Kerelatifan khas merupakan sebuah teori yang dirumuskan oleh Albert Einstein pada tahun 1905 [1].
Secara asasnya, teori ini menerangkan tentang gerakan sesebuah objek berdasarkan pemerhati yang berbeza halajunya.
Berdasarkan teori kerelatifan khas, pergerakan sesebuah objek tidak boleh ditentukan secara mutlak oleh mana-mana pemerhati [2]
Kita lihat pada satu contoh berdasarkan gambar di bawah. Pemerhati A sedang berdiri di atas kereta api yang bergerak ke kanan, manakala pemerhati B berada di atas rumput dan tidak bergerak. Apabila sebuah bola dijatuhkan oleh pemerhati A, beliau akan melihat bola tersebut jatuh terus ke bawah. Namun berdasarkan pemerhati B, beliau akan lihat bahawa bola tersebut jatuh ke hadapan. Persoalannya, pergerakan manakah yang tepat? Kedua-dua pergerakan bola tersebut mengambil jarak yang berbeza.
Berdasarkan teori kerelatifan khas, kedua-dua pergerakan tersebut adalah betul bagi setiap pemerhati.
Ini disebabkan oleh satu prinsip asas dalam teori kerelatifan khas iaitu
Tidak wujud suatu kerangka rujukan/pemerhati mutlak. Semua hukum fizik tidak bergantung secara mutlak kepada mana-mana pemerhati.
Namun apabila kita gantikan bola tersebut dengan cahaya seperti laser, masalah baharu akan timbul. Cuba kita fikirkan, apabila kita memegang sebuah cermin, pantulan imej muka kita yang terhasil adalah disebabkan cahaya yang terpantul dari muka kita. Apakah yang akan berlaku pada imej di cermin jika kita bergerak pada kelajuan yang menghampiri kelajuan cahaya?
Adakah imej tidak akan kelihatan pada cermin kerana cahaya tidak sampai ke mata kita?
Berdasarkan prinsip kedua bagi kerelatifan khas iaitu halaju cahaya adalah sama bagi mana-mana pemerhati, tidak kira pemerhati tersebut sedang bergerak atau pegun. Ini bermakna, imej pada cermin tetap akan kelihatan walaupun pemerhati tersebut bergerak menghampiri halaju cahaya.
Berdasarkan dua eksperimen di atas, kita sudah faham berkenaan dua prinsip bagi kerelatifan khas iaitu
Prinsip Kerelatifan: Hukum fizik tidak bergantung kepada pemerhati yang bergerak pada halaju malar/pegun (kerangka rujukan inersia).
Prinsip kelajuan cahaya: Halaju cahaya adalah sama bagi setiap pemerhati tidak kira sama ada pemerhati tersebut sedang bergerak atau pegun relatif kepada cahaya tersebut.
Kita lihat semula pada situasi pertama, tapi bola tersebut digantikan dengan cahaya. Berdasarkan pemerhati A, cahaya tersebut bergerak pada garisan lurus ke lantai. Namun bagi pemerhati B, cahaya tersebut melengkung ke hadapan sebelum ke lantai. Ini bermakna, cahaya yang dilihat oleh pemerhati B bergerak pada kelajuan yang lebih tinggi berbanding cahaya yang dilihat oleh pemerhati A. Namun ini bertentangan dengan prinsip kelajuan cahaya!
Albert Einstein menyelesaikan paradoks ini dengan menemui dua fenomena baharu iaitu dilasi masa dan kecutan panjang.
Dilasi Masa
Dilasi masa adalah satu fenomena yang menyebabkan masa seseorang pemerhati itu bergerak lebih perlahan berbanding pemerhati lain [2]. Ia adalah implikasi daripada dua prinsip kerelatifan khas seperti di atas.
Apabila seseorang pemerhati itu bergerak, masanya bergerak pada kadar yang lebih perlahan berbanding pemerhati yang pegun. Semakin laju pemerhati itu bergerak, semakin perlahan masanya berlalu. Namun fenomena dilasi masa ini hanya memberi kesan yang besar jika seseorang pemerhati atau sesebuah objek itu bergerak pada kelajuan yang menghampiri kelajuan cahaya. Disebabkan pergerakan seharian kita yang sangat perlahan dibandingkan cahaya, kesan ini tidak dapat lihat dengan begitu ketara.
Kecutan Panjang
Kecutan panjang adalah satu fenomena yang menyebabkan panjang sesebuah objek mengecut disebabkan oleh pergerakan objek tersebut berbanding pemerhati lain (Beiser, 1994). Fenomena ini juga terhasil daripada dua prinsip utama bagi kerelatifan khas.
Bagi memahami fenomena ini, kita bayangkan sebuah kereta api yang bergerak pada landasannya, dan kita pula sedang berdiri di tepi landasan tersebut. Konsep kecutan panjang ini menyatakan bahawa panjang kereta api tersebut akan mengecut atau menjadi semakin pendek apabila ia bergerak laju. Sama seperti dilasi masa, pengecutan panjang ini hanya dapat dilihat dengan ketara apabila kereta api tersebut bergerak menghampiri kelajuan cahaya.
Kedua-dua fenomena di atas hanya dapat dikesan apabila sesebuah objek bergerak pada halaju yang sangat tinggi, atau dengan menggunakan jam yang lebih sensitif. Kesan ini telah direkodkan berdasarkan pelbagai eksperimen seperti eksperimen Hafele-Keating yang membandingkan masa yang direkodkan oleh jam-jam atom pada kelajuan yang berbeza [3]
Hasil daripada dua fenomena di atas, timbul pula masalah baharu seperti keserentakan dan paradoks kembar. Begitulah realitinya dalam kajian ilmu, semakin banyak persoalan yang terjawab, akan wujud pula permasalahan yang baharu. Ilmu ini sentiasa berterusan kerana ilmu yang mutlak hanya ada pada sang Pencipta.
Kredit: Muhammad ‘Izzat bin Mohd Zubir
Blog: https://izzatzubir.blogspot.com/
Youtube: Mudahnya Fizik!
Rujukan
- Moses, C. J., Serway, R. A., & Moyer, C. A. (2004). Modern Physics (3rd ed.). California: Brooks Cole.
- Beiser, A. (1994). Concepts of Modern Physics (6th ed.). New York City: McGraw-Hill Higher Education.
- Hafele, J. C., & Keating, R. E. (1972). Around-the-World Atomic Clocks: Observed Relativistic Time Gains. Science, 177(4044), 168-170. Retrieved from http://www.jstor.org/stable/1734834
