“Bayangkan anda bersama kawan dalam satu kabin di sebuah kapal di laut, dan ada bersama anda dalam bilik tersebut lalat, rama-rama dan serangga terbang yang lain. Bawa juga satu tangki air berisi ikan di dalamnya, dan gantungkan satu botol berisi air yang menitis ke satu bekas di bawahnya.
Apabila kapal itu tidak bergerak, perhatikan bahawa serangga itu semua terbang dengan seragam ke seluruh penjuru kabin, dan air akan menitis ke bawah secara terus, dan ikan di tangki berenang dengan mudah…
Dan kemudian perhatikan bahawa apabila kapal itu bergerak dalam kelajuan yang sekata, tidak akan berlaku apa perubahan di dalam bilik itu. Serangga tetap terbang dengan seragam, air menitis terus menerus, dan ikan berenang tanpa halangan.
Kita sebenarnya tidak mampu membezakan antara kapal yang bergerak sekata, dengan kapal yang sedang duduk diam di pelabuhan.”
– Galileo Galilei, Galileo’s Ship Experiment.
Petikan di atas merupakan sebahagian daripaada idea Eksperimen Kapal Galileo, salah satu eksperimen minda yang diperkenalkan oleh Galileo Galilei. Ini merupakan antara idea pertama yang memperkenalkan kosep “Relativiti”, yang mana Galileo di sini menceritakan bahawa objek yang sedang bergerak seragam (constant motion) itu akan menghasilkan perspektif yang sama sifatnya dengan objek yang tidak bergerak.
Idea yang lahir pada abad ke-16 ini kemudiannya diteruskan oleh Sir Isaac Newton, yang mana Newton memperkenalkan Hukum Pergerakan dan Hukum Gravitinya yang terkenal. Menggabungkan pandangan Galileo dan juga Aristotle, Newton berjaya menunjukkan bahawa pergerakan itu sebenarnya boleh difahami dengan menggunakan matematik, dan hasilnya, Newton percaya dan yakin bahawa ruang dan masa itu bersifat mutlak (absolute) dan wujud sendiri dengan bebas (independent).
Apa maksudnya ruang dan masa itu bersifat mutlak?
Mutlak di sini bererti bahawa ruang dan masa menurut Newton, mampu wujud tanpa perlu kepada pemerhati. Dalam pandangan Newton, masa adalah satu entiti yang berdetik secara seragam, dan dirasai oleh semua orang secara serentak, dan ruang pula ada satu sistem 3-dimensi di mana kesemua aktiviti fizikal berlaku.
Hal ini adalah berlawanan dengan pandangan ilmuan terdahulu, kerana ilmuan besar seperti Aristotle mengatakan bahawa entiti seperti masa itu tidak bebas, sebaliknya perlu kepada pemerhati (observer-dependent).
Newton percaya bahawa ruang dan masa yang mutlak itu perlu bagi memberi makna kepada pergerakan dan perubahan, dan dengan kemutlakan ruang dan masa ini, pergerakan dan interaksi objek fizikal dapat diperhatikan mengikut hukum matematik yang tetap dan boleh diduga (deterministic).
“Kepercayaan” Newton ini dipegang oleh saintis agak lama, dari sekitar abad ke-17 sehinggalah abad ke-19, dan ia mula “dicabar” dengan penerokaan teknologi baru, iaitu elektrik.
Penemuan elektrik tidak boleh dikreditkan kepada seorang individu, namun ia adalah hasil kajian berterusan saintis pada abad ke 18 dan 19. Sebagai contoh, Benjamin Franklin dan layang-layangnya (1752) menunjukkan bahawa kilat itu adalah satu bentuk elektrik, penciptaan bateri oleh Alessandro Volta dan penggunaan elektrik secara praktikal oleh Edison dan Tesla.
Hasil kajian yang pelbagai ini kemudian dikumpulkan oleh James Clerk Maxwell dalam bentuk persamaan matematik pada abad ke-19, dan dipermudahkan dalam empat persamaan yang asas, yang harini terkenal sebagai Maxwell’s Equation.
Untuk tidak memeningkan kepala, kita tidak akan melihat persamaan Maxwell satu persatu.
Namun, salah satu benda yang orang awam tidak tahu adalah, persamaan Maxwell ini merupakan salah satu “ramuan” utama yang diperlukan dalam pembikinan rangka Teori Relativiti yang kita ada pada hari ini. Lebih khusus lagi, Persamaan Maxwell ini menceritakan sifat gelombang elektromagnet dan berapa laju ia bergerak.
Pada waktu ini, saintis telah sedar bahawa cahaya merupakan sejenis gelombang elektromagnet. Bagaimanapun, masih tersemat dalam minda saintis bahawa gelombang elektromagnet ini perlu untuk bergerak dalam satu medium ghaib, yang dipanggil “luminiferous aether” (translation: aether yang membawa cahaya). Hal ini sama seperti gelombang bunyi yang memerlukan udara untuk bergerak, atau gelombang air yang menggunakan air sebagai medium.
Persamaan Maxwell ternyata menyanggah pandangan ini. Menurut Persamaan Maxwell, gelombang elektromagnet seperti cahaya dapat bergerak di dalam vakum (tanpa apa-apa medium) dan masih lagi mengekalkan kelajuannya. Hal ini mencabar status quo saintis pada zaman itu. Mereka mula mengkaji dan mencari bukti kewujudan aether.
Albert Michelson dan Edward Morley merupakan antara saintis yang terkenal dalam hal ini, bukan kerana mereka berjaya membuktikan kewujudan aether, namun kerana kegagalan eksperimen mereka.
Pada asalnya, Michelson dan Morley yakin dengan kewujudan aether. Jadi, mereka merangka eksperimen bagi mengkaji kewujudan aether menggunakan interferometer dan cahaya, dengan harapan bahawa akan ada cahaya yang terseret (dragging effect) sewaktu eksperimen tersebut berlangsung. Sekiranya ada cahaya yang terseret, maka mereka berjaya membuktikan kewujudan aether, namun sebaliknya berlaku. Mereka gagal, dan eksperimen mereka menjadi “eksperimen gagal paling mahsyur dalam sains” (the most famous failed experiment in science).
“The Experiments on the relative motion of the earth and ether have been completed and the result decidedly negative…”
– Surat Albert Michelson kepada Lord Rayleigh (1887)
Beberapa tahun selepas eksperimen ini berlaku, muncul Albert Einstein. Semua benda yang Einstein perlukan telah tersedia. Konsep Relativiti Galileo, Hukum Pergerakan Newton, Teori Elektromagnet Maxwell, dan kegagalan pencarian luminiferous aether memaksa Einstein untuk mempertaruhkan Teori Relativitnya sebagai “usul penyelesaian” kepada bagaimana alam berfungsi – aether sebenarnya tidak diperlukan, sebaliknya yang diperlukan adalah pembetulan pada hukum fizik klasik itu sendiri.
Dengan konsep Galileo, hukum fizik adalah sama bagi dua pemerhati, tak kiralah sama ada mereka sedang bergerak secara seragam, ataupun mereka tidak bergerak. Idea ini dipanggil Galilean Transformation. Einstein setuju dengan pernyataan ini, namun, menurut Einstein, selain hukum fizik itu sama bagi semua pemerhati, kelajuan cahaya juga perlu sama antara dua pemerhati. Hal ini membolehkan Galilean Transformation untuk mengambil kira kesan dari Persamaan Maxwell tadi.
Untuk membolehkan cahaya bergerak di dalam vakum tanpa perlunya aether serta semua pemerhati menncerap kelajuan cahaya yang sama, Galilean Transformation perlu diubah bentuknya. Ini melahirkan apa yang dipanggil sebagai Lorentz Transformation, satu bentuk matematik khusus* untuk objek yang bergerak dengan amat laju, menghampiri kelajuan cahaya.
Kesan daripada Transformasi Lorentz tadi melahirkan Teori Relativi Khusus (Special Theory of Relativity), dengan kesan daripada Teori Relativiti ini adalah ketakvarianan halaju cahaya antara ramai pemerhati (invariance of speed of light), pengembangan masa (time dilation) dan pengecutan ruang (length contraction).
Pengembangan masa merujuk kepada situasi di mana dua pemerhati merasai masa yang berbeza apabila mereka berada dalam dua kelajuan yang berbeza, dengan pemerhati yang bergerak laju akan merasa masa menjadi lebih perlahan berbanding pemerhati yang tidak bergerak.
Pengecutan ruang pula berlaku apabila dua pemerhati dengan kelajuan yang berbeza mengukur satu panjang dengan dua ukuran yang berbeza, dengan pemerhati yang lebih laju mendapat ukuran yang lebih pendek berbanding pemerhati yang tidak bergerak.
Antara eksperimen yang “membuktikan” pengecutan ruang dan pemanjangan masa ini adalah eksperimen pereputan muon. Muon merupakan salah satu zarah asas, sama seperti elektron, namun ia lebih kurang stabil berbanding elektron. Muon juga sering dijumpai di lapisan atmosfera atas hasil dari sinaran kosmikdan selalunya bergerak pada kelajuan yang amat pantas, dan sepatutnya mereput dengan cepat (2.2 µs).
Namun, perkara yang memeranjatkan saintis adalah terdapat muon yang mampu bergerak dengan lebih jauh dengan jangka hayat lebih lama sebelum ia mereput. Hal ini boleh diterangkan denga Relativiti Khusus, di mana pemerhati di Bumi akan melihat muon tersebut mampu hidup lebih lama sebelum mereput (kerana pengembangan masa), dan dari perspektif muon itu pula, jarak yang ia lalui adalah lebih pendek (pengecutan ruang).
Eksperimen muon ini merupakan salah satu eksperimen yang membuktikan bahawa pengembangan masa itu berlaku dengan keputusan yang konsisten. Lebih banyak muon yang kita perhatikan sampai ke lantai Bumi, meskipun jangka hayat muon itu sebenarnya adalah amat pendek.
*Lorentz transformation merupakan nama dari Henrik Lorentz, salah seorang ahli matematik sezaman dengan Einstein. Meskipun mencipta transformasi Lorentz, satu bentuk matematik yang betul, namun Lorentz yakin kepada Teori Aether, menyebabkan dia tidak berjaya menjumpai Teori Relativiti sebelum Einstein (walaupun matematiknya sudah wujud).
Rujukan
- “Galileo’s ship thought experiment and relativity principles”, T. Budden (1998). https://doi.org/10.1016/S0160-9327(98)01110-7
- “Newton’s Views on Space, Time, and Motion”, Robert Rynasiewicz (2011). Stanford Encyclopedia of Philosophy.
https://plato.stanford.edu/entries/newton-stm/#:~:text=Isaac%20Newton%20founded%20classical%20mechanics,anything%20happens%20in%20the%20world. - “Maxwell’s Equations and Electromagnetic Waves”, MIT. https://web.mit.edu/8.02t/www/802TEAL3D/visualizations/coursenotes/modules/guide13.pdf
- “Michelson in 1887”, A. Moyer (1987). Physics Today. https://doi.org/10.1063/1.881073
- “Hendrik A. Lorentz Biographical”, The Nobel Prize. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1902/lorentz/biographical/
- “Rossi and Hall Muon Experiment”, (2012). University of Maryland. https://www.astro.umd.edu/~richard/ASTRO340/class08_RM.pdf
Sumber gambar artikel : https://newsroom.ucla.edu/releases/einstein-general-relativity-theory-questioned-ghez