Memahami relativiti.

Relativiti adalah salah satu daripada cabang ilmu fizik. Ia meneroka perkaitan di antara berbagai hukum fizik agar kesemuanya dapat dipadukan dalam sebuah teori alam semesta. Usaha ini seperti menyatupadukan kehendak setiap bangsa dalam sebuah negara ke dalam sebuah perundangan menyeluruh yang disebut perlembagaan. Pengembaraan dunia relativiti adalah pengembaraan mencari ‘perlembagaan’ alam semesta, yang mana kesemua hukum dan teori fizik patuh kepada perlembagaan ini.

Untuk bahagian pertama, penulis akan memperkenalkan beberapa istilah agar dapat mengurangkan kekeliruan. Sebarang pertanyaan dan kritikan boleh diajukan di ruangan komen. Jika rencana ini menimbulkan rasa inkuiri, penulis sangat mengalu-alukan anda mencari bahan bacaan dan memperkembang pembacaan anda.

Postulat/ aksiom. (English-postulate or axiom)
Dari segi bahasa, postulat bermaksud ‘perjanjian alam’, atau pernyataan yang dipersetujui kebenarannya secara mutlak dan tidak memerlukan sebarang ujikaji atau eksperimen untuk mengesahkannya. Postulat digunakan oleh saintis dan ahli falsafah pada zaman kuno sebagai asas kepada penghasilan pernyataan-pernyataan baru.

Ketika era Euclid, aksiom dan postulat dipisahkan antara satu sama lain, namun menjelang awal abad ke-20 ketika mana pelbagai teori baru dalam bidang matematik dan falsafah dibangunkan (seperti teori set dan teori medan), maka pemahaman ahli matematik terhadap konsep-konsep matematik meningkat dan perbezaan antara aksiom dan postulat termansuh. Oleh itu, kini kedua-duanya membawa maksud yang sama.

Contoh postulat ialah:
a) Dalam segitiga bersudut tegak, nisbah sisi bersetentang dengan hipotenus adalah pemalar.
b) Dalam segitiga bersudut tegak, nisbah sisi bersebelahan dengan hipotenus juga adalah pemalar.

Teorem pula adalah pernyataan yang dibentuk daripada pernyataan-pernyataan lain yang telah dipersetujui, seperti postulat. Teorem juga boleh dibentuk daripada teorem-teorem lain.

Contoh teorem ialah:
a) Teorem Pythagoras yang menyatakan bahawa hasil tambah kuasa dua sisi bersetentang dan kuasa dua sisi bersebelahan dalam sebuah segitiga sudut tegak adalah sama dengan kuasa dua hipotenusnya. Teorem ini dibentuk dari dua postulat di atas.

Relativiti khas.
Pada tahun 1905, Albert Einstein telah membentangkan tiga kertas kajian dalam jurnal Annalen der Physik (English- Annals of physics) dan salah satu daripadanya menerangkan mengenai relativiti khas.

Kertas kajian tersebut dimulakan dengan dua postulat:
a) Hukum alam adalah sama dalam semua bingkai rujukan (English-frame of reference)
b) Halaju cahaya dalam ruang kosong (hampagas) adalah pemalar mutlak dalam alam ini dan bebas daripada gerakan jasad yang memancarkannya.

Dari postulat tersebut, berbagai teori lain dalam relativiti khas dihasilkan.
Postulat pertama memberikan gambaran tentang ruang dan masa dan bagaimana hubungkait di antara keduanya dan sifat masing-masing. Sebelum itu, izinkan dahulu penulis menerangkan apa itu masa mutlak.

“Masa mutlak ialah masa yang tidak dipengaruhi oleh sebarang ruang yang dirangkumnya”

Dalam dunia fizikal, menurut Albert Einstein menerusi postulat pertamanya, masa adalah TIDAK MUTLAK.

Sebagai contoh, masa yang anda ukur ketika menaiki tren dari Birmingham ke London tidak sama dengan masa yang diukur oleh seorang yang lain yang berada di luar tren. Meskipun eksperimen ini tidak pernah dijalankan, namun ia ternyata benar melalui ujikaji tidak langsung oleh saintis fizik moden melalui eksperimen menggunakan partikel radioaktif. Ini kerana masa dalam tren adalah tertakluk kepada ruang yang dirangkumnya, iaitu tren itu sendiri. Jadi, masa bagi pengukur dalam tren ialah masa KHAS untuk ruang tersebut (tren) itu sahaja. Sementara masa yang diukur oleh seseorang yang berada di luar tren ialah masa KHAS untuk ruang tersebut (bumi) itu sahaja.

Apakah kaitannya dengan postulat pertama? Ia menyatakan bahawa hukum alam dalam setiap bingkai rujukan adalah sama. Hukum alam merangkumi sifat tabii kesemua jisim dan masa dalam suatu bingkai rujukan (bingkai rujukan adalah ruang yang menempatkan jisim dan masa). Oleh itu untuk sebuah tren yang sedang bergerak dengan halaju seragam, hukum fizik seperti graviti, pantulan cahaya, lantunan bola, dan segala fenomena fizikal kesemuanya berlaku di dalam tren sepertimana ia berlaku dalam sebuah ruang yang pegun. Hukum fizik dalam sebuah ruang adalah tersendiri dan tidak dipengaruhi oleh mana-mana hukum di luar ruang tersebut.

Jika sifat tabii masa dalam tren sama seperti tabii masa di luar tren, atau dengan kata lainnya, segala fenomena fizikal yang berlaku di dalam tren mengikut perjalanan tabii masa di luar tren, maka hukum alam di dalam tren akan berlaku secara luar biasa. Inilah yang berlaku jika masa dalam alam semesta ini bersifat mutlak, iaitu bebas dari sebarang rangkuman bingkai rujukan.

Apakah yang dimaksudkan dengan postulat kedua dalam relativiti khas ini?
“Halaju cahaya dalam ruang kosong (hampagas) adalah pemalar mutlak dalam alam ini dan bebas daripada gerakan jasad yang memancarkannya.”

Bayangkan anda sedang berada di dalam sebuah kapal yang pegun di tengah-tengah lautan. Di permukaan air terhasil dua gelombang yang sama halaju; satu ke hadapan dan satu ke belakang. Melalui pemerhatian anda dapat menyimpulkan bahawa kedua-duanya bergerak dengan halaju yang sama. Bagaimana jika kapal tersebut sedang bergerak dengan halaju seragam? Apabila keadaan ini berlaku, maka penentuan halaju kedua-dua gelombang air menjadi sukar. Ini kerana gelombang air yang bergerak pada arah yang sama dengan kapal akan nampak bergerak lebih perlahan daripada gelombang air yang bergerak pada arah yang bertentangan.

Jika gelombang air tersebut digantikan dengan gelombang cahaya, keadaan tersebut TIDAK BERLAKU menurut postulat kedua Einstein. Anda akan mendapati bahawa laju cahaya yang merambat pada arah pergerakan kapal akan sentiasa sama dengan laju cahaya yang merambat pada arah bertentangan. Situasi ini memang sukar digambarkan dan sekaligus, amat sukar dipercayai. Walaupun begitu, ia ternyata benar melalui eksperimen-eksperimen yang telah dilakukan oleh saintis-saintis terkemudian.

Situasi aneh ini berlaku kerana cahaya bergerak dengan kelajuan yang paling tinggi dalam alam semesta.

Sekian dahulu, dan bersambung pada bahagian kedua.