Kesan relativiti am.

Pembengkokan cahaya dalam medan graviti

Bayangkan anda sedang berada di dalam sebuah kapal angkasa yang bebas dan jauh dari sebarang sumber graviti.

Satu alur cahaya dipancarkan dari salah satu dinding kapal angkasa. Kapal angkasa bergerak dengan memecut ke atas.

Dengan menganggap kapal angkasa bergerak dengan laju, maka cahaya akan sampai ke bahagian dinding yang satu lagi pada kedudukan yang terkebawah sedikit dari paras yang sama dengan kedudukan sumber cahaya tersebut pada dinding yang pertama tadi.

Dalam dunia sebenar kita tidak akan dapat melihat fenomena ini kerana kapal angkasa dalam dunia sebenar bergerak dengan laju yang jauh lebih rendah di mana cahaya sempat sampai ke dinding yang satu lagi pada paras yang hampir sama dengan sumbernya. Ini kerana cahaya bergerak dengan kelajuan yang amat tinggi.

Kembali kepada kes tadi. Laluan cahaya didapati membengkok ke bawah apabila kapal angkasa memecut ke atas. Bagaimanakah jika kita cuba menggunakan penjelasan secara graviti mengikut prinsip kesamaan?

Menurut prinsip kesamaan, pecutan kapal angkasa ke atas sama dengan pecutan graviti ke bawah. Maka apabila kita menyimpulkan cahaya ‘membengkok’ ke bawah apabila kapal angkasa memecut ke atas, maka kita juga dapat menyimpulkan bahawa:

“Cahaya membengkok ke bawah apabila wujud pecutan graviti yang menariknya ke bawah, i.e. cahaya membengkok pada arah tarikan graviti yang menariknya”

Dari itu, cahaya bertindak seperti sebiji bola yang dilontarkan secara melintang. Laluan parabolik (English-parabolic path) bola tersebut sama seperti laluan perambatan cahaya. Cahaya didapati bertindak seolah-olah seperti ia memiliki berat dan jisim! (dwisifat zarah-gelombang untuk cahaya (English-light particle-wave duality) boleh dirujuk di Wikipedia. Menurut ahli fizik Perancis Louis de Broglie, gelombang elektromagnet boleh bertindak seperti zarah berjisim dan juga gelombang pada satu-satu masa)

Fenomena ini bukanlah teori semata-mata. Ia telah dibuktikan dalam beberapa eksperimen yang dilakukan sendiri oleh Einstein. Beliau telah mencerap cahaya dari bintang-bintang yang jauh dan membandingkannya dengan kedudukan sebenar bintang-bintang ini. Beliau mendapati cahaya bintang-bintang tersebut membengkok dari kedudukan asalnya apabila melalui matahari akibat daya tarikan graviti matahari yang kuat.

Eksperimen tersebut bertanggungjawab membuktikan prinsip kesamaan sebagai prinsip yang diakui kebenarannya dalam fizik.

Pengembangan masa dalam medan graviti

*Untuk eksperimen fikir ini sila abaikan pembengkokan cahaya dalam medan graviti dengan menganggap bahawa cahaya bergerak lurus di sepanjang laluannya di dalam tren dan arah pecutan tren adalah selari dengan alur cahaya tersebut.

Katakan anda berada di dalam sebuah tren. Satu hujung tren bertanda A sementara satu hujung lagi bertanda B. Satu pemancar laser diletakkan pada titik A. Sebelum tren bergerak, hujung titik A bertindih dengan titik O di atas bumi.

Pemancar A memancarkan cahaya laser menuju titik B sebaik sahaja tren memulakan pergerakannya. Sebaik sahaja laser tiba di B, titik pada bumi yang bertindih dengan B pada ketika itu direkodkan oleh anda sebagai titik P.

Buat pengetahuan anda tren memecut dengan pecutan seragam a meter/saat kuasa dua sebaik sahaja memulakan pergerakkannya dari O.

Katakan tempoh masa yang anda ukur (anda ialah pemerhati pada bingkai rujukan tren) untuk cahaya bergerak dari A ke B ialah t1 saat.

c*t1 = L meter , iaitu jarak antara A dan B. c ialah halaju cahaya laser dalam meter/saat.

Menurut relativiti khas, halaju cahaya adalah mutlak dan tidak dipengaruhi mana-mana halaju bingkai rujukan. Maka pecutan tren tidak akan memberikan apa-apa kesan kepada halaju cahaya laser.

Katakan terdapat seorang lagi pemerhati di luar tren, iaitu pemerhati pada bingkai rujukan bumi. Beliau mengukur masa untuk cahaya di dalam tren sampai dari O ke P. Disebabkan relativiti khas yang menekankan sifat malar halaju cahaya, maka masa yang diambil oleh laser untuk bergerak dari O ke P ialah t2 saat.

c*t2 = S meter, S ialah jarak antara O dan P. c ialah halaju cahaya laser dalam meter/saat.

Jika pecutan tren ditingkatkan pada suatu nilai yang lebih tinggi dari a, katakan b meter/saat kuasa dua, apakah yang dapat anda ramalkan?

Jika diamati, jarak antara A dan B tetap sama (L meter) kerana kita masih menggunakan tren yang sama. Maka sudah pasti masa untuk cahaya bergerak dari A ke B pada pemerhati di dalam tren ialah malar iaitu t1 saat. Begitu juga dengan halaju cahaya iaitu c meter/saat.

Seperti kes sebelumnya, selepas t1 saat, tren akan melalui titik P. Disebabkan kali ini tren memecut dengan pecutan b yang lebih tinggi dari a, maka sudah pasti titik P untuk kes ini lebih jauh dari O berbanding kes pertama. Kesannya, jarak S meningkat.

Disebabkan jarak S meningkat sedangkan halaju cahaya tetap sama, maka untuk kes kedua kita dapat menyimpulkan bahawa t2 iaitu masa yang diambil oleh cahaya untuk bergerak dari O ke P pada pengukur di bingkai rujukan bumi telah meningkat.

Maka kita dapat merumuskan bahawa untuk nilai t1 yang malar, apabila pecutan bingkai rujukan (tren) ditingkatkan, maka nilai t2 juga meningkat.

Ini bermakna jam pada pemerhati di dalam tren bergerak semakin perlahan apabila pecutan tren ditingkatkan! Penulis berikan satu contoh, katakan pada kes pertama tadi t2 = 10 minit dan t1 = 5 minit, dan pada kes kedua pula t2 = 20 minit (kerana ia meningkat) dan t1 = 5 minit.

Kes kedua menunjukkan bahawa jam pada pemerhati di dalam tren bergerak lebih perlahan berbanding kes pertama. Ini kerana pada kes kedua, jam pemerhati di luar tren sudah mengukur 20 minit sedangkan jam pada pemerhati di dalam tren masih mengukur 5 minit.

Ini membuktikan bahawa apabila pecutan tren meningkat, maka jam di dalamnya bergerak lebih perlahan.

Dengan mengaitkan eksperimen ini dengan prinsip kesamaan, peningkatan pecutan tren boleh disamakan dengan peningkatan pecutan graviti atau peningkatan daya tarikan graviti. Tren boleh digantikan dengan kapal angkasa untuk mana-mana kes yang sesuai.

Dengan itu kita dapat menyimpulkan bahawa apabila jam berada dalam medan graviti yang lebih kuat, atau pecutan graviti yang lebih tinggi, maka ia akan ‘bergerak’ lebih perlahan.

Kenyataan di atas memberitahu bahawa apabila kita berada jauh dari bumi, masa yang kita ukur akan menjadi lebih besar (masa mengembang) dan jam kita bergerak lebih laju berbanding dengan yang diukur di permukaan bumi. Ini kerana medan graviti bumi akan menjadi semakin lemah dengan pertambahan jarak darinya.

Ia juga turut memberitahu bahawa jam di permukaan matahari bergerak lebih perlahan berbanding jam di permukaan Bumi kerana daya tarikan graviti matahari jauh lebih tinggi.

***

Bersambung pada bahagian 2- Lohong hitam.