamat yang bergerak bebas harus menetapkan nilai yang sama, terlepas dari kecepatan yang ia gunakan untuk mendekati sumber cahaya atau menjauh darinya.

Persyaratan bahwa semua pengamat setuju pada kecepatan cahaya memaksa perubahan dalam konsep waktu. Menurut teori relativitas, seorang pengamat yang naik kereta api dan seorang yang berdiri di atas peron akan berbeda pendapat tentang jarak yang ditempuh cahaya. Dan karena kecepatan adalah jarak dibagi waktu, satu-satunya cara bagi pengamat untuk menyepakati kecepatan cahaya adalah dengan tidak setuju dengan waktu juga. Dengan kata lain, relativitas mengakhiri gagasan tentang waktu absolut! Ternyata setiap pengamat harus memiliki ukuran waktunya sendiri, dan bahwa jam yang identik untuk pengamat yang berbeda belum tentu menunjukkan waktu yang sama.

Mengatakan bahwa ruang memiliki tiga dimensi, yang kami maksud adalah bahwa posisi suatu titik di dalamnya dapat disampaikan menggunakan tiga angka - koordinat. Jika kita memasukkan waktu ke dalam deskripsi kita, kita mendapatkan ruang-waktu empat dimensi.

Konsekuensi lain yang terkenal dari teori relativitas adalah kesetaraan massa dan energi, yang dinyatakan oleh persamaan Einstein yang terkenal E = mc 2 (di mana E adalah energi, m adalah massa benda, c adalah kecepatan cahaya). Karena kesetaraan energi dan massa energi kinetik, yang dimiliki benda material karena gerakannya, meningkatkan massanya. Dengan kata lain, objek menjadi lebih sulit untuk di-overclock.

Efek ini hanya signifikan untuk benda yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Misalnya, pada kecepatan yang sama dengan 10% dari kecepatan cahaya, massa benda hanya 0,5% lebih banyak daripada saat diam, tetapi pada kecepatan 90% dari kecepatan cahaya, massanya sudah akan lebih dari dua kali normal. Saat kita mendekati kecepatan cahaya, massa tubuh meningkat lebih cepat dan lebih cepat, jadi semuanya diperlukan untuk mempercepatnya. lebih banyak energi. Menurut teori relativitas, sebuah benda tidak akan pernah bisa mencapai kecepatan cahaya, karena dalam hal ini massanya akan menjadi tak terbatas, dan karena kesetaraan massa dan energi, ini akan membutuhkan energi tak terbatas. Itulah sebabnya teori relativitas selamanya menghukum setiap benda biasa untuk bergerak dengan kecepatan kurang dari kecepatan cahaya. Hanya cahaya atau gelombang lain yang tidak memiliki massa sendiri yang dapat bergerak dengan kecepatan cahaya.

ruang melengkung

Teori relativitas umum Einstein didasarkan pada asumsi revolusioner bahwa gravitasi bukanlah gaya biasa, tetapi konsekuensi dari fakta bahwa ruang-waktu tidak datar, seperti yang pernah diperkirakan. Dalam relativitas umum, ruang-waktu dibengkokkan atau dibelokkan oleh massa dan energi yang ditempatkan di dalamnya. Benda-benda seperti Bumi bergerak dalam orbit melengkung tidak di bawah pengaruh gaya yang disebut gravitasi.

Karena garis geodesik adalah garis terpendek antara dua bandara, navigator menerbangkan pesawat di sepanjang rute tersebut. Misalnya, Anda dapat mengikuti kompas untuk terbang sejauh 5.966 kilometer dari New York ke Madrid hampir ke timur sepanjang paralel geografis. Tetapi Anda hanya perlu menempuh 5.802 kilometer jika Anda terbang dalam lingkaran besar, pertama ke timur laut dan kemudian secara bertahap berbelok ke timur dan lebih jauh ke tenggara. Penampakan kedua rute ini di peta, di mana permukaan bumi terdistorsi (digambarkan sebagai datar), menipu. Ketika Anda bergerak "lurus" ke timur dari satu titik ke titik lain di permukaan bola bumi, Anda tidak benar-benar bergerak sepanjang garis lurus, atau lebih tepatnya, tidak sepanjang garis geodesik terpendek.

Jika lintasan pesawat ruang angkasa yang bergerak di ruang angkasa dalam garis lurus diproyeksikan ke permukaan bumi dua dimensi, ternyata melengkung.

Menurut relativitas umum, medan gravitasi harus membelokkan cahaya. Misalnya, teori memprediksi bahwa di dekat Matahari, sinar cahaya harus sedikit dibelokkan ke arahnya di bawah pengaruh massa bintang. Ini berarti bahwa cahaya bintang yang jauh, jika kebetulan melintas di dekat Matahari, akan menyimpang dengan sudut kecil, sehingga pengamat di Bumi akan melihat bintang tidak tepat di tempat sebenarnya.

Ingatlah bahwa menurut postulat dasar teori relativitas khusus, semua hukum fisika adalah sama untuk semua pengamat yang bergerak bebas, berapa pun kecepatannya. Secara kasar, prinsip ekivalensi memperluas aturan ini kepada para pengamat yang tidak bergerak bebas, tetapi di bawah pengaruh medan gravitasi.

Di wilayah ruang yang cukup kecil, tidak mungkin untuk menilai apakah Anda diam dalam medan gravitasi atau bergerak dengan percepatan konstan di ruang kosong.

Bayangkan Anda berada di lift di tengah ruang kosong. Tidak ada gravitasi, tidak ada naik turun. Anda melayang bebas. Kemudian lift mulai bergerak dengan percepatan konstan. Anda tiba-tiba merasa berat. Artinya, Anda ditekan ke salah satu dinding lift, yang sekarang dianggap sebagai lantai. Jika Anda mengambil sebuah apel dan melepaskannya, apel itu akan jatuh ke lantai. Faktanya, sekarang ketika Anda bergerak dengan percepatan, di dalam lift semuanya akan terjadi dengan cara yang persis sama seolah-olah lift tidak bergerak sama sekali, tetapi berhenti di medan gravitasi yang seragam. Einstein menyadari bahwa sama seperti Anda tidak dapat mengetahui ketika Anda berada di dalam gerbong kereta apakah itu diam atau bergerak beraturan, demikian juga ketika Anda berada di dalam lift, Anda tidak dapat mengetahui apakah lift itu bergerak dengan percepatan konstan atau dalam keadaan seragam. gerak. medan gravitasi. Hasil dari pemahaman ini adalah prinsip kesetaraan.

Prinsip ekivalensi dan contoh yang diberikan dari manifestasinya akan berlaku hanya jika massa inersia (termasuk dalam hukum kedua Newton, yang menentukan jenis percepatan yang diberikan oleh gaya yang diberikan pada tubuh) dan massa gravitasi(termasuk dalam hukum gravitasi Newton, yang menentukan besarnya gaya tarik gravitasi) adalah satu dan sama.

Penggunaan ekivalensi massa inersia dan gravitasi Einstein untuk memperoleh prinsip ekivalensi dan, pada akhirnya, seluruh teori relativitas umum adalah contoh perkembangan kesimpulan logis yang gigih dan konsisten, yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam sejarah pemikiran manusia.

Perlambatan waktu

Prediksi lain dari relativitas umum adalah bahwa di sekitar benda-benda masif seperti Bumi, waktu akan melambat.

Sekarang setelah kita akrab dengan prinsip kesetaraan, kita dapat mengikuti penalaran Einstein dengan melakukan eksperimen pemikiran lain yang menunjukkan mengapa gravitasi mempengaruhi waktu. Bayangkan sebuah roket terbang di luar angkasa. Untuk kenyamanan, kita akan menganggap bahwa tubuhnya begitu besar sehingga membutuhkan waktu satu detik untuk cahaya melewatinya dari atas ke bawah. Akhirnya, anggaplah ada dua pengamat di roket, satu di atas, dekat langit-langit, yang lain di bawah, di lantai, dan keduanya dilengkapi dengan jam yang sama yang menghitung detik.

Mari kita asumsikan bahwa pengamat atas, setelah menunggu hitungan mundur jamnya, segera mengirimkan sinyal cahaya ke yang lebih rendah. Pada hitungan berikutnya, ia mengirimkan sinyal kedua. Menurut kondisi kami, dibutuhkan satu detik untuk setiap sinyal mencapai pengamat yang lebih rendah. Karena pengamat atas mengirimkan dua sinyal cahaya dengan selang waktu satu detik, pengamat bawah juga akan mendaftarkannya dengan selang waktu yang sama.

Apa yang akan berubah jika, dalam percobaan ini, bukannya melayang bebas di luar angkasa, roket akan berdiri di bumi, mengalami aksi gravitasi? Menurut teori Newton, gravitasi tidak akan mempengaruhi situasi dengan cara apa pun: jika pengamat di atas memancarkan sinyal pada interval satu detik, maka pengamat di bawah akan menerimanya pada interval yang sama. Tetapi prinsip kesetaraan memprediksi perkembangan peristiwa yang berbeda. Yang mana, kita dapat memahami jika, sesuai dengan prinsip kesetaraan, kita secara mental mengganti aksi gravitasi dengan percepatan konstan. Ini adalah salah satu contoh bagaimana Einstein menggunakan prinsip kesetaraan untuk membuat karyanya teori baru gravitasi.

Jadi, misalkan roket kita mengalami percepatan. (Kita akan menganggap bahwa roket itu berakselerasi perlahan, sehingga kecepatannya tidak mendekati kecepatan cahaya.) Karena badan roket bergerak ke atas, sinyal pertama harus menempuh jarak yang lebih pendek dari sebelumnya (sebelum akselerasi dimulai), dan akan tiba di pengamat yang lebih rendah sebelum memberi saya waktu sebentar. Jika roket bergerak dengan kecepatan konstan, maka sinyal kedua akan tiba dengan jumlah yang persis sama sebelumnya, sehingga interval antara kedua sinyal akan tetap sama dengan satu detik. Tetapi pada saat mengirim sinyal kedua, karena percepatan, roket bergerak lebih cepat daripada saat mengirim sinyal pertama, sehingga sinyal kedua akan menempuh jarak yang lebih pendek dari yang pertama, dan menghabiskan lebih sedikit waktu. Pengamat di bawah, memeriksa arlojinya, akan mencatat bahwa interval antara sinyal kurang dari satu detik, dan tidak akan setuju dengan pengamat di atas, yang mengklaim bahwa ia mengirim sinyal tepat satu detik kemudian.

Dalam kasus roket yang dipercepat, efek ini mungkin tidak terlalu mengejutkan. Lagi pula, kami baru saja menjelaskannya! Tapi ingat: prinsip kesetaraan mengatakan bahwa hal yang sama terjadi ketika roket diam di medan gravitasi. Oleh karena itu, bahkan jika roket tidak dipercepat, tetapi, misalnya, berdiri di landasan peluncuran di permukaan bumi, sinyal yang dikirim oleh pengamat atas pada interval satu detik (menurut jamnya) akan tiba di bawah. pengamat pada interval yang lebih pendek (menurut jamnya). Ini benar-benar menakjubkan!

Gravitasi mengubah aliran waktu. Sama seperti relativitas khusus memberitahu kita bahwa waktu berjalan berbeda untuk pengamat yang bergerak relatif satu sama lain, teori relativitas umum menyatakan bahwa jalannya waktu berbeda untuk pengamat yang berada di tempat yang berbeda. medan gravitasi. Menurut teori relativitas umum, pengamat yang lebih rendah mencatat interval yang lebih pendek antara sinyal, karena waktu mengalir lebih lambat di dekat permukaan bumi, karena gravitasi lebih kuat di sini. Semakin kuat medan gravitasi, semakin besar efek ini.

Jam biologis kita juga merespons perubahan dalam perjalanan waktu. Jika salah satu dari si kembar tinggal di puncak gunung dan yang lainnya tinggal di tepi laut, yang pertama akan menua lebih cepat daripada yang kedua. Dalam hal ini, perbedaan usia akan diabaikan, tetapi akan meningkat secara signifikan segera setelah salah satu dari si kembar melakukan perjalanan panjang di pesawat ruang angkasa yang berakselerasi ke kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Ketika pengembara kembali, dia akan jauh lebih muda dari saudaranya, yang tetap tinggal di Bumi. Kasus ini dikenal sebagai paradoks kembar, tetapi hanya paradoks bagi mereka yang berpegang pada gagasan tentang waktu absolut. Dalam teori relativitas tidak ada waktu absolut yang unik - setiap individu memiliki ukuran waktunya sendiri, yang bergantung pada di mana dia berada dan bagaimana dia bergerak.

Dengan munculnya sistem navigasi ultra-presisi yang menerima sinyal dari satelit, perbedaan kecepatan jam pada ketinggian yang berbeda menjadi penting secara praktis. Jika peralatan mengabaikan prediksi relativitas umum, kesalahan dalam menentukan posisi bisa mencapai beberapa kilometer!

Munculnya teori relativitas umum secara radikal mengubah situasi. Ruang dan waktu telah mendapatkan status entitas dinamis. Ketika benda bergerak atau gaya bekerja, mereka menyebabkan kelengkungan ruang dan waktu, dan struktur ruang-waktu, pada gilirannya, mempengaruhi pergerakan benda dan aksi gaya. Ruang dan waktu tidak hanya mempengaruhi segala sesuatu yang terjadi di alam semesta, tetapi mereka sendiri bergantung pada itu semua.

Bayangkan seorang astronot pemberani yang tetap berada di permukaan bintang yang runtuh selama keruntuhan dahsyat. Pada titik tertentu di arlojinya, katakanlah pada pukul 11:00, bintang akan menyusut hingga radius kritis, di luar itu medan gravitasi menjadi begitu kuat sehingga tidak mungkin untuk melarikan diri darinya. Sekarang anggaplah astronot diinstruksikan untuk mengirim sinyal setiap detik pada arlojinya ke pesawat ruang angkasa yang mengorbit pada jarak tertentu dari pusat bintang. Ini mulai mengirimkan sinyal pada 10:59:58, yaitu, dua detik sebelum 11:00. Apa yang akan didaftarkan kru di pesawat ruang angkasa?

Sebelumnya, setelah melakukan eksperimen pemikiran dengan transmisi sinyal cahaya di dalam roket, kami yakin bahwa gravitasi memperlambat waktu dan semakin kuat, semakin signifikan efeknya. Seorang astronot di permukaan bintang berada dalam medan gravitasi yang lebih kuat daripada rekan-rekannya di orbit, jadi satu detik pada jamnya akan bertahan lebih lama dari satu detik pada jam kapal. Saat astronot bergerak dengan permukaan menuju pusat bintang, medan yang bekerja padanya menjadi semakin kuat, sehingga interval antara sinyal yang diterimanya di pesawat ruang angkasa terus memanjang. Dilatasi waktu ini akan sangat kecil hingga 10:59:59, sehingga untuk astronot di orbit, interval antara sinyal yang dikirimkan pada 10:59:58 dan 10:59:59 akan sangat sedikit lebih dari satu detik. Tetapi sinyal yang dikirim pada pukul 11:00 tidak diharapkan di kapal.

Apa pun yang terjadi di permukaan bintang antara 10:59:59 dan 11:00 menurut jam astronot akan diregangkan selama periode waktu tak terbatas oleh jam pesawat ruang angkasa. Saat kita mendekati 11:00, interval antara kedatangan puncak berturut-turut dan palung gelombang cahaya yang dipancarkan oleh bintang akan menjadi lebih lama dan lebih lama; hal yang sama akan terjadi dengan interval waktu antara sinyal astronot. Karena frekuensi radiasi ditentukan oleh jumlah punggungan (atau lembah) yang tiba per detik, semakin banyak frekuensi rendah radiasi bintang. Cahaya bintang akan menjadi semakin memerah dan memudar pada saat yang bersamaan. Akhirnya bintang akan sangat redup sehingga tidak terlihat oleh pengamat pesawat ruang angkasa; yang tersisa hanyalah lubang hitam di luar angkasa. Namun, efek gravitasi bintang pada pesawat ruang angkasa akan terus berlanjut, dan akan terus mengorbit.

teori relativitas umum(OTO) - teori geometri gravitasi, diterbitkan oleh Albert Einstein pada tahun 1915-1916. Dalam kerangka teori ini, yang merupakan pengembangan lebih lanjut dari teori relativitas khusus, dipostulasikan bahwa efek gravitasi tidak disebabkan oleh interaksi gaya benda dan medan yang terletak di ruang-waktu, tetapi oleh deformasi ruang-waktu. itu sendiri, yang terkait, khususnya, dengan kehadiran energi massa. Jadi, dalam relativitas umum, seperti dalam teori metrik lainnya, gravitasi bukanlah interaksi gaya. Relativitas umum berbeda dari teori gravitasi metrik lainnya dengan menggunakan persamaan Einstein untuk menghubungkan kelengkungan ruang-waktu dengan materi yang ada di ruang angkasa.

Relativitas umum saat ini merupakan teori gravitasi yang paling sukses, didukung dengan baik oleh pengamatan. Keberhasilan pertama relativitas umum adalah menjelaskan presesi anomali perihelion Merkurius. Kemudian, pada tahun 1919, Arthur Eddington melaporkan pengamatan pembelokan cahaya di dekat Matahari saat ini gerhana total, yang mengkonfirmasi prediksi teori relativitas umum.

Sejak itu, banyak pengamatan dan eksperimen lain telah mengkonfirmasi sejumlah besar prediksi teori, termasuk dilatasi waktu gravitasi, pergeseran merah gravitasi, penundaan sinyal dalam medan gravitasi, dan, sejauh ini hanya secara tidak langsung, radiasi gravitasi. Selain itu, banyak pengamatan ditafsirkan sebagai konfirmasi dari salah satu prediksi paling misterius dan eksotis dari teori relativitas umum - keberadaan lubang hitam.

Terlepas dari kesuksesan relativitas umum yang luar biasa, ada ketidaknyamanan dalam komunitas ilmiah yang tidak dapat dirumuskan kembali sebagai batas klasik teori kuantum karena munculnya divergensi matematis yang tidak dapat dipindahkan ketika mempertimbangkan lubang hitam dan singularitas ruang-waktu secara umum. Untuk mengatasi masalah ini, beberapa teori alternatif. Bukti eksperimental saat ini menunjukkan bahwa semua jenis penyimpangan dari relativitas umum seharusnya sangat kecil, jika memang ada.

Prinsip dasar relativitas umum

Teori gravitasi Newton didasarkan pada konsep gravitasi, yang merupakan gaya jarak jauh: ia bekerja seketika pada jarak berapa pun. Sifat tindakan yang instan ini tidak sesuai dengan paradigma medan fisika modern dan, khususnya, dengan teori khusus relativitas, dibuat pada tahun 1905 oleh Einstein, terinspirasi oleh karya Poincaré dan Lorentz. Dalam teori Einstein, tidak ada informasi yang dapat bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

Secara matematis, gaya gravitasi Newton diturunkan dari energi potensial benda dalam medan gravitasi. Potensi gravitasi yang sesuai dengan energi potensial ini mematuhi persamaan Poisson, yang tidak invarian di bawah transformasi Lorentz. Alasan non-invarians adalah bahwa energi dalam relativitas khusus tidak nilai skalar, dan masuk ke komponen waktu dari 4-vektor. Teori vektor gravitasi ternyata mirip dengan teori medan elektromagnetik Maxwell dan mengarah ke energi negatif gelombang gravitasi, yang dihubungkan dengan sifat interaksi: muatan (massa) dengan nama yang sama tertarik dalam gravitasi, dan tidak ditolak, seperti dalam elektromagnetisme. Dengan demikian, teori gravitasi Newton tidak sesuai dengan prinsip dasar teori relativitas khusus - invariansi hukum alam dalam kerangka acuan inersia mana pun, dan generalisasi vektor langsung dari teori Newton, yang pertama kali diusulkan oleh Poincaré pada tahun 1905 dalam karyanya bekerja "Pada Dinamika Elektron", mengarah ke hasil yang tidak memuaskan secara fisik .

Einstein mulai mencari teori gravitasi yang akan sesuai dengan prinsip invarian hukum alam sehubungan dengan kerangka acuan apa pun. Hasil dari pencarian ini adalah teori relativitas umum, berdasarkan prinsip identitas massa gravitasi dan inersia.

Prinsip kesetaraan massa gravitasi dan inersia

Dalam mekanika Newton klasik, ada dua konsep massa: yang pertama mengacu pada hukum kedua Newton, dan yang kedua mengacu pada hukum gravitasi universal. Massa pertama - inersia (atau inersia) - adalah rasio gaya non-gravitasi yang bekerja pada tubuh dengan percepatannya. Massa kedua - gravitasi (atau, seperti yang kadang-kadang disebut, berat) - menentukan gaya tarik tubuh oleh tubuh lain dan kekuatannya. kekuatan sendiri daya tarik. Secara umum, kedua massa ini diukur, seperti yang dapat dilihat dari deskripsi, dalam eksperimen yang berbeda, sehingga mereka tidak harus proporsional sama sekali. Proporsionalitas mereka yang ketat memungkinkan kita untuk berbicara tentang satu massa tubuh dalam interaksi non-gravitasi dan gravitasi. Dengan pilihan unit yang sesuai, massa ini dapat dibuat sama satu sama lain. Prinsip itu sendiri dikemukakan oleh Isaac Newton, dan kesetaraan massa diverifikasi olehnya secara eksperimental dengan akurasi relatif 10?3. Pada akhir abad ke-19, Eötvös melakukan eksperimen yang lebih halus, sehingga akurasi verifikasi prinsip menjadi 10?9. Selama abad ke-20, teknik eksperimental memungkinkan untuk mengkonfirmasi kesetaraan massa dengan akurasi relatif 10x12-10x13 (Braginsky, Dicke, dll.). Kadang-kadang prinsip kesetaraan massa gravitasi dan inersia disebut prinsip kesetaraan lemah. Albert Einstein meletakkannya di dasar teori relativitas umum.

Prinsip pergerakan sepanjang garis geodesik

Jika massa gravitasi persis sama dengan massa inersia, maka dalam ekspresi untuk percepatan benda, di mana hanya gaya gravitasi yang bekerja, kedua massa berkurang. Oleh karena itu, percepatan tubuh, dan akibatnya, lintasannya tidak bergantung pada massa dan struktur internal tubuh. Jika semua benda pada titik yang sama dalam ruang menerima percepatan yang sama, maka percepatan ini tidak dapat dikaitkan dengan sifat-sifat benda, tetapi dengan sifat-sifat ruang itu sendiri pada titik ini.

Dengan demikian, deskripsi interaksi gravitasi antara benda-benda dapat direduksi menjadi deskripsi ruang-waktu di mana benda-benda itu bergerak. Adalah wajar untuk mengasumsikan, seperti yang dilakukan Einstein, bahwa benda-benda bergerak dengan inersia, yaitu, sedemikian rupa sehingga percepatannya dalam kerangka acuannya sendiri adalah nol. Lintasan benda kemudian akan menjadi garis geodesik, teori yang dikembangkan oleh ahli matematika pada abad ke-19.

Garis-garis geodesik itu sendiri dapat ditemukan dengan menetapkan dalam ruang-waktu analog jarak antara dua peristiwa, yang secara tradisional disebut interval atau fungsi dunia. Interval dalam ruang tiga dimensi dan waktu satu dimensi (dengan kata lain, dalam ruang-waktu empat dimensi) diberikan oleh 10 komponen independen dari tensor metrik. 10 angka ini membentuk metrik ruang. Ini mendefinisikan "jarak" antara dua titik ruang-waktu yang sangat dekat dalam arah yang berbeda. Garis geodesik yang sesuai dengan garis dunia tubuh fisik, yang kecepatannya kurang dari kecepatan cahaya, ternyata menjadi garis waktu yang tepat terbesar, yaitu, waktu yang diukur oleh jam yang diikatkan secara kaku ke benda yang mengikuti lintasan ini. Eksperimen modern mengkonfirmasi gerakan benda di sepanjang garis geodesik dengan akurasi yang sama dengan kesetaraan massa gravitasi dan inersia.

Lengkungan ruang-waktu

Jika dua benda diluncurkan dari dua titik dekat yang sejajar satu sama lain, maka dalam medan gravitasi mereka akan secara bertahap mendekati atau menjauh satu sama lain. Efek ini disebut deviasi garis geodesik. Efek serupa dapat diamati secara langsung jika dua bola diluncurkan sejajar satu sama lain di atas membran karet, di mana sebuah benda besar ditempatkan di tengahnya. Bola akan menyebar: bola yang lebih dekat ke objek yang mendorong melalui membran akan cenderung ke pusat lebih kuat daripada bola yang lebih jauh. Perbedaan (deviasi) ini disebabkan oleh kelengkungan membran. Demikian pula, dalam ruang-waktu, deviasi geodesik (perbedaan lintasan benda) dikaitkan dengan kelengkungannya. Kelengkungan ruang-waktu secara unik ditentukan oleh metriknya - tensor metrik. Perbedaan antara teori relativitas umum dan teori gravitasi alternatif ditentukan dalam banyak kasus tepatnya dalam cara hubungan antara materi (benda dan medan non-gravitasi yang menciptakan medan gravitasi) dan sifat metrik ruang-waktu .

GR ruang-waktu dan prinsip kesetaraan yang kuat

Sering keliru menganggap bahwa dasar teori relativitas umum adalah prinsip kesetaraan medan gravitasi dan inersia, yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
Lokal yang relatif kecil sistem fisik, terletak di medan gravitasi, tidak dapat dibedakan perilakunya dari sistem yang sama, yang berada dalam percepatan (relatif terhadap sistem inersia referensi) sistem referensi yang terbenam dalam ruang-waktu datar relativitas khusus.

Kadang-kadang prinsip yang sama didalilkan sebagai "validitas lokal dari relativitas khusus" atau disebut "prinsip kesetaraan yang kuat".

Secara historis, prinsip ini sangat berperan besar dalam perkembangan teori relativitas umum dan digunakan oleh Einstein dalam perkembangannya. Namun, dalam bentuk teori yang paling final, ia tidak benar-benar terkandung, karena ruang-waktu di keduanya dipercepat dan sistem asli acuan dalam teori relativitas khusus tidak melengkung – datar, dan dalam teori relativitas umum ia dilengkungkan oleh benda apapun dan kelengkungannyalah yang menyebabkan tarikan gravitasi telp

Penting untuk dicatat bahwa perbedaan utama antara ruang-waktu teori relativitas umum dan ruang-waktu teori relativitas khusus adalah kelengkungannya, yang dinyatakan dengan besaran tensor - tensor kelengkungan. Dalam ruang-waktu relativitas khusus, tensor ini identik sama dengan nol dan ruang-waktunya datar.

Karena alasan ini, nama "relativitas umum" tidak sepenuhnya benar. Teori ini hanyalah salah satu dari sejumlah teori gravitasi yang saat ini sedang dipertimbangkan oleh fisikawan, sedangkan teori relativitas khusus (lebih tepatnya, prinsip metrikitas ruang-waktunya) diterima secara umum. Komunitas ilmiah dan merupakan landasan dasar fisika modern. Namun, perlu dicatat bahwa tidak ada yang lain teori yang dikembangkan gravitasi, kecuali relativitas umum, belum teruji oleh waktu dan eksperimen.

Konsekuensi Utama dari Relativitas Umum

Menurut prinsip korespondensi, dalam medan gravitasi lemah, prediksi relativitas umum bertepatan dengan hasil penerapan hukum gravitasi universal Newton dengan koreksi kecil yang meningkat seiring dengan peningkatan kekuatan medan.

Konsekuensi eksperimental pertama yang diprediksi dan diverifikasi dari relativitas umum adalah tiga efek klasik, yang tercantum di bawah ini dalam urutan kronologis dari verifikasi pertama mereka:
1. Pergeseran tambahan perihelion orbit Merkurius dibandingkan dengan prediksi mekanika Newton.
2. Penyimpangan berkas cahaya dalam medan gravitasi Matahari.
3. Pergeseran merah gravitasi, atau pelebaran waktu dalam medan gravitasi.

Ada sejumlah efek lain yang dapat diverifikasi secara eksperimental. Di antara mereka, kita dapat menyebutkan penyimpangan dan penundaan (efek Shapiro) gelombang elektromagnetik di medan gravitasi Matahari dan Jupiter, efek Lense-Thirring (presesi giroskop di dekat benda yang berputar), bukti astrofisika untuk keberadaan hitam. lubang, bukti emisi gelombang gravitasi oleh sistem dekat bintang ganda dan perluasan alam semesta.

Sejauh ini, bukti eksperimental yang dapat diandalkan yang menyangkal relativitas umum belum ditemukan. Penyimpangan nilai terukur dari efek dari yang diprediksi oleh relativitas umum tidak melebihi 0,1% (untuk tiga fenomena klasik di atas). Meskipun demikian, karena berbagai alasan, para ahli teori telah mengembangkan setidaknya 30 teori gravitasi alternatif, dan beberapa di antaranya memungkinkan untuk memperoleh hasil yang mendekati relativitas umum secara sewenang-wenang untuk nilai-nilai yang sesuai dari parameter yang termasuk dalam teori.

"ZS" No. 7-11 / 1939

Lev Landau

Tahun ini menandai ulang tahun ke-60 fisikawan terhebat di zaman kita, Albert Einstein. Einstein terkenal dengan teori relativitasnya, yang menyebabkan revolusi nyata dalam sains. Dalam pemahaman kita tentang dunia di sekitar kita, prinsip relativitas, yang dikemukakan oleh Einstein sejak tahun 1905, menghasilkan revolusi luar biasa yang sama dengan yang dihasilkan doktrin Copernicus pada masanya.
Sebelum Copernicus, orang berpikir bahwa mereka hidup di dunia yang benar-benar tenang, di Bumi yang tidak bergerak - pusat alam semesta. Copernicus membalikkan prasangka kuno ini, membuktikan bahwa sebenarnya Bumi hanyalah sebutir pasir kecil di dunia yang sangat luas, yang terus bergerak. Ini empat ratus tahun yang lalu. Dan sekarang Einstein telah menunjukkan bahwa hal yang begitu akrab dan tampaknya sangat jelas bagi kita seperti waktu juga memiliki sifat yang sama sekali berbeda dari yang biasanya kita kaitkan dengannya ...

Untuk memahami sepenuhnya teori yang sangat kompleks ini, diperlukan pengetahuan matematika dan fisika yang tinggi. Namun Ide umum semua orang dapat dan harus memilikinya manusia budaya. Kami akan mencoba memberikan gambaran umum tentang prinsip relativitas Einstein dalam artikel kami, yang akan diterbitkan dalam tiga bagian dalam edisi Pengetahuan adalah Kekuatan.

E. Zelikovich, I. Nechaev dan O. Pisarzhevsky mengambil bagian dalam pemrosesan artikel ini untuk pembaca muda.

Relativitas kita terbiasa

Apakah setiap pernyataan masuk akal?

Tentu saja tidak. Misalnya, jika Anda mengatakan "bee-ba-boo", maka tidak ada yang akan menemukan arti dalam seruan ini. Tetapi bahkan kata-kata yang cukup bermakna, digabungkan menurut semua aturan tata bahasa, juga dapat memberikan omong kosong. Dengan demikian, sulit untuk mengaitkan arti apa pun dengan frasa "keju liris tertawa".

Namun, tidak semua omong kosong begitu jelas: sangat sering sebuah pernyataan, pada pandangan pertama, cukup masuk akal, ternyata pada dasarnya tidak masuk akal. Katakan padaku, misalnya, di sisi mana Lapangan Pushkin di Moskow adalah monumen untuk Pushkin: di kanan atau di kiri?

Tidak mungkin menjawab pertanyaan ini. Jika Anda pergi dari Lapangan Merah ke Lapangan Mayakovsky, maka monumen akan berada di sebelah kiri, dan jika Anda pergi ke arah yang berlawanan, itu akan berada di sebelah kanan. Jelas bahwa tanpa menunjukkan arah dalam kaitannya dengan yang kita anggap "kanan" dan "kiri", konsep-konsep ini tidak ada artinya.

Dengan cara yang sama, tidak mungkin untuk mengatakan apa yang sekarang ada di dunia: siang atau malam? Jawabannya tergantung di mana pertanyaan itu diajukan. Saat siang di Moskow, malam di Chicago. Oleh karena itu, pernyataan "sekarang siang atau malam" tidak ada artinya kecuali jika ditunjukkan ke tempat mana di dunia yang dirujuknya. Konsep seperti itu akan disebut "relatif".

Dua gambar yang ditampilkan di sini menunjukkan seorang gembala dan seekor sapi. Di satu gambar, gembala lebih besar dari sapi, dan di foto lain sapi lebih besar dari gembala. Tetapi jelas bagi semua orang bahwa tidak ada kontradiksi di sini. Gambar dibuat oleh pengamat yang berada di tempat yang berbeda: yang pertama lebih dekat dengan sapi, yang kedua lebih dekat dengan gembala. Dalam lukisan, bukan ukuran benda yang penting, tetapi sudut di mana kita akan melihat benda-benda ini dalam kenyataan.

Jelas bahwa "besar sudut" suatu benda adalah relatif: itu tergantung pada jarak antara mereka dan objek. Semakin dekat objek, semakin besar besar sudutnya dan semakin besar tampilannya, dan semakin jauh objek, semakin kecil besar sudutnya dan semakin kecil tampilannya.

Yang mutlak ternyata relatif

Namun, tidak selalu, relativitas konsep kita sejelas contoh yang diberikan.

Kita sering mengatakan "di atas" dan "di bawah". Apakah konsep-konsep ini mutlak atau relatif? PADA masa lalu, ketika itu belum diketahui bahwa Bumi itu bulat, dan itu dibayangkan dalam bentuk panekuk datar, sudah pasti bahwa arah "naik" dan "turun" di seluruh dunia adalah sama.

Tapi kemudian ternyata Bumi itu bulat, dan ternyata arah vertikal di titik yang berbeda permukaan bumi berbeda.

Semua ini membuat kita tidak ragu sekarang. Sementara itu, sejarah menunjukkan bahwa tidak mudah memahami relativitas "naik" dan "turun". Orang-orang sangat cenderung memberikan makna mutlak pada konsep-konsep yang relativitasnya tidak jelas dari pengalaman sehari-hari. Ingat "keberatan" konyol terhadap kebulatan Bumi, yang sangat sukses di Abad Pertengahan: di "sisi lain" Bumi, kata mereka, pohon harus tumbuh ke bawah, tetesan hujan akan jatuh ke atas, dan orang-orang akan berjalan terbalik.

Memang, jika kita menganggap arah vertikal di Moskow sebagai mutlak, maka ternyata di Chicago orang berjalan terbalik. Dan dari sudut pandang mutlak orang-orang yang tinggal di Chicago, orang-orang Moskow berjalan terbalik. Namun sebenarnya arah vertikal itu tidak mutlak, melainkan relatif. Dan di mana-mana di Bumi, meskipun bulat, orang hanya berjalan terbalik.

Dan gerakan itu relatif

Mari kita bayangkan dua pelancong bepergian dengan kereta ekspres Moskow - Vladivostok. Mereka setuju untuk bertemu setiap hari di tempat yang sama di gerbong makan dan menulis surat kepada suami mereka. Pelancong yakin bahwa mereka memenuhi syarat - bahwa mereka setiap hari berada di tempat yang sama seperti kemarin. Namun, suami mereka tidak akan setuju dengan ini: mereka akan dengan tegas menegaskan bahwa para pelancong bertemu setiap hari di tempat baru, seribu kilometer jauhnya dari yang sebelumnya.

Siapa yang benar: para musafir atau suami mereka?

Kami tidak punya alasan untuk memberikan preferensi pada satu atau yang lain: konsep "satu dan tempat yang sama" adalah relatif. Mengenai kereta api, para pelancong benar-benar bertemu sepanjang waktu "di tempat yang sama", dan relatif terhadap permukaan bumi, tempat pertemuan mereka terus berubah.

Dengan demikian, posisi dalam ruang adalah konsep yang relatif. Berbicara tentang posisi tubuh, kita selalu mengartikan posisinya relatif terhadap tubuh lain. Oleh karena itu, jika kami diminta untuk menunjukkan di mana badan ini dan itu, tanpa menyebutkan badan lain dalam jawaban, kami harus menganggap persyaratan seperti itu sama sekali tidak praktis.

Dari sini dapat disimpulkan bahwa gerakan, atau gerakan, tubuh juga relatif. Dan ketika kita mengatakan "sebuah benda bergerak", itu hanya berarti bahwa ia mengubah posisinya relatif terhadap beberapa benda lain.

Mari kita bayangkan bahwa kita mengamati pergerakan suatu benda dari berbagai titik. Kami akan setuju untuk menyebut titik-titik tersebut sebagai "laboratorium". Laboratorium imajiner kami dapat berupa apa saja di dunia: rumah, kota, kereta api, pesawat, Bumi, planet lain, Matahari, dan bahkan bintang.

Apa yang akan terlihat oleh kita oleh lintasan, yaitu jalur tubuh yang bergerak?

Itu semua tergantung dari laboratorium mana kita mengamatinya. Asumsikan bahwa pilot mengeluarkan kargo dari pesawat. Dari sudut pandang pilot, beban terbang ke bawah secara vertikal dalam garis lurus, dan dari sudut pandang pengamat di tanah, beban yang jatuh menggambarkan garis lengkung - sebuah parabola. Pada lintasan apa beban sebenarnya bergerak?

Pertanyaan ini tidak masuk akal seperti pertanyaan tentang foto seseorang yang "nyata", foto yang diambil dari depan, atau foto yang diambil dari belakang?

Bentuk geometris lekukan di mana tubuh bergerak memiliki karakter relatif yang sama dengan foto seseorang. Saat memotret seseorang dari depan dan belakang, kita akan mendapatkan bidikan yang berbeda, dan masing-masing akan benar dengan sempurna. Dengan cara yang sama, mengamati pergerakan benda apa pun dari laboratorium yang berbeda, kita melihat lintasan yang berbeda, dan semua lintasan ini "nyata".

Tapi apakah mereka semua sama untuk kita? Apakah mungkin, bagaimanapun, untuk menemukan titik pengamatan seperti itu, laboratorium seperti itu, dari mana kita dapat mempelajari hukum-hukum yang mengatur gerak suatu benda dengan sebaik-baiknya?

Kami baru saja membandingkan lintasan tubuh yang bergerak dengan foto-foto seseorang - keduanya bisa sangat beragam - semuanya tergantung dari titik mana Anda mengamati gerakan tubuh atau mengambil gambar. Tapi tahukah Anda bahwa dalam fotografi, tidak semua sudut pandang sama. Misalnya, jika Anda membutuhkan foto untuk ID, maka Anda tentu ingin difoto dari depan, bukan dari belakang. Demikian pula, dalam mekanika, yaitu, ketika mempelajari hukum gerak benda, kita harus memilih yang paling cocok dari semua titik pengamatan yang mungkin.

Mencari kedamaian

Kita tahu bahwa gerakan benda dipengaruhi oleh pengaruh luar, yang kita sebut gaya. Tapi kita bisa membayangkan tubuh yang bebas dari pengaruh kekuatan apapun. Mari kita setuju sekali dan untuk semua untuk mempertimbangkan tubuh, di mana tidak ada gaya yang bekerja, dalam keadaan diam. Sekarang, setelah memperkenalkan konsep istirahat, tampaknya kita sudah memiliki beberapa dukungan kuat dalam mempelajari gerak benda. Faktanya, benda ini, di mana tidak ada gaya yang bekerja dan yang telah kita sepakati sebagai diam, dapat melayani kita sebagai panduan, "bintang pemandu" dalam mempelajari gerakan semua benda lain.

Bayangkan bahwa kita telah memindahkan beberapa tubuh begitu jauh dari semua tubuh lain sehingga tidak ada kekuatan yang akan bekerja padanya lagi. Dan kemudian kita akan dapat menetapkan bagaimana fenomena fisik harus berlangsung pada tubuh yang beristirahat seperti itu. Dengan kata lain, kita dapat menemukan hukum mekanika yang mengatur laboratorium "istirahat" imajiner ini. Dan dengan membandingkannya dengan apa yang kita amati di laboratorium nyata lainnya, kita sudah dapat menilai sifat sebenarnya dari gerak dalam semua kasus.

Jadi, tampaknya semuanya baik-baik saja: kami telah menemukan titik kuat - "perdamaian", meskipun bersyarat, dan sekarang gerakan itu telah kehilangan relativitasnya bagi kami.

Namun, pada kenyataannya, bahkan "kedamaian" ilusi yang dicapai dengan kesulitan seperti itu tidak akan mutlak.

Bayangkan para pengamat yang hidup di atas bola yang sepi, tersesat di hamparan alam semesta yang luas. Mereka tidak merasakan pengaruh kekuatan asing apa pun pada diri mereka sendiri dan, oleh karena itu, harus diyakinkan bahwa bola tempat mereka hidup berada dalam keadaan tidak bergerak, dalam kedamaian mutlak dan tidak berubah.

Tiba-tiba mereka melihat di kejauhan bola serupa lainnya, di mana ada pengamat yang sama. Dengan kecepatan tinggi, bola kedua ini meluncur, lurus dan merata, menuju yang pertama. Pengamat pada bola pertama tidak ragu bahwa mereka berdiri diam, dan hanya bola kedua yang bergerak. Tetapi penghuni bola kedua ini juga percaya pada imobilitas mereka dan sangat yakin bahwa bola "asing" pertama ini bergerak ke arah mereka.

Manakah dari mereka yang benar? Tidak ada gunanya memperdebatkan hal ini, karena keadaan gerak lurus dan seragam sama sekali tidak dapat dibedakan dari keadaan diam.

Untuk diyakinkan akan hal ini, Anda dan saya bahkan tidak perlu mendaki ke kedalaman alam semesta yang tak terbatas. Naik kapal uap sungai di dermaga, kunci diri Anda di kabin, dan tutupi jendela dengan baik. Dalam kondisi seperti itu, Anda tidak akan pernah tahu apakah Anda berdiri diam atau bergerak lurus dan merata. Semua benda di kabin akan berperilaku dengan cara yang persis sama dalam kedua kasus: permukaan air di kaca akan tetap tenang sepanjang waktu; sebuah bola yang dilempar vertikal ke atas juga akan jatuh secara vertikal ke bawah; bandul jam akan berayun seperti di dinding apartemen Anda.

Kapal uap Anda dapat melaju dengan kecepatan berapa pun, tetapi hukum gerak yang sama akan berlaku di atasnya seperti halnya pada kapal uap yang benar-benar tidak bergerak. Hanya pada saat memperlambat atau mempercepatnya Anda dapat mendeteksi gerakannya; ketika berjalan lurus dan merata, semuanya mengalir di atasnya dengan cara yang sama seperti di kapal yang diam.

Jadi, kami tidak menemukan perhentian mutlak di mana pun, tetapi menemukan bahwa di dunia ada banyak "perhentian" yang tak terhingga yang bergerak secara seragam dan lurus relatif satu sama lain. Oleh karena itu, ketika kita berbicara tentang gerakan suatu benda, kita harus selalu menunjukkan sehubungan dengan "istirahat" tertentu yang bergerak. Posisi ini disebut dalam mekanika "hukum relativitas gerak". Itu dikemukakan tiga ratus tahun yang lalu oleh Galileo.

Tetapi jika gerak dan diam adalah relatif, maka kecepatan, tentu saja, harus relatif. Jadi itu benar-benar. Misalkan, misalnya, Anda sedang berlari di geladak kapal uap dengan kecepatan 5 meter per detik. Jika kapal bergerak ke arah yang sama dengan kecepatan 10 meter per detik, maka kecepatan Anda relatif terhadap pantai adalah 15 meter per detik.

Oleh karena itu, pernyataan: “sebuah benda bergerak dengan kecepatan ini dan itu”, tanpa menunjukkan kecepatan yang diukur, tidak masuk akal. Menentukan kecepatan benda yang bergerak dari titik yang berbeda, kita harus mendapatkan hasil yang berbeda.

Segala sesuatu yang telah kita bicarakan sejauh ini telah diketahui jauh sebelum karya Einstein. Relativitas gerak, istirahat, dan kecepatan ditetapkan oleh pencipta besar mekanika - Galileo dan Newton. Hukum gerak yang ditemukannya membentuk dasar fisika dan selama hampir tiga abad memberikan kontribusi besar bagi perkembangan semua ilmu pengetahuan Alam. Fakta dan hukum baru yang tak terhitung jumlahnya ditemukan oleh para peneliti, dan semuanya berulang kali menegaskan kebenaran pandangan Galileo dan Newton. Pandangan ini juga ditegaskan dalam mekanika praktis - dalam desain dan pengoperasian semua jenis mesin dan peralatan.

Ini berlangsung sampai terlambat XIX abad, ketika fenomena baru ditemukan yang bertentangan dengan hukum mekanika klasik.

Pada tahun 1881, fisikawan Amerika Michaelson melakukan serangkaian eksperimen untuk mengukur kecepatan cahaya. Hasil tak terduga dari eksperimen ini membawa kebingungan ke jajaran fisikawan; itu begitu mencolok dan misterius sehingga membingungkan para ilmuwan terbesar di dunia.

Sifat luar biasa dari cahaya

Mungkin Anda telah mengamati fenomena yang begitu menarik.

Di suatu tempat di kejauhan, di lapangan, di rel kereta api atau di lokasi konstruksi, palu dipukul. Anda lihat betapa kerasnya ia jatuh di landasan atau di atas rel baja. Namun, suara benturan sama sekali tidak terdengar. Tampaknya palu telah mendarat di sesuatu yang sangat lembut. Tapi sekarang dia bangkit lagi. Dan pada saat dia sudah cukup tinggi di udara, Anda mendengar ketukan tajam di kejauhan.

Tidak sulit untuk memahami mengapa ini terjadi. Dalam kondisi normal, suara merambat di udara dengan kecepatan sekitar 340 meter per detik, jadi kita mendengar pukulan palu tidak pada saat itu terjadi, tetapi hanya setelah suara darinya sempat mencapai telinga kita.

Ini adalah contoh lain yang lebih mencolok. Petir dan guntur terjadi pada saat yang sama, tetapi sering kali tampaknya kilat menyambar tanpa suara, karena gemuruh guntur mencapai telinga kita hanya setelah beberapa detik. Jika kita terlambat mendengarnya, misalnya 10 detik, maka ini berarti kilat itu berjarak 340 x 10 = 3400 meter dari kita, atau 3,4 kilometer.

Dalam kedua kasus, kita berbicara tentang dua momen: ketika suatu peristiwa benar-benar terjadi, dan saat di mana gema dari peristiwa ini mencapai telinga kita. Tapi bagaimana kita tahu kapan tepatnya peristiwa itu benar-benar terjadi?

Kami melihatnya: kami melihat palu turun, kilat menyambar. Dalam hal ini, kita berasumsi bahwa peristiwa itu benar-benar terjadi pada saat kita melihatnya. Tapi benarkah demikian?

Tidak tidak seperti ini. Lagi pula, kita tidak melihat peristiwa secara langsung. Dalam fenomena yang kita amati dengan bantuan penglihatan, cahaya terlibat. Dan cahaya tidak merambat di ruang angkasa secara instan: seperti suara, dibutuhkan waktu bagi sinar cahaya untuk mengatasi jarak.

Dalam kehampaan, cahaya bergerak dengan kecepatan sekitar 300.000 kilometer per detik. Ini berarti bahwa jika cahaya berkedip pada jarak 300 ribu kilometer dari Anda, Anda dapat melihat kilatannya tidak segera, tetapi hanya sedetik kemudian.

Dalam satu detik, sinar cahaya bisa berputar tujuh kali Bumi sepanjang ekuator. Dibandingkan dengan kecepatan kolosal seperti itu, jarak di bumi tampaknya tidak signifikan, oleh karena itu, dalam praktiknya, kita dapat berasumsi bahwa kita melihat semua fenomena yang terjadi di Bumi pada saat yang sama ketika mereka terjadi.

tak terbayangkan kecepatan luar biasa cahaya mungkin tampak mengejutkan. Namun, yang jauh lebih mengejutkan adalah hal lain: fakta bahwa kecepatan cahaya luar biasa karena keteguhannya yang menakjubkan. Mari kita lihat apa keteguhan ini.

Diketahui bahwa pergerakan tubuh dapat diperlambat dan dipercepat secara artifisial. Jika, misalnya, sekotak pasir ditempatkan di jalur peluru, maka peluru di dalam kotak akan kehilangan sebagian kecepatannya. Kecepatan yang hilang tidak akan dipulihkan: setelah meninggalkan kotak, peluru akan terbang lebih jauh tidak dengan kecepatan yang sama, tetapi dengan kecepatan yang berkurang.

Sinar cahaya berperilaku sebaliknya. Di udara, mereka menyebar lebih lambat daripada di kekosongan, di air - lebih lambat daripada di udara, dan di kaca - bahkan lebih lambat. Namun, meninggalkan zat apa pun (tentu saja, transparan) ke dalam kehampaan, cahaya terus merambat pada kecepatan sebelumnya - 300 ribu kilometer per detik. Pada saat yang sama, kecepatan cahaya tidak tergantung pada sifat-sifat sumbernya: itu persis sama untuk sinar matahari, dan lampu sorot, dan lilin. Selain itu, tidak masalah apakah sumber cahaya itu sendiri bergerak atau tidak - ini sama sekali tidak memengaruhi kecepatan cahaya.

Untuk memahami sepenuhnya arti dari fakta ini, mari kita bandingkan sekali lagi perambatan cahaya dengan gerak benda biasa. Bayangkan Anda sedang menembakkan aliran air dari selang dengan kecepatan 5 meter per detik di jalan. Ini berarti bahwa setiap partikel air bergerak 5 meter per detik relatif terhadap jalan. Tetapi jika Anda menempatkan selang pada mobil yang lewat ke arah pancaran dengan kecepatan 10 meter per detik, maka kecepatan pancaran relatif terhadap jalan akan menjadi 15 meter per detik: partikel air diberi kecepatan tidak hanya oleh selang, tetapi juga oleh mobil yang bergerak, yang membawa selang bersama dengan jet ke depan.

Membandingkan sumber cahaya dengan selang, dan sinarnya - dengan semburan air, kita akan melihat perbedaan yang signifikan. Tidak ada bedanya dengan sinar cahaya dari sumber mana mereka memasuki kehampaan dan apa yang terjadi pada mereka sebelum mereka memasuki kehampaan. Begitu mereka berada di dalamnya, kecepatan rambat mereka sama dengan nilai yang sama - 300 ribu kilometer per detik, dan terlepas dari apakah sumber cahaya bergerak atau tidak.

Mari kita lihat bagaimana sifat khusus cahaya ini konsisten dengan hukum relativitas gerak, yang telah dibahas di bagian pertama artikel ini. Untuk melakukan ini, mari kita coba memecahkan masalah penambahan dan pengurangan kecepatan, dan untuk kesederhanaan kita akan menganggap bahwa semua fenomena yang kita bayangkan terjadi dalam kehampaan, di mana kecepatan cahaya adalah 300 ribu kilometer.

Biarkan sumber cahaya ditempatkan di kapal uap yang bergerak, di tengahnya, dan pengamat di setiap ujung kapal uap. Keduanya mengukur kecepatan rambat cahaya. Apa yang akan menjadi hasil pekerjaan mereka?

Karena sinar merambat ke segala arah, dan kedua pengamat bergerak bersama kapal dalam satu arah, gambar berikut akan berubah: pengamat yang terletak di ujung belakang kapal bergerak menuju sinar, dan yang depan terus menjauh dari mereka.

Oleh karena itu, pengamat pertama harus menemukan bahwa kecepatan cahaya adalah 300.000 kilometer ditambah kecepatan kapal uap, dan yang kedua harus menemukan bahwa kecepatan cahaya adalah 300.000 kilometer dikurangi kecepatan kapal uap. Dan jika kita membayangkan sejenak bahwa kapal uap menempuh jarak yang sangat besar 200.000 kilometer per detik, maka kecepatan cahaya yang ditemukan oleh pengamat pertama adalah 500.000 kilometer, dan pada yang kedua, 100.000 kilometer per detik. Pada kapal uap stasioner, kedua pengamat akan mendapatkan hasil yang sama - 300.000 kilometer per detik.

Jadi, dari sudut pandang pengamat, di kapal kita yang bergerak, cahaya tampaknya merambat ke satu arah 1 2/3 kali lebih cepat, dan di sisi lain - tiga kali lebih lambat daripada di arah yang diam. Setelah dibuat sederhana operasi aritmatika, mereka akan dapat mengatur kecepatan absolut kapal uap.

Dengan cara yang sama, kita dapat menetapkan kecepatan absolut benda bergerak lainnya: untuk melakukan ini, cukup menempatkan beberapa sumber cahaya di atasnya dan mengukur kecepatan rambat sinar cahaya dari berbagai titik benda.

Dengan kata lain, kami tiba-tiba menemukan diri kami mampu menentukan kecepatan, dan karenanya gerakan tubuh, terlepas dari semua tubuh lainnya. Tapi jika ada kecepatan mutlak, maka ada satu, istirahat mutlak, yaitu: setiap laboratorium di mana pengamat, mengukur kecepatan cahaya ke segala arah, mendapatkan nilai yang sama - 300 ribu kilometer per detik, akan benar-benar diam.

Sangat mudah untuk melihat bahwa semua ini sangat kontras dengan kesimpulan yang kami capai dalam edisi jurnal sebelumnya. Faktanya: kita berbicara tentang fakta bahwa pada benda yang bergerak secara beraturan dengan cara bujursangkar, semuanya berjalan sama seperti pada benda yang diam. Oleh karena itu, apakah kita, misalnya, menembak kapal uap ke arah gerakannya atau melawan gerakannya, kecepatan peluru relatif terhadap kapal uap akan tetap sama dan akan sama dengan kecepatan kapal uap stasioner. Pada saat yang sama, kami yakin bahwa gerak, kecepatan, dan istirahat adalah konsep relatif: gerakan absolut, kecepatan, dan istirahat tidak ada. Dan sekarang tiba-tiba ternyata pengamatan sifat-sifat cahaya membalikkan semua kesimpulan ini dan bertentangan dengan hukum alam yang ditemukan oleh Galileo - hukum relativitas gerak.

Tetapi ini adalah salah satu hukum fundamentalnya: ia mendominasi seluruh dunia; keadilannya telah ditegaskan oleh pengalaman berkali-kali, ditegaskan di mana-mana dan setiap menit sampai sekarang; jika dia tiba-tiba berhenti menjadi adil, kekacauan yang tak terbayangkan akan melanda alam semesta. Tetapi cahaya tidak hanya tidak mematuhinya, tetapi bahkan menyangkalnya!

Pengalaman Mikaelson

Apa yang harus dilakukan dengan kontradiksi ini? Sebelum mengungkapkan pertimbangan tertentu tentang masalah ini, mari kita perhatikan keadaan berikut: bahwa sifat-sifat cahaya bertentangan dengan hukum relativitas gerak, kita telah menetapkan secara eksklusif dengan penalaran. Memang, ini adalah argumen yang sangat persuasif. Tetapi, dengan membatasi diri kita pada penalaran saja, kita akan menjadi seperti para filsuf kuno yang mencoba menemukan hukum-hukum alam bukan dengan bantuan pengalaman dan pengamatan, tetapi hanya berdasarkan kesimpulan saja. Dalam hal ini, bahaya yang tak terhindarkan muncul bahwa gambaran dunia yang diciptakan dengan cara ini, dengan segala kelebihannya, akan menjadi sangat kecil seperti dunia nyata yang mengelilingi kita.

Hakim tertinggi dari setiap teori fisika selalu pengalaman, dan oleh karena itu, tidak terbatas pada penalaran tentang bagaimana cahaya harus merambat pada benda yang bergerak, orang harus beralih ke eksperimen yang akan menunjukkan bagaimana sebenarnya merambat dalam kondisi ini.

Namun, harus diingat bahwa pengaturan eksperimen semacam itu sulit karena alasan yang sangat sederhana: dalam praktiknya tidak mungkin menemukan benda seperti itu yang akan bergerak dengan kecepatan yang sepadan dengan kecepatan cahaya yang sangat besar. Bagaimanapun, kapal uap seperti yang kita gunakan dalam penalaran kita, tentu saja, tidak ada dan tidak mungkin ada.

Agar dapat menentukan sedikit perubahan dalam kecepatan cahaya pada benda yang bergerak relatif lambat yang dapat diakses oleh kita, perlu untuk membuat alat ukur dengan akurasi yang sangat tinggi. Dan hanya ketika perangkat semacam itu dapat dibuat, adalah mungkin untuk mulai mengklarifikasi kontradiksi antara sifat-sifat cahaya dan hukum relativitas gerak.

Eksperimen semacam itu dilakukan pada tahun 1881 oleh salah satu peneliti terbesar di zaman modern, fisikawan Amerika Mikaelson.

Sebagai benda yang bergerak, Michaelson menggunakan ... globe. Memang, Bumi adalah benda yang jelas bergerak: ia berputar mengelilingi Matahari dan, terlebih lagi, dengan kecepatan yang agak "padat" untuk kondisi kita - 30 kilometer per detik. Oleh karena itu, ketika mempelajari perambatan cahaya di Bumi, sebenarnya kita sedang mempelajari perambatan cahaya di laboratorium yang bergerak.

Mikaelson mengukur kecepatan cahaya di Bumi di berbagai arah dengan akurasi yang sangat tinggi, yaitu, dia secara praktis melakukan apa yang kami lakukan secara mental dengan Anda di kapal uap imajiner yang bergerak. Untuk menangkap perbedaan kecil 30 kilometer dibandingkan dengan jumlah besar 300.000 kilometer, Mikaelson harus menerapkan teknik eksperimental yang sangat kompleks dan menggunakan semua kecerdikannya yang luar biasa. Keakuratan eksperimen itu begitu hebat sehingga Mikaelson akan mampu mendeteksi perbedaan kecepatan yang jauh lebih kecil daripada yang ingin dideteksinya.

Keluar dari penggorengan ke dalam api

Hasil percobaan tampaknya sudah jelas sebelumnya. Mengetahui sifat-sifat cahaya, orang dapat memperkirakan bahwa kecepatan cahaya yang diukur dalam arah yang berbeda akan berbeda. Tapi mungkin menurut Anda hasil eksperimennya ternyata seperti ini?

Tidak ada yang seperti ini! Eksperimen Mikaelson memberikan hasil yang sama sekali tidak terduga. Selama beberapa tahun itu diulang berkali-kali di bawah kondisi yang paling bervariasi, tetapi selalu mengarah pada kesimpulan mengejutkan yang sama.

Di Bumi yang bergerak secara sadar, kecepatan cahaya, yang diukur ke segala arah, ternyata persis sama.

Jadi cahaya tidak terkecuali. Ia mematuhi hukum yang sama seperti peluru di kapal uap yang bergerak, hukum relativitas Galileo. Itu tidak mungkin untuk mendeteksi gerakan "mutlak" Bumi. Itu tidak ada, sebagaimana mestinya menurut hukum relativitas.

Kontradiksi tidak menyenangkan yang dihadapi sains telah diselesaikan. Tetapi kontradiksi baru muncul! Fisikawan keluar dari api dan masuk ke penggorengan.

Untuk memperjelas kontradiksi baru yang dibawa oleh pengalaman Mikaelson, mari kita tinjau penyelidikan kita secara berurutan.

Kami pertama kali menetapkan bahwa gerak dan istirahat mutlak tidak ada; Inilah yang dikatakan hukum relativitas Galileo. Kemudian ternyata properti khusus cahaya bertentangan dengan hukum relativitas. Dari sini diikuti bahwa gerak dan istirahat mutlak masih ada. Untuk menguji ini, Mikaelson melakukan percobaan. Eksperimen menunjukkan sebaliknya: tidak ada kontradiksi - dan cahaya mematuhi hukum relativitas. Oleh karena itu, gerak mutlak dan istirahat lagi tidak ada. Di sisi lain, implikasi dari pengalaman Mikaelson jelas berlaku untuk semua benda yang bergerak, bukan hanya bumi; oleh karena itu, kecepatan cahaya adalah sama di semua laboratorium, terlepas dari gerakan mereka sendiri, dan, oleh karena itu, kecepatan cahaya masih bukan relatif, tetapi nilai absolut.

Ternyata menjadi lingkaran setan. Fisikawan terhebat di seluruh dunia telah memeras otak mereka selama bertahun-tahun. Ditawarkan berbagai teori, hingga yang paling luar biasa dan fantastis. Tetapi tidak ada yang membantu: setiap asumsi baru segera menyebabkan kontradiksi baru. Dunia ilmiah menghadapi salah satu misteri terbesar.

Hal yang paling misterius dan aneh dari semua ini adalah bahwa sains di sini berurusan dengan fakta yang sepenuhnya jelas dan mapan: dengan hukum relativitas, properti yang diketahui cahaya dan pengalaman Mikaelson. Dan mereka, tampaknya, menuju ke absurditas yang sempurna.

Kontradiksi kebenaran... Tetapi kebenaran tidak dapat saling bertentangan, karena hanya ada satu kebenaran. Oleh karena itu, harus ada kesalahan dalam pemahaman kita tentang fakta. Tetapi dimana? Apa itu?

Selama 24 tahun penuh - dari tahun 1881 hingga 1905 - mereka tidak menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini. Tetapi pada tahun 1905, fisikawan terbesar di zaman kita, Albert Einstein, memberikan penjelasan yang brilian tentang teka-teki itu. Muncul dari sisi yang sama sekali tidak terduga, itu menghasilkan kesan bom yang meledak pada fisikawan.

Penjelasan Einstein sangat berbeda dari semua konsep yang telah digunakan manusia selama ribuan tahun sehingga kedengarannya sangat luar biasa. Namun, terlepas dari ini, ternyata tidak diragukan lagi benar: selama 34 tahun sekarang, eksperimen laboratorium dan pengamatan terhadap berbagai fenomena fisik di dunia semakin menegaskan validitasnya.

Saat pintu terbuka

Untuk memahami penjelasan Einstein, pertama-tama kita harus mengetahui satu konsekuensi dari eksperimen Mikaelson. Mari kita lihat langsung dengan sebuah contoh. Mari kita gunakan untuk ini sekali lagi sebuah kapal uap yang fantastis.

Bayangkan sebuah kapal uap sepanjang 5.400.000 kilometer. Biarkan bergerak dalam garis lurus dan seragam dengan kecepatan luar biasa 240 ribu kilometer per detik. Pada titik tertentu, bola lampu menyala di tengah kapal uap. Ada pintu di haluan dan buritan kapal. Mereka diatur sedemikian rupa sehingga pada saat cahaya dari bola lampu jatuh pada mereka, mereka secara otomatis terbuka. Di sini lampu menyala. Kapan tepatnya pintu akan terbuka?

Untuk menjawab pertanyaan ini, mari kita mengingat kembali hasil eksperimen Mikaelson. Eksperimen Mikaelson menunjukkan bahwa relatif terhadap pengamat di Bumi yang bergerak, cahaya merambat ke segala arah dengan kecepatan yang sama yaitu 300.000 kilometer per detik. Hal yang sama, tentu saja, akan terjadi pada kapal uap yang bergerak. Tetapi jarak dari bola lampu ke ujung kapal adalah 2700.000 kilometer, dan 2700.000: 300.000 = 9. Artinya, cahaya dari bola lampu akan mencapai setiap pintu dalam waktu 9 detik. Dengan demikian, kedua pintu akan terbuka secara bersamaan.

Ini adalah bagaimana kasus akan disajikan kepada pengamat di kapal. Dan apa yang akan dilihat orang-orang di dermaga, melewati mana kapal uap itu bergerak?

Karena kecepatan cahaya tidak bergantung pada pergerakan sumber cahaya, kecepatannya sama dengan 300.000 kilometer per detik relatif terhadap dermaga, meskipun faktanya sumber cahaya berada di kapal yang bergerak. Namun, dari sudut pandang pengamat di dermaga, pintu di buritan kapal bergerak ke arah berkas cahaya dengan kecepatan kapal. Kapan pintu akan bertemu balok?

Di sini kita berurusan dengan masalah yang mirip dengan masalah dua pelancong yang bepergian ke arah satu sama lain. Untuk menemukan waktu pertemuan, Anda perlu membagi jarak antara para pelancong dengan jumlah kecepatan mereka. Mari kita lakukan hal yang sama di sini. Jarak antara bola lampu dan pintu adalah 2.700 ribu kilometer, kecepatan pintu (yaitu kapal uap) adalah 240 ribu kilometer per detik, dan kecepatan cahaya adalah 300 ribu kilometer per detik.

Oleh karena itu, pintu belakang akan terbuka melalui

2700.000/(300000 + 240000)=5 detik

Setelah bola lampu menyala. Bagaimana dengan bagian depan?

Pintu depan, dari sudut pandang pengamat di dermaga, berkas cahaya harus mengejar, karena bergerak dengan kapal ke arah yang sama dengan berkas cahaya. Oleh karena itu, di sini kita memiliki masalah pelancong, salah satunya menyusul yang lain. Kami akan membagi jarak dengan perbedaan kecepatan:

2700.000/(300000 - 240000)=45 detik

Jadi, pintu pertama akan terbuka 5 detik setelah lampu menyala, dan pintu kedua akan terbuka 45 detik kemudian. Oleh karena itu, pintu tidak akan terbuka pada saat yang bersamaan. Itulah gambar yang akan disajikan kepada orang-orang di dermaga! Gambar adalah yang paling menakjubkan dari semua yang telah dikatakan sejauh ini.

Ternyata peristiwa yang sama - pembukaan pintu depan dan belakang - akan menjadi simultan untuk orang-orang di kapal, dan tidak bersamaan untuk orang-orang di dermaga, tetapi dipisahkan oleh interval waktu 40 detik.

Bukankah ini terdengar seperti omong kosong? Bukankah ini terlihat seperti pernyataan yang tidak masuk akal dari lelucon - bahwa panjang buaya dari ekor ke kepala adalah 2 meter, dan dari kepala ke ekor adalah 1 meter?

Dan, ingatlah, orang-orang di dermaga tidak akan berpikir bahwa pintu terbuka pada saat yang sama: bagi mereka itu akan benar-benar terjadi pada saat yang sama. Bagaimanapun, kami menghitung waktu ketika masing-masing pintu terbuka. Pada saat yang sama, kami menemukan bahwa pintu kedua benar-benar terbuka 40 detik lebih lambat dari yang pertama.

Namun, penumpang kapal uap juga dengan tepat memastikan bahwa kedua pintu terbuka pada saat yang bersamaan. Dan itu ditunjukkan secara aritmatika. Apa yang terjadi? Aritmatika vs Aritmatika?!

Tidak, aritmatika tidak bisa disalahkan di sini. Semua kontradiksi yang kita temui di sini terletak pada kesalahpahaman kita tentang waktu: waktu ternyata benar-benar berbeda dari apa yang dianggap manusia sampai sekarang.

Einstein merevisi konsep-konsep lama yang berusia ribuan tahun ini. Pada saat yang sama, ia membuat penemuan hebat, berkat namanya menjadi abadi.

Waktu itu relatif

Dalam edisi sebelumnya kami menunjukkan kesimpulan luar biasa yang harus ditarik oleh fisikawan dari eksperimen Mikaelson. Kami telah mempertimbangkan contoh kapal uap imajiner di mana dua pintu terbuka pada sinyal cahaya, dan kami telah menetapkan fakta yang mencolok: dari sudut pandang pengamat di kapal uap, pintu terbuka pada saat yang sama, tetapi dari sudut pandang pengamat di dermaga, pada saat yang berbeda.

Apa yang tidak biasa bagi seseorang tampaknya luar biasa baginya. Kasus pintu pada kapal uap tampaknya cukup luar biasa karena kita tidak pernah bergerak dengan kecepatan bahkan dari jarak jauh mendekati angka menakjubkan 240.000 kilometer per detik. Tetapi harus diperhitungkan bahwa fenomena yang terjadi pada kecepatan seperti itu bisa sangat berbeda dari yang biasa kita alami Kehidupan sehari-hari.

Tentu saja, pada kenyataannya, tidak ada kapal uap yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Dan faktanya, tidak ada yang pernah mengamati kasus pintu seperti yang dijelaskan dalam contoh kita. Tetapi fenomena serupa, berkat teknologi eksperimental modern yang sangat maju, pasti dapat dideteksi. Ingatlah bahwa contoh dengan pintu terbuka tidak didasarkan pada penalaran abstrak, tetapi semata-mata pada fakta-fakta mapan yang diperoleh melalui pengalaman: eksperimen Mikaelson dan pengamatan bertahun-tahun tentang sifat-sifat cahaya.

Jadi, pengalamanlah yang membawa kita pada kesimpulan yang tak terbantahkan bahwa konsep keserentakan dua peristiwa itu tidak mutlak. Sebelumnya, kami mempertimbangkan bahwa jika dua peristiwa terjadi di laboratorium mana pun pada saat yang sama, maka untuk laboratorium lain mana pun mereka akan simultan. Sekarang kita telah menemukan bahwa ini hanya berlaku untuk laboratorium yang diam relatif terhadap satu sama lain. Jika tidak, peristiwa yang simultan untuk satu laboratorium akan terjadi di laboratorium lain pada waktu yang berbeda.

Dari sini dapat disimpulkan bahwa konsep simultanitas adalah konsep yang relatif. Ini memperoleh makna hanya ketika Anda menunjukkan bagaimana laboratorium bergerak, dari mana peristiwa diamati.

Di awal artikel, kami berbicara tentang dua pelancong yang muncul setiap hari di mobil restoran ekspres. Para pelancong yakin bahwa mereka bertemu sepanjang waktu di tempat yang sama. Suami mereka mengklaim bahwa mereka bertemu setiap hari di tempat baru, seribu kilometer jauhnya dari tempat sebelumnya.

Keduanya benar: dalam hal kereta api, para pelancong sebenarnya bertemu di tempat yang sama, tetapi sehubungan dengan rel kereta api, di tempat yang berbeda. Contoh ini menunjukkan kepada kita bahwa konsep ruang bukanlah konsep absolut, tetapi konsep relatif.

Kedua contoh - tentang bertemu pelancong dan membuka pintu di kapal uap - mirip satu sama lain. Dalam kedua kasus kita sedang berbicara tentang relativitas, dan bahkan ada kata-kata yang sama: "sama" dan "berbeda". Hanya dalam contoh pertama ini tentang tempat, yaitu tentang ruang, dan di contoh kedua - tentang momen, yaitu tentang waktu. Apa yang mengikuti dari sini?

Bahwa konsep waktu sama relatifnya dengan konsep ruang.

Untuk akhirnya memverifikasi ini, mari sedikit memodifikasi contoh kapal uap. Mari kita asumsikan bahwa mekanisme salah satu pintu rusak. Biarkan orang-orang di kapal memperhatikan bahwa pintu depan dibuka 15 detik sebelum pintu belakang karena kerusakan ini. Dan apa yang akan dilihat orang di dermaga?

Jika pada varian pertama dari contoh pintu depan dibuka untuk mereka 40 detik lebih lambat dari yang belakang, maka pada varian kedua akan terjadi hanya 40 - 15 = 25 detik kemudian. Karena itu, ternyata untuk orang-orang di kapal pintu depan dibuka lebih awal dari belakang, dan untuk orang-orang di dermaga - lebih lambat.

Jadi, apa yang terjadi sebelumnya untuk satu laboratorium terjadi kemudian dalam kaitannya dengan yang lain. Dari sini jelas bahwa konsep waktu itu sendiri merupakan konsep yang relatif.

Penemuan ini dibuat pada tahun 1905 oleh fisikawan berusia dua puluh enam tahun Albert Einstein. Sebelum itu, manusia membayangkan waktu sebagai sesuatu yang mutlak - di mana pun di dunia sama, tidak bergantung pada laboratorium mana pun. Jadi begitu orang menganggap arah atas dan bawah sama di seluruh dunia.

Dan kini nasib ruang telah menimpa waktu. Ternyata ungkapan "pada saat yang sama" tidak memiliki lebih masuk akal daripada ungkapan "di tempat yang sama" jika tidak ditentukan laboratorium mana yang mereka rujuk.

Mungkin seseorang masih memiliki pertanyaan: sebenarnya, terlepas dari laboratorium mana pun, apakah ada dua peristiwa yang bersamaan atau tidak? Memikirkan pertanyaan ini sama absurdnya dengan memikirkan pertanyaan itu, tetapi di mana sebenarnya, terlepas dari laboratorium mana pun, yang teratas dan terbawah di dunia?

Penemuan relativitas waktu memungkinkan, seperti yang akan Anda lihat nanti, untuk menyelesaikan semua kontradiksi yang dibawa oleh eksperimen Mikaelson pada fisika. Penemuan ini adalah salah satu kemenangan terbesar pikiran atas ide-ide stagnan yang telah berkembang selama ribuan tahun. Mencolok dengan keanehannya di sini akademisi, itu menghasilkan revolusi besar dalam pandangan umat manusia tentang alam. Secara karakter dan signifikansi, itu hanya dapat dibandingkan dengan pergolakan yang disebabkan oleh penemuan kebulatan Bumi atau penemuan pergerakannya mengelilingi Matahari.

Jadi Einstein, bersama dengan Copernicus dan Newton, membuka jalan yang benar-benar baru bagi sains. Dan bukan tanpa alasan bahwa penemuan ini, yang saat itu masih muda, ilmuwan dengan cepat mendapatkan ketenaran untuknya. fisikawan terhebat abad kita.

Doktrin relativitas waktu biasanya disebut "prinsip relativitas Einstein" atau hanya "prinsip relativitas". Seharusnya tidak bingung dengan hukum, atau prinsip, relativitas gerak, yang telah dibahas sebelumnya, yaitu, dengan "prinsip relativitas klasik", atau "prinsip relativitas Galileo - Newton."

Kecepatan ada batasnya

Ceritakan di artikel majalah tentang itu perubahan besar dan segala sesuatu yang baru yang telah diperkenalkan oleh prinsip relativitas ke dalam sains adalah mustahil. Selain itu, untuk memahami semua ini, seseorang harus memiliki pengetahuan fisika yang baik dan matematika yang lebih tinggi.

Tujuan artikel kami adalah untuk menjelaskan hanya dasar-dasar prinsip Einstein dan konsekuensi terpenting yang mengikuti relativitas waktu. Ini saja, seperti yang telah Anda lihat, jauh dari tugas yang mudah. Perhatikan bahwa prinsip relativitas adalah salah satu yang paling sulit pertanyaan ilmiah, dan umumnya tidak mungkin untuk melihat cukup dalam ke dalamnya tanpa bantuan matematika.

Untuk mulai dengan, pertimbangkan satu konsekuensi yang sangat penting dari relativitas waktu, mengenai kecepatan.

Seperti yang Anda ketahui, kecepatan lokomotif uap, mobil, dan pesawat terbang terus meningkat sejak penemuannya dan hingga hari ini. Saat ini, itu telah mencapai nilai yang akan tampak luar biasa hanya beberapa dekade yang lalu. Itu akan terus meningkat.

Kecepatan yang jauh lebih tinggi juga dikenal dalam teknologi. Ini, pertama-tama, kecepatan peluru dan peluru artileri. Kecepatan terbang peluru dan peluru, berkat perbaikan teknis yang berkelanjutan, juga meningkat dari tahun ke tahun dan akan terus meningkat di masa depan.

Namun kecepatan tertinggi yang digunakan dalam teknologi adalah kecepatan transmisi sinyal menggunakan sinar cahaya, arus listrik dan gelombang radio. Dalam ketiga kasus, kira-kira sama dengan nilai yang sama - 300 ribu kilometer per detik.

Orang mungkin berpikir bahwa dengan perkembangan teknologi lebih lanjut, dengan ditemukannya beberapa sinar baru, bahkan kecepatan ini akan dilampaui; Dengan terus meningkatkan kecepatan yang tersedia bagi kita, pada akhirnya kita akan dapat sedekat yang kita inginkan dengan transmisi sinyal atau upaya instan yang ideal melalui jarak berapa pun.

Namun, pengalaman Mikaelson menunjukkan bahwa cita-cita ini tidak mungkin tercapai. Memang, pada tingkat transmisi yang sangat tinggi, sinyal dari dua peristiwa dalam semua kondisi akan mencapai kita secara instan; dan jika di satu laboratorium dua peristiwa terjadi secara bersamaan, maka di semua laboratorium lain mereka juga akan diamati secara bersamaan - pada saat yang sama ketika mereka terjadi. Dan ini berarti bahwa "simultanitas" telah menjadi mutlak, sepenuhnya independen dari pergerakan laboratorium. Tetapi kemutlakan waktu, seperti yang telah kita lihat, dibantah oleh eksperimen Mikaelson. Oleh karena itu, transmisi sinyal atau kekuatan tidak bisa seketika.

Dengan kata lain, kecepatan transmisi apa pun tidak bisa sangat besar. Ada batas kecepatan tertentu - batas kecepatan yang dalam keadaan apa pun tidak dapat dilampaui.

Sangat mudah untuk memverifikasi bahwa kecepatan pembatas bertepatan dengan kecepatan cahaya. Lagi pula, menurut prinsip relativitas Galileo - Newton, hukum alam di semua laboratorium bergerak relatif satu sama lain dalam garis lurus dan seragam adalah sama. Ini berarti bahwa untuk semua laboratorium seperti itu kecepatan yang sama harus menjadi yang membatasi. Tetapi kecepatan seperti apa yang mempertahankan nilainya tidak berubah di semua laboratorium? Keteguhan yang luar biasa, seperti yang telah kita lihat, hanyalah kecepatan cahaya, dan hanya itu! Dari sini dapat disimpulkan bahwa kecepatan cahaya bukan hanya kecepatan propagasi dari suatu tindakan (walaupun sangat penting) di dunia: itu adalah kecepatan pembatas yang ada di alam pada saat yang sama.

Penemuan keberadaan kecepatan yang membatasi di alam juga merupakan salah satu kemenangan terbesar pemikiran manusia. Seorang fisikawan abad terakhir tidak dapat menebak bahwa ada batas kecepatan. Namun, jika dia menemukan fakta adanya kecepatan yang membatasi selama eksperimen, dia akan memutuskan bahwa ini adalah kecelakaan, bahwa hanya keterbatasan kemampuan eksperimentalnya yang harus disalahkan. Dia akan dibenarkan untuk berpikir bahwa dengan perkembangan teknologi, kecepatan yang membatasi dapat dilampaui.

Kebalikannya jelas bagi kita: akan sama konyolnya untuk mengandalkan hal ini dengan percaya bahwa dengan perkembangan navigasi akan memungkinkan untuk mencapai suatu tempat di permukaan bumi yang jaraknya lebih dari 20 ribu kilometer dari titik awal ( yaitu, lebih dari setengah keliling bumi).

Kapan satu menit sama dengan satu jam?

Untuk sepenuhnya menjelaskan relativitas waktu dan konsekuensi yang mengikuti dari ini, yang tampak aneh dari kebiasaan, Einstein menggunakan contoh dengan kereta api. Kami akan melakukan hal yang sama. Kereta raksasa yang bergerak dengan kecepatan luar biasa imajiner akan disebut "kereta Einstein".

Bayangkan sebuah kereta api yang sangat panjang. Ada dua stasiun pada jarak 864 juta kilometer dari satu sama lain. Untuk menempuh jarak di antara mereka, kereta Einstein, yang bergerak dengan kecepatan, katakanlah, 240 ribu kilometer per detik, akan membutuhkan waktu satu jam. Kedua stasiun memiliki sepenuhnya jam akurat.

Seorang musafir naik kereta di stasiun pertama. Pertama, dia menyetel kronometer sakunya persis ke jam stasiun. Setibanya di stasiun lain, dia membandingkannya dengan jam stasiun dan terkejut melihat kronometernya tertinggal ...

Kenapa ini terjadi?

Misalkan ada bola lampu listrik di lantai mobil, dan cermin di langit-langit. Seberkas cahaya dari bola lampu yang mengenai cermin dipantulkan kembali ke bola lampu. Jalur balok, seperti yang terlihat oleh musafir di dalam mobil, ditunjukkan pada gambar atas: balok diarahkan vertikal ke atas dan jatuh vertikal ke bawah.

Gambar yang berbeda akan disajikan kepada pengamat di stasiun. Selama waktu di mana seberkas cahaya pergi dari bola lampu ke cermin, cermin bergerak bersama dengan kereta api. Dan selama jatuhnya sinar yang dipantulkan, bola lampu itu sendiri bergerak dengan jarak yang sama. Lintasan yang ditempuh sinar dari sudut pandang pengamat di stasiun ditunjukkan pada gambar di bawah: ia membentuk dua sisi segitiga sama kaki. Dasar segitiga dibentuk oleh bola lampu yang dibawa ke depan oleh kereta api.

Kita melihat bahwa dari sudut pandang pengamat di stasiun, berkas cahaya menempuh jarak yang lebih jauh daripada dari sudut pandang pengamat di kereta. Pada saat yang sama, kita tahu bahwa kecepatan cahaya adalah konstan dalam semua kondisi: itu persis sama untuk seorang pengamat di stasiun, dan untuk seorang musafir di kereta api. Apa yang mengikuti dari sini?

Jelas bahwa jika kecepatannya sama, tetapi panjang lintasannya berbeda, maka lebih sedikit waktu yang dihabiskan untuk melewati jalan yang lebih kecil, dan lebih banyak waktu yang dihabiskan untuk melewati jalan yang lebih besar. Sangat mudah untuk menghitung rasio kedua kali.

Misalkan dari sudut pandang pengamat di stasiun, 10 detik berlalu antara keberangkatan sinar ke cermin dan kembalinya ke bola lampu. Selama 10 detik ini, cahaya telah berlalu:

300.000 x 10 = 3 juta kilometer.

Akibatnya, sisi AB dan BC dari segitiga sama kaki ABC masing-masing sama dengan 1,5 juta kilometer. Sisi AC 1 alas segitiga sama dengan jarak yang ditempuh kereta api dalam waktu 10 sekon, yaitu:

240.000 x 10 = 2,4 juta kilometer.

Setengah pangkalan, AD 1 sama dengan 1,2 juta kilometer.

Dari sini mudah untuk menentukan tinggi mobil - tinggi segitiga BD. Dari segitiga siku-siku ABD kami memiliki:

BD 2 \u003d AB 2 - AD 2 \u003d 1,52 - 1,22

Jadi BD = 0,9 juta kilometer.

Ketinggiannya cukup padat, yang, bagaimanapun, tidak mengejutkan mengingat dimensi astronomi kereta Einstein.

Lintasan yang ditempuh oleh sinar dari sudut pandang pengamat di kereta api jelas sama dengan dua kali tinggi segitiga:

2BD = 2 x 0,9 = 1,8 juta kilometer.

Untuk menempuh jalan ini, cahaya akan membutuhkan:

1.800.000/300.000 = 6 detik.

Jadi, ketika seberkas cahaya berpindah dari bola lampu ke cermin dan kembali, 10 detik berlalu di stasiun, dan hanya 6 detik di kereta. Perbandingan waktu di kereta dengan waktu di stasiun adalah 6/10.

Oleh karena itu konsekuensi yang mengejutkan: menurut waktu stasiun, kereta menghabiskan satu jam perjalanan antar stasiun, tetapi menurut kronometer perjalanan, hanya 6/10 jam, yaitu 36 menit. Itulah sebabnya selama waktu perpindahan antar stasiun, kronometer pelancong tertinggal di belakang jam stasiun dan, terlebih lagi, 24 menit.

Fakta ini perlu dipahami dengan baik: kronometer pelancong tertinggal bukan karena; bahwa itu lebih lambat atau tidak bekerja dengan benar. Tidak, itu bekerja seperti jam di stasiun. Tetapi waktu di kereta yang bergerak relatif terhadap stasiun mengalir secara berbeda dari pada di stasiun.

Dapat dilihat dari diagram segitiga bahwa lebih cepat kereta api, semakin besar seharusnya lag kronometer dari kereta ke kecepatan cahaya, dimungkinkan untuk memastikan bahwa setiap periode waktu kecil berlalu di kereta dalam satu jam waktu stasiun. Misalnya, pada kecepatan kereta api sekitar 0,9999 kecepatan cahaya, hanya 1 menit akan berlalu per jam waktu stasiun di kereta (atau, sebaliknya, per menit waktu stasiun di kereta api). satu jam akan berlalu, jika seorang pengamat di satu stasiun memeriksa waktunya menggunakan dua kronometer yang dipasang di awal dan di akhir kereta).

Mempertimbangkan waktu sebagai sesuatu yang mutlak, seseorang biasa membayangkannya sebagai sesuatu yang mengalir secara merata, dan terlebih lagi, di mana-mana dan dalam semua kondisi di dunia dengan kecepatan yang sama. Tapi kereta Einstein menunjukkan bahwa laju waktu berbeda di laboratorium yang berbeda. Relativitas waktu ini adalah salah satu sifat terpenting dunia fisik.

Dari semua yang telah dikatakan, kita dapat menyimpulkan bahwa "mesin waktu" yang digambarkan oleh Wells dalam sebuah cerita fantastis bukanlah fantasi kosong. Relativitas waktu membuka di hadapan mereka kemungkinan - setidaknya secara teoritis - perjalanan ke masa depan. Sangat mudah untuk melihat bahwa kereta Einstein justru merupakan "mesin waktu".

Mesin waktu

Memang, bayangkan kereta Einstein tidak bergerak dalam garis lurus, tetapi sepanjang rel melingkar. Kemudian, setiap kali pelancong kembali ke stasiun awal, ia akan menemukan bahwa jamnya berada di belakang jam stasiun.

Dengan memperkirakan kecepatan kereta api dengan kecepatan cahaya, Anda dapat, seperti yang sudah Anda ketahui, memastikan bahwa sedikit waktu berlalu dalam satu jam sesuai dengan jam stasiun di kereta. Ini mengarah pada hasil yang mengejutkan: sementara hanya bertahun-tahun berlalu di kereta, ratusan dan ribuan tahun berlalu di stasiun. Keluar dari "mesin waktu"-nya, pengelana kita akan menemukan dirinya di masa depan yang terpisah... Kerabat dan teman-temannya telah lama meninggal... Dia hanya akan menemukan keturunan jauh mereka yang masih hidup.

Namun, kereta Einstein masih sangat berbeda dari kereta Wells. Lagi pula, menurut novelis itu, dia bisa bergerak tepat waktu bukan karena kecepatannya yang tinggi, tetapi berkat beberapa perangkat teknis khusus. Namun pada kenyataannya tidak ada perangkat seperti itu yang dapat dibuat; ini adalah omong kosong. Hanya ada satu cara untuk masuk ke masa depan: memberi kereta kecepatan yang luar biasa - mendekati kecepatan cahaya.

Properti lain membedakan kereta Einstein dari mesin waktu Wellsian: ia tidak dapat bergerak "mundur" dalam waktu, yaitu, ia tidak dapat pergi ke masa lalu, dan dengan demikian kembali dari masa depan ke masa kini.

Secara umum, gagasan untuk mundur dalam waktu sama sekali tidak ada artinya. Kita hanya dapat mempengaruhi apa yang belum terjadi, tetapi kita tidak dapat mengubah apa yang sudah terjadi. Ini jelas bahkan dari contoh ini: jika mungkin untuk kembali ke masa lalu, maka bisa saja seseorang pergi ke masa lalu dan membunuh orang tuanya ketika mereka masih bayi. Dan jika dia kembali ke masa sekarang, dia akan menemukan dirinya dalam posisi konyol seorang pria yang orang tuanya meninggal jauh sebelum dia lahir!

Pergerakan dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya secara teoritis membuka satu kemungkinan lagi: seiring dengan waktu, untuk mengatasi jarak apa pun. Dan mereka bisa sangat besar di ruang dunia sehingga bahkan pada kecepatan maksimum untuk sebagian besar perjalanan, tidak akan cukup kehidupan manusia.

Contohnya adalah bintang yang, katakanlah, dua ratus tahun cahaya dari kita. Karena kecepatan cahaya adalah kecepatan tertinggi di alam, maka mustahil untuk mencapai bintang ini lebih awal dari dua ratus tahun setelah permulaan. Dan karena durasi hidup manusia kurang dari dua ratus tahun, tampaknya orang dapat mengatakan dengan yakin bahwa seseorang pada dasarnya kehilangan kesempatan untuk mencapai bintang yang jauh.

Namun alasan ini keliru. Kesalahannya adalah kita berbicara tentang dua ratus tahun sebagai sesuatu yang mutlak. Tetapi waktu itu relatif, yaitu, tidak ada waktu yang sama untuk semua laboratorium. Stasiun memiliki satu hitungan waktu, sementara kereta Einstein memiliki hitungan lain.

Mari kita bayangkan seorang astronot yang telah berangkat ke luar angkasa dunia. Pada saat mencapai bintang dua ratus tahun cahaya dari kita, dua ratus tahun memang akan berlalu menurut waktu duniawi. Dalam roket, tergantung pada kecepatannya relatif terhadap Bumi, seperti yang kita ketahui, periode waktu kecil apa pun dapat mengalir.

Dengan demikian, astronot akan mencapai bintang pada waktunya sendiri bukan dalam dua ratus tahun, tetapi, katakanlah, dalam satu tahun. Dengan kecepatan yang cukup tinggi, secara teori dimungkinkan untuk "terbang" ke bintang dan kembali sesuai dengan jam roket bahkan dalam satu menit ...

Selain itu: ketika bergerak dengan kecepatan maksimum di dunia - 300 ribu kilometer per detik - dan waktu menjadi sangat kecil, yaitu sama dengan nol. Dengan kata lain, jika roket dapat bergerak dengan kecepatan cahaya, waktu bagi pengamat di dalamnya akan berhenti sama sekali, dan dari sudut pandang pengamat ini, saat mulainya akan bertepatan dengan saat selesai.

Kami ulangi bahwa semua ini hanya dapat dibayangkan secara teoritis. Dalam praktiknya, bepergian ke masa depan dan ke bintang yang jauh tidak mungkin dilakukan, karena pergerakan mobil dan orang dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya tidak mungkin dilakukan karena alasan teknis.

Dan ukuran itu relatif.

penalaran dan contoh menghibur diberikan dalam bab-bab sebelumnya tampak fantastis. Tetapi tujuan mereka bukan untuk memikat pembaca dengan fantasi, tetapi untuk menunjukkan kedalaman dan keseriusan penuh dari konsekuensi yang timbul dari relativitas waktu.

Sangat mudah untuk melihat bahwa relativitas ukuran benda juga mengikuti relativitas waktu.

Misalkan panjang peron yang dilalui kereta Einstein adalah 2,4 juta kilometer. Dengan kecepatan 240 ribu kilometer per detik, kereta akan melewati peron dalam 10 detik. Tetapi dalam 10 detik waktu stasiun, hanya 6 detik yang akan berlalu di kereta. Dari sini pelancong berhak menyimpulkan bahwa panjang platform adalah 240.000 x 6 = 1,44 juta kilometer, dan bukan 2,40 juta kilometer.

Ini berarti bahwa benda yang diam relatif terhadap laboratorium mana pun lebih panjang daripada benda yang bergerak. Relatif terhadap kereta, peron bergerak, dan relatif terhadap stasiun, peron dalam keadaan diam. Oleh karena itu, bagi pengamat di stasiun itu lebih lama daripada bagi para musafir. Gerbong kereta api, sebaliknya, 10/6 kali lebih pendek untuk pengamat di stasiun daripada untuk pelancong.

Dengan bertambahnya kecepatan, panjang benda semakin berkurang. Karena itu, pada kecepatan tertinggi, itu seharusnya menjadi yang terkecil, yaitu sama dengan nol.

Jadi, setiap benda yang bergerak berkontraksi sesuai arah gerakannya. Berkenaan dengan itu, perlu untuk mengubah salah satu contoh yang kami berikan di majalah No. 9, yaitu: dalam percobaan membuka pintu pada kapal uap, kami menemukan bahwa untuk pengamat di dermaga, pintu kedua terbuka 40 detik lebih lambat dari yang pertama. Tetapi karena panjang kapal uap, yang bergerak dengan kecepatan 240 ribu kilometer per detik, berkurang 10/6 kali relatif terhadap dermaga, interval waktu sebenarnya antara membuka pintu akan sama dengan jam di dermaga bukan 40 detik , tetapi 40: 10/6 = 24 detik . Tentu saja, koreksi numerik ini tidak mengubah kesimpulan mendasar yang kami ambil dari pengalaman dengan kapal uap.

Relativitas dimensi benda segera membawa konsekuensi baru, mungkin yang paling mencolok, dari prinsip relativitas. "Yang paling mencolok" karena menjelaskan hasil tak terduga dari eksperimen Mikaelson, yang pada suatu waktu membawa kebingungan ke jajaran fisikawan. Kasus yang bersangkutan, seperti yang Anda ingat, penambahan kecepatan, yang, untuk beberapa alasan yang tidak diketahui, tidak "ingin" mematuhi aritmatika biasa.

Manusia selalu terbiasa menambahkan kecepatan yang diarahkan dalam garis lurus dan dalam satu arah, murni aritmatika, yaitu, sesederhana tabel atau apel. Misalnya, jika sebuah kapal berlayar ke arah tertentu dengan kecepatan 20 kilometer per jam, dan seorang penumpang berjalan di sepanjang geladaknya dengan arah yang sama dengan kecepatan 5 kilometer per jam, maka kecepatan penumpang relatif terhadap dermaga akan menjadi 20 + 5 = 25 kilometer per jam.

Sampai baru-baru ini, fisikawan yakin bahwa metode penambahan ini benar-benar tepat dan cocok untuk menemukan jumlah kecepatan apa pun. Tetapi prinsip relativitas tidak membuat aturan mekanika ini tidak tersentuh.

Coba, misalnya, tambahkan kecepatan 230 dan 270 ribu kilometer per detik. Apa yang akan terjadi? 500 ribu kilometer per detik. Dan kecepatan seperti itu tidak mungkin ada, karena 300 ribu kilometer per detik adalah kecepatan tertinggi di dunia. Dari sini paling tidak jelas bahwa jumlah kecepatan berapa pun, bagaimanapun juga, tidak boleh melebihi 300.000 kilometer per detik.

Tetapi, mungkin, apakah diperbolehkan untuk menambahkan kecepatan yang lebih rendah secara aritmatika, misalnya, 150 dan 130 ribu kilometer per detik? Lagi pula, jumlah mereka, 280 ribu kilometer per detik, tidak melebihi batas kecepatan di dunia.

Sangat mudah untuk melihat bahwa jumlah aritmatika juga salah di sini. Misalnya, sebuah kapal uap bergerak melewati dermaga dengan kecepatan 150.000 kilometer per detik, dan sebuah bola menggelinding di sepanjang dek kapal uap dengan kecepatan 130.000 kilometer per detik. Jumlah kecepatan ini harus menyatakan kecepatan bola relatif terhadap tiang. Namun, kita tahu dari bab sebelumnya bahwa benda yang bergerak akan menyusut ukurannya. Oleh karena itu, jarak 130.000 kilometer di atas kapal uap sama sekali tidak sama dengan 130.000 kilometer untuk pengamat di dermaga, dan 150.000 kilometer di sepanjang pantai sama sekali tidak sama dengan 150.000 kilometer untuk penumpang di kapal uap.

Selanjutnya, untuk menentukan kecepatan bola relatif terhadap dermaga, pengamat menggunakan jam di dermaga. Tetapi kecepatan bola di kapal uap ditentukan oleh waktu kapal uap. Dan waktu di kapal uap yang bergerak dan di dermaga, seperti yang kita ketahui, sama sekali tidak sama.

Ini adalah bagaimana pertanyaan penambahan kecepatan terlihat dalam praktik: Anda harus memperhitungkan relativitas jarak dan waktu. Bagaimana seharusnya kecepatan digabungkan?

Einstein memberikan formula khusus untuk ini, sesuai dengan prinsip relativitas. Sejauh ini, kami belum memberikan formula dari teori relativitas, tidak ingin membebani artikel yang sulit ini dengan mereka. Namun, bahasa matematika yang ringkas dan tepat membuat banyak hal menjadi jelas, menggantikan argumen yang panjang dan bertele-tele. Rumus untuk menambahkan kecepatan tidak hanya jauh lebih sederhana daripada semua alasan sebelumnya, tetapi juga sangat sederhana dan menarik sehingga perlu dikutip:

V1 + V2
P = _________________
V 1 x V 2
1+ ___________
C2

Di sini V 1 dan V 2 adalah istilah kecepatan, W adalah kecepatan total, c adalah kecepatan tertinggi di dunia (kecepatan cahaya), sama dengan 300 ribu kilometer per detik.

Formula luar biasa ini baru saja properti yang diinginkan: tidak peduli seberapa cepat kita menambahkannya, kita tidak akan pernah mendapatkan lebih dari 300 ribu kilometer per detik. Coba tambahkan 230.000 dan 270.000 kilometer per detik menggunakan rumus ini, atau bahkan 300.000 dan 300.000 kilometer per detik, dan lihat apa yang terjadi.

Saat menambahkan kecepatan kecil - seperti yang sering kita temui dalam praktik - rumusnya memberi kita hasil yang biasa, yang sedikit berbeda dari jumlah aritmatika. Ambil contoh bahkan yang terbesar kecepatan modern pergerakan. Biarkan dua pesawat bergerak menuju satu sama lain, masing-masing terbang 650 kilometer per jam. Berapa kecepatan konvergensi mereka?

Secara aritmatika - (650 + 650) = 1300 kilometer per jam. Menurut rumus Einstein - hanya 0,72 mikron per jam lebih sedikit. Dan dalam contoh di atas dengan kapal yang bergerak lambat, di geladak tempat seseorang berjalan, perbedaan ini 340 ribu kali lebih sedikit.

Tidak mungkin untuk mendeteksi jumlah seperti itu dalam kasus seperti itu dengan pengukuran. Ya, dan nilai praktisnya adalah nol. Dari sini jelas mengapa selama ribuan tahun manusia tidak menyadari bahwa penjumlahan aritmatika kecepatan pada dasarnya salah: ketidaktepatan dengan penambahan seperti itu jauh lebih sedikit daripada persyaratan praktik yang paling ketat. Dan karena itu, dalam teknologi, semuanya selalu menyatu dengan perhitungan, jika saja perhitungannya benar.

Tetapi tidak mungkin lagi menambahkan kecepatan aritmatika yang sebanding dengan kecepatan cahaya: di sini kita bisa jatuh ke dalam kesalahan besar. Misalnya, pada kecepatan 36 ribu kilometer per detik, kesalahannya akan melebihi seribu kilometer, dan pada 100 ribu kilometer per detik sudah akan mencapai 20 ribu kilometer per detik.

Fakta bahwa penjumlahan aritmatika kecepatan salah, dan rumus Einstein benar, dikonfirmasi oleh pengalaman. Tidak mungkin sebaliknya: bagaimanapun, pengalamanlah yang membuat fisikawan mempertimbangkan kembali konsep-konsep lama dalam mekanika dan membawa mereka ke prinsip relativitas.

Mengetahui bagaimana sebenarnya menambahkan kecepatan, kita sekarang dapat memahami hasil "misterius" dari eksperimen Michaelson. Melakukan eksperimen ini ketika Bumi bergerak menuju berkas cahaya dengan kecepatan 30 kilometer per detik, Michaelson berharap mendapatkan hasil 300.000 + 30 = 300.030 kilometer per detik.

Tapi Anda tidak bisa menambahkan kecepatan seperti itu!

Substitusikan V 1 = c (c adalah kecepatan cahaya) dan V 2 = 30 ke dalam rumus penambahan kecepatan, dan Anda akan menemukan bahwa kecepatan total hanya c1, dan tidak lebih. Begitulah hasil eksperimen Mikaelson.

Hasil yang sama akan diperoleh untuk semua nilai V2 lainnya, selama V1 sama dengan kecepatan cahaya. Biarkan Bumi melewati sejumlah kilometer per detik: 30 - mengelilingi Matahari, 275 - bersama dengan tata surya dan ribuan kilometer - dengan seluruh Galaksi. Itu tidak mengubah banyak hal. Dalam semua kasus penambahan kecepatan Bumi dengan kecepatan cahaya, rumus akan memberikan nilai yang sama c.

Jadi, hasil percobaan Mikaelson mengejutkan kami hanya karena kami tidak tahu cara menambahkan kecepatan dengan benar. Kami tidak tahu bagaimana melakukan ini, karena kami tidak tahu bahwa tubuh berkontraksi ke arah gerakan mereka dan waktu berlalu secara berbeda di laboratorium yang berbeda.

Massa dan energi

Masih mempertimbangkan pertanyaan terakhir.

Salah satu sifat terpenting dari setiap benda adalah massanya. Kita terbiasa percaya bahwa itu selalu tetap tidak berubah. Tetapi perhitungan berdasarkan prinsip relativitas menunjukkan hal lain: ketika sebuah benda bergerak, massanya bertambah. Ini meningkat sebanyak panjang tubuh berkurang. Jadi, massa kereta Einstein, yang bergerak dengan kecepatan 240 ribu kilometer per detik, adalah 10/6 kali lebih besar dari massa yang diam.

Saat kecepatan mendekati batas, massa tumbuh lebih cepat dan lebih cepat. Pada kecepatan yang membatasi, massa benda apapun harus menjadi besar tak terhingga. Kecepatan biasa yang kita temui dalam praktik menyebabkan peningkatan massa yang sama sekali dapat diabaikan.

Namun, masih mungkin untuk menguji fenomena ini secara eksperimental: modern fisika eksperimental mampu membandingkan massa elektron yang bergerak cepat dengan massa elektron yang diam. Dan pengalaman sepenuhnya menegaskan hukum ketergantungan massa pada kecepatan.

Tapi, untuk memberi tahu kecepatan tubuh, perlu mengeluarkan energi. Dan ternyata secara umum, pekerjaan apa pun yang dilakukan pada tubuh, setiap peningkatan energi tubuh memerlukan peningkatan massa yang sebanding dengan energi yang dikeluarkan ini. Oleh karena itu, massa benda yang dipanaskan lebih besar daripada massa yang dingin, massa pegas terkompresi lebih besar daripada pegas bebas.

Besaran satuan massa yang dapat diabaikan sesuai dengan jumlah besar satuan energi. Misalnya, untuk meningkatkan massa tubuh hanya 1 gram, perlu untuk mengerjakannya dalam 25 juta kilowatt-jam. Dengan kata lain, massanya adalah 25 juta kilowatt-jam energi listrik sama dengan 1 gram. Untuk mendapatkan gram ini, diperlukan semua energi yang dihasilkan oleh Dneproges selama dua hari. Menghitung hanya satu kopeck per kilowatt-jam, kami menemukan bahwa 1 gram energi listrik termurah berharga 250 ribu rubel. Dan jika Anda mengubah listrik menjadi cahaya, maka 1 gram cahaya akan menelan biaya sekitar 10 juta rubel. Ini berkali-kali lebih mahal daripada zat paling mahal - radium.

Jika Anda membakar 1 ton batubara di dalam ruangan, maka berat produk pembakaran hanya 1/3000 gram lebih kecil dari batubara dan oksigen yang terbentuk setelah didinginkan. Fraksi massa yang hilang hilang oleh radiasi panas. Dan memanaskan 1 ton air dari 0 hingga 100 derajat akan menyebabkan peningkatan massanya kurang dari 5/1.000.000 fraksi gram.

Cukup jelas bahwa perubahan massa benda yang tidak signifikan seperti itu ketika kehilangan atau memperoleh energi menghindari pengukuran yang paling akurat. Namun fisika modern fenomena yang diketahui di mana perubahan massa menjadi nyata. Ini adalah proses yang terjadi selama tumbukan inti atom, ketika inti unsur lain terbentuk dari inti beberapa unsur.

Misalnya, ketika inti atom litium bertabrakan dengan inti atom hidrogen, dua inti atom helium terbentuk. Massa kedua inti ini sudah menjadi jumlah yang signifikan - 1/4 bagian - kurang berat keseluruhan inti hidrogen dan litium. Oleh karena itu, ketika mengubah 1 gram campuran litium dan hidrogen menjadi helium, 1/400 gram energi harus dilepaskan, yang akan dinyatakan dalam kilowatt-jam:

25.000.000/400 = 62,5 ribu kilowatt-jam.

Jadi, jika kita dapat dengan mudah melakukan transformasi nuklir, kita akan menjadi pemilik sumber energi terkaya: untuk mendapatkan kekuatan Dneproges, cukup untuk mengubah hanya 4 gram campuran lithium dan hidrogen menjadi helium setiap jam.

Fisika baru dan lama

Ini menyimpulkan pengantar sepintas kami tentang prinsip relativitas.

Kami telah melihat betapa serius dan perubahan mendalam memperkenalkan prinsip relativitas ke dalam pandangan dunia yang telah berkembang di antara umat manusia selama berabad-abad. Bukankah ini berarti bahwa ide-ide lama dihancurkan sepenuhnya? Bahwa mereka harus ditolak sepenuhnya? Bahwa semua fisika yang diciptakan sebelum penemuan prinsip relativitas harus dicoret sebagai salah?

Tidak, karena perbedaan antara fisika lama (disebut "klasik") dan fisika yang memperhitungkan prinsip relativitas ("relativistik", dari kata Latin "relatio", yang berarti "referensi"), terlalu kecil di hampir semua area kami kegiatan praktikum.

Jika, misalnya, seorang penumpang kereta biasa, bahkan kereta tercepat (tetapi, tentu saja, bukan kereta Einstein) memasukkannya ke dalam kepalanya untuk memperkenalkan koreksi waktu untuk prinsip relativitas, dia akan diejek. Untuk satu hari, amandemen seperti itu akan dinyatakan dalam sepuluh-miliar detik. Getaran kereta api dan cara kerja jarum jam terbaik yang tidak akurat memiliki efek yang jauh lebih kuat pada pembacaan jam.

Seorang insinyur yang akan masuk ke dalam perhitungan kenaikan massa air ketika dipanaskan bisa disebut gila. Di sisi lain, seorang fisikawan yang mempelajari tumbukan inti atom, tetapi tidak memperhitungkan kemungkinan perubahan massa, harus dikeluarkan dari laboratorium karena ketidaktahuan.

Desainer akan selalu mendesain mesin menggunakan hukum fisika klasik: koreksi untuk prinsip relativitas akan memiliki efek yang lebih kecil pada mobil daripada mikroba yang mendarat di roda gila. Tetapi seorang fisikawan yang mengamati elektron cepat harus memperhitungkan perubahan massanya tergantung pada kecepatannya.

Jadi, hukum alam, yang ditemukan sebelum munculnya prinsip relativitas, tidak dibatalkan; Teori relativitas tidak membantah, tetapi hanya memperdalam dan memurnikan pengetahuan yang diperoleh ilmu lama. Ini menetapkan batas-batas di mana pengetahuan ini dapat digunakan tanpa membuat kesalahan.

Sebagai kesimpulan, harus dikatakan bahwa teori relativitas tidak terbatas pada masalah yang telah kita bahas dalam artikel ini. Melanjutkan pengembangan ajarannya, Einstein kemudian memberikan gambaran yang sama sekali baru tentang fenomena penting seperti gravitasi universal. Dalam hal ini, doktrin relativitas dibagi menjadi dua bagian. Yang pertama, yang tidak berkaitan dengan gravitasi, disebut "prinsip relativitas" "pribadi" atau "khusus"; bagian kedua, meliputi pertanyaan tentang gravitasi, adalah "prinsip umum relativitas". Jadi, kami hanya bertemu dengan prinsip tertentu (pertimbangan prinsip umum tidak termasuk dalam cakupan artikel ini).

Tetap hanya untuk dicatat bahwa dengan studi fisika yang cukup mendalam, semua labirin bangunan kompleks teori relativitas menjadi sangat jelas. Tapi masuk ke mereka, seperti yang kita tahu, jauh dari mudah. Untuk ini, diperlukan tebakan yang brilian: itu perlu untuk dapat membuat eksperimen Mikaelson kesimpulan yang benar- temukan relativitas waktu dengan semua konsekuensi berikutnya.

Jadi umat manusia, dalam keinginan abadinya untuk mengenal dunia lebih luas dan lebih dalam, memenangkan salah satunya kemenangan terbesar.

Itu berkat kejeniusan Albert Einstein.

Teori relativitas umum bersama dengan teori relativitas khusus adalah karya brilian Albert Einstein, yang pada awal abad ke-20 mengubah pandangan fisikawan tentang dunia. Seratus tahun kemudian, relativitas umum adalah yang utama dan teori yang paling penting fisika di dunia, dan bersama-sama dengan mekanika kuantum berlaku untuk salah satu dari dua landasan"teori segalanya". Teori relativitas umum menjelaskan gravitasi sebagai konsekuensi dari kelengkungan ruang-waktu (digabungkan menjadi satu kesatuan dalam relativitas umum) di bawah pengaruh massa. Berkat relativitas umum, para ilmuwan telah menyimpulkan banyak konstanta, memeriksa banyak fenomena yang tidak dapat dijelaskan dan menemukan hal-hal seperti lubang hitam, materi gelap dan energi gelap, perluasan alam semesta, Dentuman Besar dan banyak lagi. Juga, GTR memveto kecepatan cahaya, secara harfiah memenjarakan kami di lingkungan kami ( tata surya), tetapi meninggalkan celah dalam bentuk lubang cacing - kemungkinan jalur pendek melalui ruang-waktu.

Seorang karyawan Universitas RUDN dan rekan Brasilnya mempertanyakan konsep menggunakan lubang cacing yang stabil sebagai portal untuk titik yang berbeda ruang waktu. Hasil penelitian mereka dipublikasikan di Physical Review D. - klise yang agak usang di fiksi ilmiah. Lubang cacing, atau lubang tahi lalat”, adalah semacam terowongan yang menghubungkan titik-titik jauh di ruang angkasa, atau bahkan dua alam semesta, melalui kelengkungan ruang-waktu.