Jika Anda mengambil fisika pengantar, Anda belajar tentang “kekuatan fundamental.” Ini berjalan seperti ini: semua interaksi adalah hasil dari satu atau lebih dari lima kekuatan dasar: nuklir kuat, nuklir lemah, gravitasi, listrik, dan magnetik. “Melakukan fisika,” kemudian, berarti mengidentifikasi kekuatan yang sedang dimainkan.
Namun, ada masalah, yang mungkin tidak disebutkan: kekuatan yang Anda amati bergantung pada sudut pandang Anda – “kerangka referensi” Anda. Lihatlah ke luar jendela. Pohon, rumah, rumput – mereka semua diam, kan? Tapi lihat tempat yang sama dari luar angkasa dan bergerak seribu mil per jam. Itu terlihat diam bagi Anda sebelumnya karena Anda bergerak dengannya.
Kami memiliki masalah yang sama dengan medan listrik dan magnet. Bergantung pada kerangka referensi Anda, apa yang tampaknya menjadi gaya magnet dari satu tempat tampaknya merupakan gaya listrik dari yang lain.
Apakah otak Anda sudah meleleh? Tunggu saja – semakin aneh. Untuk memahami apa yang terjadi di sini, mari kita lihat kekuatan listrik dan magnetik secara pertama secara terpisah.
Gaya listrik
Lihat semua barang di sekitar Anda? Semuanya. Semuanya terbuat dari tiga hal: proton, elektron, dan neutron. Itu agak liar saat Anda memikirkannya. Dua dari partikel fundamental ini memiliki muatan listrik: elektron bermuatan negatif dan proton positif.
Jika suatu objek memiliki lebih banyak elektron daripada proton, ia akan memiliki muatan negatif bersih. Jadi, kaus kaki di pengering yang melekat pada segalanya? Itu mengambil elektron ekstra dengan menggosok pakaian lain. Jika suatu objek kehilangan elektron, ia memiliki muatan positif.
Kita dapat menghitung gaya elektrostatik antara dua objek yang dibebankan dengan hukum Coulomb. Ini mengatakan bahwa kekuatan di antara mereka tergantung pada produk dari tuduhan mereka dan seberapa jauh mereka. Sebagai ilustrasi, saya membangun alat berteknologi tinggi di bawah ini, yang memiliki dua blok busa kecil yang tergantung di atas senar. Saya memberi mereka berdua muatan negatif, yang berarti mereka akan saling mengusir. Lihatlah:
Melihat? Karena kekuatan tolakan, mereka tidak tergantung lurus ke bawah. Jika mereka ditagih dengan baik, mereka akan menarik dan tetap bersatu. Itulah gaya listriknya.
Gaya magnet
Oke, jadi objek dengan pengisian daya mengalami gaya listrik. Tetapi jika benda yang dibebankan bergerakmereka juga dapat membuat dan mengalami a magnet memaksa. Salah satu cara untuk mendapatkan biaya yang bergerak adalah dengan menjalankan arus listrik melalui kawat. (Ini secara harfiah aliran elektron.) Ini akan menciptakan medan magnet, dan kabel lainnya dengan arus listrik akan mengalami gaya magnet.
Bayangkan Anda memiliki dua kabel paralel yang membawa arus listrik ke arah yang sama. Karena Wire 1 memiliki muatan bergerak, itu menciptakan medan magnet. Wire 2 berada di hadapan medan magnet ini, sehingga ia mengalami kekuatan yang menariknya ke arah 1. Kebalikannya juga benar, yang berarti bahwa kawat 1 tertarik pada kawat 2. Jika satu kawat memiliki arus dalam arah yang berlawanan, kedua kabel itu ditolak.
Kita bisa sangat senang tentang kekuatan magnetik. Inilah yang membuat motor listrik bekerja, menyalakan semuanya, mulai dari mobil listrik hingga mesin pencuci piring hingga AC. Ini bukan hanya kabel yang aneh mengusir.
Tapi ini aneh
Untuk meninjau: Biaya mengalami gaya listrik, dan muatan bergerak mengalami gaya magnet. Kita dapat memecahnya dengan mengatakan bahwa muatan listrik membuat medan listrik (E), dan muatan lain di medan listrik mengalami kekuatan. Pada saat yang sama, muatan bergerak membuat medan magnet (B), dan tuduhan bergerak lainnya mengalami kekuatan di bidang itu.
Jadi katakanlah kita memiliki muatan bergerak (dengan kecepatan v dan menagih Q) di daerah dengan medan listrik dan magnet. Dalam hal ini, total Gaya pada muatan dapat dihitung dengan persamaan gaya Lorentz. Sepertinya ini:
Mari kita lihat bagaimana ini terjadi dalam beberapa situasi. Pertama, misalkan kita memiliki dua elektron sendirian. Jika elektron ini mulai istirahat dan Anda melepaskannya, akan ada gaya listrik yang mendorong mereka terpisah. Jika Anda bisa melihat elektron, inilah yang mungkin terlihat seperti itu:
Sekarang katakanlah kita memiliki sepasang elektron lain yang memulai jarak yang sama. Namun, ini bergerak dengan kecepatan v ke kanan. Gaya listrik juga mendorong mereka terpisah. Tapi karena mereka bergerak, mereka akan menghasilkan kekuatan magnetik yang menarik THat sebagian mengimbangi gaya listrik. Seperti yang Anda lihat, dalam jumlah waktu yang sama mereka tidak sejauh pasangan pertama. Lihatlah:
Sejauh ini bagus. Atau apakah itu? Katakanlah elektron yang awalnya stasioner (ungu) mengusir dan terpisah 1 meter dalam 1 detik. (Saya hanya mengarang angka bundar yang bagus.) Untuk elektron yang bergerak (kuning), butuh sedikit lebih lama untuk mendapatkan 1 meter – mungkin 1,1 detik. Ini sebenarnya masalah.
Bayangkan Anda berada di mobil kecil yang bepergian di samping dua elektron yang bergerak ini. Dari kerangka referensi ini, kedua elektron sedang istirahat. Tapi karena mereka sedang istirahat, Tidak ada kekuatan magnethanya gaya listrik yang mendorong mereka terpisah. Jadi jika kita merekam waktu yang diperlukan untuk mencapai 1 meter, apakah itu 1 detik (seperti elektron stasioner) atau 1,1 detik seperti yang bergerak? Lihat masalahnya?
Jawaban Albert
Jawaban untuk situasi ini menggunakan teori relativitas khusus Einstein. Idenya adalah bahwa kecepatan suatu objek tergantung pada gerakan pengamat— “Semuanya relatif.” Jika Anda mengukur kecepatan kereta dari mobil yang bergerak, Anda mendapatkan nilai yang berbeda dari yang akan dilihat oleh pejalan kaki. Ya, kami mengerti. Tidak apa -apa. Namun, Einstein juga mengatakan waktu di mana kejadian terjadi dan durasinya juga relatif.
Itu … tidak terasa begitu baik. Mari kita kembali ke elektron yang menolak. Ternyata pengamat yang diam dan bergerak setuju Bahwa dibutuhkan 1 detik untuk biaya mereka untuk bergerak terpisah 1 meter. Tetapi dari perspektif pengamat stasioner, waktu tampaknya akan melambat untuk kerangka bergerak.
Ini disebut pelebaran waktu. Anda tidak menyadarinya di dunia karena efeknya sangat kecil untuk kecepatan normal, tetapi ketika kerangka bergerak semakin dekat dengan kecepatan cahaya yang Anda dapatkan lebih banyak dan lebih banyak pelebaran waktu.
Jadi pelebaran waktu mendamaikan pengamatan dari dua frame referensi. Tetapi masalahnya tidak terpecahkan, karena itu berarti dua pengamat melihat dua kekuatan mendasar yang berbeda. Melihat elektron kuning di atas, pengamat stasioner melihat gaya magnet yang sedang beraksi, sementara pengamat yang bergerak hanya melihat gaya listrik.
Sungguh, ini adalah masalah besar dalam fisika. Jadi bagaimana mereka memperbaikinya? Dengan mengatakan bahwa kekuatan listrik dan magnetik pada dasarnya adalah hal yang sama – disebut “gaya elektromagnetik.” Kami sekarang menganggap ini hanya satu jenis interaksi antara objek yang memiliki sifat muatan listrik.
Beginilah sains berjalan: Anda membangun model dan mengendarainya sampai pecah. Kemudian Anda membangun model baru. Kegagalan itu sebenarnya saat Anda belajar. Jadi itu bukan lagi lima kekuatan mendasar-sekarang kita memiliki fundamental-er Empat!
