Einstein menunjukkan bahwa waktu itu relatif. Tapi … kenapa?

Jadi, Anda mengemudi mobil dengan kecepatan setengah cahaya. (Tolong, kedua tangan di atas kemudi.) Anda menyalakan lampu depan. Seberapa cepat Anda melihat cahaya ini bepergian? Bagaimana dengan seseorang yang berdiri di jalan? Apakah mereka akan melihat sinar cahaya bergerak dengan kecepatan 1,5 kali kecepatan cahaya? Tapi itu tidak mungkin, bukan? Tidak ada yang lebih cepat dari cahaya.

Ya, sepertinya rumit. Masalahnya adalah, ide -ide kami tentang dunia didasarkan pada pengalaman kami, dan kami tidak memiliki banyak pengalaman secepat itu. Maksud saya, kecepatan cahaya adalah 3 x 10⁸ meter per detik, angka yang kami wakili dengan surat itu C. Itu 670 juta mil per jam, teman, dan hal -hal mulai menjadi aneh dengan kecepatan ekstrem.

Ternyata baik pengemudi dan orang di jalan akan mengukur cahaya seperti bepergian dengan kecepatan yang sama, C. Gerakan sumber cahaya (mobil) dan gerakan relatif pengamat tidak membuat perbedaan. Albert Einstein meramalkan hal ini pada tahun 1905, dan itu adalah salah satu dari dua dalil utama di balik teorinya tentang relativitas khusus.

Oh, itu tidak terdengar begitu “spesial” bagimu? Nah, apa yang kemudian dia tunjukkan adalah bahwa jika kecepatan cahaya adalah konstan universal, maka Waktu adalah relatif. Semakin cepat Anda bergerak melalui ruang, semakin lambat Anda bergerak melalui waktu. Jam di pesawat ruang angkasa hyper-kecepatan akan benar-benar centang lebih lambat, dan jika Anda berada di kapal itu, Anda akan menua lebih lambat daripada teman-teman Anda di rumah. Itu disebut pelebaran waktu.

Contoh akal sehat

Gagasan bahwa semua orang melihat cahaya bepergian dengan kecepatan yang sama tampak seperti akal sehat. Tapi mari kita lihat situasi yang lebih akrab, dan Anda akan melihat bahwa itu bukan cara kerja biasanya. Katakanlah Anda mengemudi dengan kecepatan 10 meter per detik, dan seseorang di dalam mobil mengambil bola tenis dan melemparkannya ke depan dengan kecepatan 20 m/s. Seorang pengamat yang kebetulan memiliki senjata radar mengukur kecepatan bola. Bacaan apa yang mereka dapatkan?

Tidak, bukan 20 m/s. Bagi mereka bola bergerak pada 30 m/s (yaitu, 10 + 20). Begitu banyak untuk akal sehat. Perbedaannya muncul dari fakta bahwa mereka mengukur dari “bingkai referensi” yang berbeda, satu bergerak, yang lainnya stasioner.

Namun, semuanya baik -baik saja; Semua orang setuju dengan hasilnya. Jika bola menyentuh orang itu, penjahat dan pengamat akan menghitung waktu dampak yang sama. Ya, orang -orang di dalam mobil melihat bola bergerak dengan kecepatan yang lebih lambat, tetapi mereka juga melihat pengamat bergerak ke arah mereka (dari sudut pandang mereka), sehingga pada akhirnya sama.

Ini adalah postulat utama lain dari relativitas khusus: fisika adalah sama untuk semua frame referensi-atau spesifik, untuk semua “inersia,” atau tidak akselerasi, frame. Pengamat dapat bergerak dengan kecepatan yang berbeda, tetapi kecepatan itu harus konstan.

Ngomong -ngomong, sekarang mungkin Anda bisa melihat mengapa sebenarnya cukup aneh bahwa kecepatan cahaya sama untuk semua pengamat, terlepas dari gerakan mereka.

Gelombang di laut kosong

Bagaimana Einstein mendapatkan ide gila ini? Saya akan menunjukkan kepada Anda dua alasan. Yang pertama adalah bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Fisikawan telah lama tahu bahwa cahaya berperilaku seperti gelombang. Tapi gelombang membutuhkan a sedang untuk “melambai”. Gelombang laut membutuhkan air; Gelombang suara membutuhkan udara. Lepaskan media dan tidak ada gelombang.

Tapi kemudian, media apa yang dilewati sinar matahari saat bepergian melalui ruang? Pada tahun 1800 -an, banyak fisikawan percaya harus ada media di luar angkasa, dan mereka menyebutnya Aether Luminiferous Karena itu menyenangkan untuk dikatakan.

Pada tahun 1887, Albert Michelson dan Edward Morley menyusun eksperimen yang cerdas untuk mendeteksi eter ini. Mereka membangun perangkat yang disebut interferometer, yang membagi sinar cahaya menjadi dua dan mengirim bagian sepanjang dua jalur dengan panjang yang sama, memantul dari cermin, dan menggabungkan lagi di detektor, seperti ini:

Jelas mereka tidak memiliki laser, tetapi mereka memiliki sumber cahaya yang sama. Sekarang, jika Bumi bergerak melalui aether ketika mengedar matahari, bahwa Ahere akan mengubah kecepatan cahaya, tergantung pada apakah cahaya bergerak ke arah gerakan bumi atau pada sudut kanan ke gerakan itu.

Dan inilah bagian jenius: mereka tidak harus benar -benar mengukur kecepatan cahaya, mereka hanya perlu melihat apakah kedua balok tiba di detektor pada saat yang sama. Jika ada perubahan kecepatan, balok akan tidak sinkron dan akan membatalkan satu sama lain saat digabungkan kembali. Gangguan itu akan muncul sebagai titik gelap di detektor. Jika mereka bergerak dengan kecepatan yang persis sama, gelombang sinusoidal akan sejajar dan Anda akan melihat titik terang.

Mereka menjalankan percobaan ini pada semua waktu yang berbeda dalam setahun untuk mendapatkan sudut yang berbeda sehubungan dengan matahari, tetapi hasilnya selalu sama. Tidak ada perubahan kecepatan – yang berarti, sayangnya, bahwa orang harus berhenti mengatakan “Aether Luminiferous.” Jelas, gelombang cahaya bisa bepergian melalui kekosongan!

Persamaan dan rangka referensi Maxwell

Alasan untuk ini, sebagaimana terbukti oleh Heinrich Hertzapakah cahaya itu adalah elektromagnetik Gelombang – Osilasi medan listrik dan magnet saling tegak lurus. Medan listrik yang berubah menciptakan medan magnet, dan medan magnet yang berubah menciptakan medan listrik, dan siklus yang tak ada habisnya ini membuat cahaya self-propagasi. Ini dapat melakukan perjalanan melalui ruang kosong karena dua gelombang dalam satu.

Sekarang untuk bagian kasar (secara matematis). Kita tahu hubungan antara medan listrik dan magnet – itu dijelaskan dalam Empat persamaan Maxwell yang terkenal. Jika Anda menggunakan beberapa hal matematika (detail lengkap di sini), dimungkinkan untuk menulis persamaan berikut untuk medan listrik (E) dan medan magnet (B). (Jika semua simbol Yunani ini adalah bahasa Yunani bagi Anda, lewati saja ini.)

Yang perlu Anda ketahui adalah, bersama -sama, persamaan ini menggambarkan gelombang elektromagnetik. Tapi tunggu! Bukan itu saja. Jika kita mencolokkan nilai μ₀ dan ε₀—Ekali Konstanta Magnetik dan Listrik mendasar – Anda mendapatkan kecepatan gelombang (v untuk kecepatan) Itulah kecepatan cahaya:

Einstein menggunakan ini untuk mendalilkan bahwa kecepatan cahaya adalah sama untuk semua pengamat. Bagaimana? Nah, karena kami menerima bahwa setiap kerangka referensi inersia sama validnya dengan yang lain, persamaan Maxwell harus bekerja di keduanya. Itu berarti kecepatan cahaya sama di kedua bingkai referensi – bahkan jika mereka bergerak relatif satu sama lain. Berbeda dengan skenario bola tenis di atas!

Pelebaran waktu

Akhirnya, bayangkan kita membangun jam untuk mengukur waktu. Tidak satu pun dari jam kakek Anda dengan pendulum yang berayun, yang akan menjadi masalah dalam gravitasi nol. Jam kami lebih dingin dari itu. Pada dasarnya kita mendapatkan dua cermin paralel dan memantul pulsa cahaya bolak -balik di antara mereka.

Jika kita tahu jarak antara cermin (S) dan kecepatan cahaya (kami lakukan, itu C), maka kita dapat menghitung waktu untuk satu kutu.

Sekarang asumsikan jam kita ada di pesawat ruang angkasa dengan jendela besar, seperti di film. Pesawat ruang angkasa ini bergerak dengan kecepatan konstan yang setengah dari kecepatan cahaya (C/2) sehubungan dengan beberapa planet terdekat. Seseorang di planet itu menggunakan teleskop untuk melihat melalui jendela pesawat ruang angkasa dan mengintip jam cahaya. Inilah yang akan dilihat orang planet itu:

Perhatikan bahwa karena pesawat ruang angkasa bergerak, cahaya harus melakukan perjalanan dengan sudut untuk mencapai tempat lain di cermin yang berlawanan. Jika kami melanjutkan ini, itu akan menjadi serangkaian zigzag. Luangkan waktu sebentar untuk memikirkan itu.

Ini seperti jika Anda naik bus dan melemparkan bola lurus ke atas dan kemudian menangkapnya tanpa menggerakkan tangan Anda. Dalam bingkai referensi Anda, bola hanya bergerak lurus ke atas dan ke bawah. Tapi untuk pria di jalan itu, bola akan melacak busur, bergerak ke atas dan ke bawah tetapi juga ke depan.

Di jam cahaya kami, karena cahaya harus melakukan perjalanan dengan sudut untuk mencapai tempat yang benar, ia bergerak lebih jauh jarak. Oh, tapi cahaya itu masih bergerak dengan kecepatan cahaya, jadi butuh lebih banyak waktu untuk mencapai cermin lainnya. Dan jika pesawat ruang angkasa bergerak dengan kecepatan C/2, itu akan menjadi a banyak lebih banyak waktu. Hasil? Seperti yang terlihat dari orang di planet ini, jam pesawat ruang angkasa berdetak lebih lambat. Itu dia: pelebaran waktu.

Apakah ini berarti waktu lebih lambat bagi orang -orang di pesawat ruang angkasa? Tidak. Dalam bingkai referensi mereka, cahaya hanya memantul ke atas dan ke bawah dan waktu adalah normal.

Ya, sepertinya sangat aneh, tapi tidak. Tampaknya hanya aneh karena kami tidak pernah melakukan perjalanan di dekat kecepatan cahaya. Faktanya, waktu melambat di kendaraan yang bergerak – bahkan ketika Anda masuk ke dalam mobil dan berkendara untuk bekerja – tetapi pada kecepatan normal efeknya sangat kecil sehingga tidak terlihat.