Teori kerelatifan

Teori kerelatifan, ataupun sekadar kerelatifan dalam ilmu fizik, lazimnya mencakupi dua teori oleh Albert Einstein, iaitu kerelatifan khas dan kerelatifan am. (Istilah kerelatifan juga boleh digunakan dalam konteks suatu teori yang lebih lama, iaitu ketakberubahan Galileo.)

Antara konsep-konsep yang diperkenalkan oleh teori-teori kerelatifan adalah:
Sukatan pelbagai kuantiti adalah relatif dengan halaju pemerhati. Khususnya, ruang dan masa boleh mengembang.
Ruang masa: ruang dan masa haruslah dianggap sebagai bersama-sama dan saling relatif.
Apapun, kelajuan cahaya tetap tidak berubah, iaitu sama bagi semua pemerhati.

Istilah "teori kerelatifan" adalah berasaskan ungkapan "teori relatif" () yang digunakan oleh Max Planck pada tahun 1906, yang menekankan bagaimana teori itu menggunakan prinsip kerelatifan. Dalam ruangan perbincangan dalam naskhah yang sama, Alfred Bucherer buat julung kalinya menggunakan ungkapan "teori kerelatifan" ().

Skop
Teori kerelatifan telah mentransformasikan ilmu teori fizik dan astronomi pada abad ke-20. Apabila mula-mula diterbitkan, kerelatifan menggantikan sebuah teori mekanik berusia 200 tahun yang dicipta terutamanya oleh Isaac Newton. 

Dalam bidang fizik, kerelatifan telah memangkin dan menambahkan suatu kedalaman pengetahuan yang penting ke dalam ilmu zarah asas serta interaksi asasnya, di samping menyambut permulaan zaman nuklear. Bersama kerelatifan, kosmologi dan astrofizik meramal fenomena falak yang luar biasa seperti bintang neutron, lubang hitam, dan gelombang graviti.

Pandangan dua teori
Teori kerelatifan menggambarkan bukan sekadar satu teori fizik baru yang tunggal, kerana terdapat penjelasan untuknya. Pertama, kerelatifan khas diterbitkan pada tahun 1905, sementara versi muktamad kerelatifan am keluar pada tahun 1916. 

Kedua, kerelatifan khas berkenaan dengan zarah-zarah asas dan interaksinya, sementara kerelatifan am berkenaan dengan alam kosmologi dan astrofizik, termasuklah astronomi. 

Ketiga, kerelatifan khas diterima dalam komuniti fizik sekitar tahun 1920. Dengan segera teori ini menjadi alat yang penting dan perlu untuk ahli-ahli teori dan para penguji kaji dalam bidang-bidang baru fizik atom, fizik nuklear, dan mekanik kuantum. Sebaliknya, kerelatifan am pula tidak kelihatan sama bergunanya. Nampaknya kurang terdapat kegunaan untuk penguji kaji kerana kebanyakan penggunaannya adalah untuk skala astronomi. Kerelatifan am nampaknya terhad kepada sekadar melakukan pembetulan kecil pada ramalan-ramalan teori kegravitian Newton.  

Akhirnya, matematik kerelatifan am kelihatan amat rumit. Natijahnya, adalah disangkakan bahawa pada ketika itu teori tersebut hanya dapat difahami sepenuhnya oleh sebilangan kecil orang di dunia, namun hal ini disangkal oleh Richard Feynman. Kemudian, pada tahun 1960 berlakunya kebangkitan semula minat yang penting yang telah menyebabkan kerelatifan am menjadi teras dalam bidang fizik dan astronomi. Kaedah-kaedah matematik baru yang berguna dalam mengkaji kerelatifan am amat memperkemas pengiraan. Daripada ini, konsep-konsep yang dapat dicerap dari segi fizik telah diasingkan daripada kerumitan matematik. Begitu juga, penemuan fenomena astronomi eksotik yang amat berkait rapat dengan kerelatifan am telah membantu dalam memangkin kebangkitan ini. Antara fenomena-fenomena itu ialah kuasar (1963), sinaran latar belakang mikrogelombang 3 Kelvin (1965), pulsar (1967), dan penemuan calon-calon lubang hitam pertama (1981).

Tentang teori kerelatifan
Einstein menyatakan bahawa teori kerelatifan tergolong sebagai "teori prinsip". Oleh itu, ia menggunakan kaedah analisis. Ertinya, unsur-unsur yang membentuk teori ini tidak berasaskan hipotesis, tetapi penemuan empirik. Penemuan empirik ini membawa kepada pemahaman tentang sifat-sifat am proses semula jadi. Kemudian, model-model matematik dimajukan untuk mengasing-asingkan proses semula jadi itu kepada pemerian teori matematik. Oleh itu, secara analisisnya telah disimpulkannya syarat-syarat yang perlu dipenuhi. Peristiwa-peristiwa berasingan mesti memenuhi syarat-syarat itu. Kemudian, pengalaman sewajarnya memadankan kesimpulannya.

Teori kerelatifan khas serta teori kerelatifan am saling berkait rapat. Seperti yang dinyatakan nanti, teori kerelatifan khas berguna untuk kesemua fenomena fizik kecuali graviti. Teori am menyediakan hukum kegravitian, serta kaitannya dengan kuasa-kuasa alam yang lain.

Kerelatifan khas

Kerelatifan khas merupakan teori struktur ruang masa. Ia diperkenalkan dalam kertas Einstein 1905 "Tentang Elektrodinamik Jasad Bergerak". Kerelatifan khas adalah berasaskan dua postulat yang saling bercanggahan dalam mekanik klasik:
Hukum fizik adalah sama untuk semua pemerhati dalam gerakan seragam yang relatif dengan satu sama lain (prinsip kerelatifan).
Kelajuan cahaya di dalam hampagas adalah sama untuk semua pemerhati, tampa mengira gerakan relatifnya atau gerakan punca cahaya.

Teori yang timbul daripada itu lebih cekap menangani uji kaji daripada mekanik klasik, misalnya dalam eksperimen Michelson–Morley yang menyokong postulat 2, tetapi juga mendatangkan banyak kesan yang memeranjatkan. Antaranya:
Kerelatifan keserentakan: Dua peristiwa, serentak untuk seorang pemerhati, belum tentu segerak untuk seorang lagi pemerhati jika kedua-dua mereka berada dalam gerakan relatif.
Dilasi masa: Jam yang bergerak didapati berdetik lebih perlahan daripada jam yang "pegun" pada pemerhati.
Jisim kerelatifan
Kecutan panjang: Objek-objek didapati memendak dalam arah yang ditujuinya secara relatif dengan pemerhati.
Kesetaraan jisim-tenaga: , tenaga dan jisim adalah sama nilai dan boleh ditransmutasikan.
Kelajuan maksimum adalah terhingga: Tiada objek fizikal, mesej atau garis medan boleh berjalan lebih laju daripada kelajuan cahaya dalam hampagas.

Ciri terpenting kerelatifan khas adalah penggantian transformasi Galileo untuk mekanik klasik oleh transformasi Lorentz. (Rujuk persamaan Maxwell tentang elektromagnetisme).

Kerelatifan am

Kerelatifan am adalah satu teori kegravitian yang dicipta oleh Einstein pada tahun-tahun 1907–1915. Penciptaan kerelatifan am bermula dengan prinsip kesetaraan yang mana keadaan gerakan terpecut adalah seiras secara fizikal dengan keadaan pegun di dalam medan graviti (misalnya, berdiri di atas permukaan Bumi). Kesudahannya adalah bahawa jatuh bebas adalah gerakan inersia: sesebuah objek yang jatuh bebas sedang jatuh kerana begitulah objek bergerak apabila tidak dikenakan sebarang daya, dan bukannya disebabkan oleh daya graviti seperti mana dalam mekanik klasik. Ini tidak serasi dengan mekanik klasik dan kerelatifan khas kerana dalam dua teori itu, objek-objek yang bergerak secara inersia tidak boleh memecut secara relatif dengan satu sama lain, tetapi objek-objek yang jatuh bebas boleh. Untuk menyelesaikan kerumitan ini, Einstein mula-mula menganjurkan bahawa ruang masa itu berbentuk melengkung. Pada tahun 1915, beliau mencipta persamaan medan Einstein yang mengaitkan kelengkungan ruang masa dengan jisi, tenaga dan momentum di dalamnya.

Antara kesan-kesan daripada kerelatifan am adalah:
Jam berdetik lebih perlahan dalam telaga graviti yang lebih dalam., Kuliah 5 Inilah yang dinamai dilasi masa graviti.
Orbit meliuk secara yang tidak diduga dalam teori graviti Newton. (Ini telah diperhatikan dalam orbit Utarid dan pulsar dedua).
Sinaran cahaya melengkung dalam kehadiran medan graviti.
Jasad-jasad berputar "meleret di sepanjang" ruang masa di sekitarnya; suatu fenomena beristilahkan "meleret rangka".
Alam semesta sedang mengembang, malah pinggir-pinggirannya yang terjauh sedang menjauhi kita lebih cepat daripada kelajuan cahaya.

Secara teknikal, kerelatifan am adalah teori kegravitian yang berciri-utamakan penggunaan persamaan medan Einstein. Penyelesaian kepada persamaan medan itu adalah tensor metrik yang menentukan topologi ruang masa dan bagaimana objek bergerak secara inersia.

Bukti uji kaji
Ujian kerelatifan khas
Seperti semua teori sains yang boleh dipalsukan, kerelatifan membuahkan ramalan-ramalan yang boleh diuji dengan uji kaji. Dalam hal kerelatifan khas, ini termasuklah prinsip kerelatifan, kemalaran kelajuan cahaya, dan dilasi masa. Ramalan-ramalan kerelatifan khas ini telah disahkan dalam pelbagai ujian semenjak Einstein menerbitkan kertas kerjanya pada tahun 1905, tetapi tiga uji kaji yang diadakan antara tahun 1881 hingga 1938 amat meragui kesahihannya, iaitu uji kaji Michelson–Morley, uji kaji Kennedy–Thorndike, dan uji kaji Ives–Stilwell. Einstein memetik transformasi Lorentz daripada prinsip-prinsip pertama pada tahun 1905, tetapi ketiga-tiga uji kaji tersebut membolehkan aruhan transformasi daripada bukti uji kaji.

Persamaan Maxwell, iaitu asas kepada ilmu elektromagnetisme klasik, memerikan cahaya sebagai gelombang yang bergerak dengan suatu halaju cirian. Pada pandangan moden, cahaya tidak memerlukan bahantara pemancaran, namun Maxwell dan yang seangkatan dengannya yakin bahawa gelombang cahaya dirambatkan dalam suatu bahantara yang serupa dengan bunyi yang merambat dalam udara, serta riak-riak yang merambat pada permukaan kolam. Bahantara anggapan ini dipanggil eter bercahaya, yang pegun secara relatif dengan "bintang-bintang tetap" dan dilalui oleh Bumi. Hipotesis leretan eter separa oleh Fresnel menyangkal sukatan kesan tertib pertama (v/c), dan walaupun pemerhartian terhadap kesan tertib kedua (v2/c2) adalah mungkin secara prinsip, namun Maxwell berpendapat bahawa ia terlalu kecil untuk dikesan dengan teknologi semasa itu.

Uji kaji Michelson–Morley direka untuk mengesan kesan tertib kedua "angin eter", iaitu pergerakan eter secara relatif dengan bumi. Untuk itu, Michelson mencipta alat interferometer Michelson. Alat itu lebih daripada cukup jitu untuk mengesan kesan-kesan yang diduga, namun beliau memperoleh hasil yang nol apabila uji kaji pertama diadakan pada tahun 1881, dan sekali lagi pada 1887. Biarpun kegagalan untuk mengesan angin eter menghampakan, namun hasil penemuannya diterima oleh masyarakat ilmuwan. Dalam cubaan menyelamatkan paradigma eter, Fitzgerald dan Lorentz secara berasingan mencipta hipotesis ad hoc yang mana kepanjangan jasad maujud berubah mengikut pergerakannya melalui eter. Dari sinilah berpuncanya kecutan Fitzgerald-Lorentz, malah hipotesis mereka tiada asas teori. Tafsiran terhadap hasol npl daripada uji kaji Michelson–Morley adalah bahawa masa perjalanan ulang-alik bagi cahaya adalah bersifat isotrop (tidak terpengaruh oleh arah), namun hasil itu sahaja tidak memadai untuk menyangkal teori eter atau mengesahkan ramalan kerelatifan khas.

Biarpun uji kaji Michelson–Morley menunjukkan bahawa halaju cahaya bersifat isotrop, namun tiada apa-apa yang dikhabarkannya tentang bagaimana magnitud halaju itu berubah (jika ada pun) dalam pelbagai jenis rangka inersia. Untuk itu direkanya uji kaji Kennedy–Thorndike yang mula-mula dijalankan pada 1932 oleh Roy Kennedy dan Edward Thorndike. Mereka memperoleh hasil nol, lalu menyimpulkan bahawa "tidak terdapat kesan ... melainkan halaju sistem suria di angkasa tidak melebihi sekitar separuh daripada Bumi dalam orbitnya". Kemungkinan itu disangka terlalu kebetulan untuk menyampaikan penjelasan yang munasabah, maka daripada hasil nol uji kaji mereka, adalah disimpulkan bahawa masa perjalanan ulang-alik cahaya adalah sama dalam kesemua rangka rujukan inersia.

Uji kaji Ives–Stilwell dijalankan oleh Herbert Ives dan G.R. Stilwell julung-julung kalinya pada 1938 dan kemudian dengan lebih kejituan pada 1941. Uji kaji ini direka untuk menguji kesan Doppler melintang (anjakan merah cahaya dari punca yang bergerak dalam arah yang serenjang dengan halajunya) yang telah diramal oleh Einstein pada tahun 1905. Strateginya adalah membandingkan anjakan Doppler yang tercerap dengan apa yang diduga oleh teori klasik, serta mencari pembetulan faktor Lorentz. Telah ditemuinya pembetulan sedemikian, maka adalah disimpulkan bahawa frekuensi jam atom yang bergerak terubah mengikut kerelatifan khasnya.

Ujikaji-ujikaji klasik ini telah diulangi berkali-kali dengan bertambah kejituannya.

 Ujian kerelatifan am 
Kerelatifan am turut disahkan berkali-kali, dengan uji kaji yang terulungnya iaitu liukan perihelion orbit Utarid, pemesongan cahaya oleh Matahari, dan anjakan merah graviti cahaya. Ujian-ujian lain mengesahkan prinsip kesetaraan dan leret rangka.

Rujukan

Pautan luar

Relativity Milestones: Timeline of Notable Relativity Scientists and Contributions