Pembentukkan teori kerelatifan khas bermula dengan permasalahan tentang persamaan dan penemuan Maxwell berkenaan percanggahannya dengan rangka rujuk (reference frame) yang berasaskan transformasi Galilean (Galilean transformation) yang menjadi dasar utama dalam mekanik Newton.
Secara logiknya, kepantasan manusia yang berlari di atas kereta api adalah lebih laju berbanding manusia yang berlari di atas jalan raya. Hal ini demikian kerana kelajuan manusia yang belari di atas kereta api disokong dengan kelajuan kereta api itu sendiri. Perkara ini disokong oleh transformasi Galilean.
Tetapi cahaya tidak begitu sifatnya di mana kelajuan cahaya adalah sama walau di mana cahaya itu berada. Kereta yang bergerak 80 km/j dengan kereta yang bergerak 50 km/j mempunyai kelajuan cahaya yang sama pada lampu kereta masing-masing. Tidak bertambah disebabkan pergerakan kereta itu. Rumusan Maxwell menetapkan bahawa kesemua jenis gelombang cahaya (EM) bergerak dengan kelajuan tetap.
Untuk menyelesaikan percanggahan tersebut, Maxwell mewujudkan medium yang istimewa hanya untuk pergerakkan cahaya semata-mata iaitu aether; medium bagi pergerakan gelombang cahaya untuk melenyapkan percanggahan dengan mekanik Newton.
Sifat tabii aether sama seperti udara tidak dapat dilihat dan memenuhi ruang. Medium ini sama sifatnya seperti medium lain. Gelombang air dibawa oleh medium air, gelombang bunyi dibawa oleh medium udara dan namun adakah gelombang cahaya dibawa oleh medium aether?
Pelbagai eksperimen dijalankan untuk membuktikan kewujudan medium aether. Idea rangka eter dan sifat cahaya sebagai gelombang diterima ramai pada masa itu. Sekali gus membuktikan kewujudan aether merupakan satu tuntutan yang sangat besar.
Walau bagaimanapun, eksperimen yang dijalankan oleh Albert A. Michelson and Edward W. Morley pada tahun 1887 telah menunjukkan bahawa aether ini tidak wujud.
 |
| Edward W. Morley |
 |
| Albert A. Michelson |
Bagaimanakah eksperimen ini dilaksanakan
Eksperimen Michelson - Morley dikatakan hanya menjumpai keputusan yang negatif kerana eksperimen itu sendiri bertujuan untuk mengesan kehadiran medium aether.
Michelson dan Morley menyedari bahawa bumi tidak boleh sentiasa pegun yang berkenaan dengan aether. Dan cahaya akan mempunyai panjang laluan dan peralihan fasa yang berbeza bergantung pada sama ada ia merambat selari dan anti selari atau berserenjang dengan aether.
Jika cahaya memerlukan medium, maka halajunya juga bergantung kepada halaju medium. Vektor halaju menambah.
Dari lengan interferometer yang lain, jumlah halaju mestilah berserenjang, jadi cahaya mesti merambat pada sudut (halaju cahaya akan berkurangan sedikit berbanding halaju asalnya). Anggap \(c\) ialah kelajuan cahaya, dan \(v\) ialah halaju eather. Formula bagi perambatan selari dan anti selari diantara cahaya dan medium aether,
\(\displaystyle t_{1}=\frac{L}{c-v}+\frac{L}{c+v}\)
\(\displaystyle t_{1}=\frac{L(c+v)}{c^2-v^2}+\frac{L(c-v)}{c^2-v^2}\)
\(\displaystyle t_{1}=\frac{2Lc}{c^2-v^2}\)
\(\displaystyle t_{1}=\frac{2L}{c}\frac{1}{[1-v^2/c^2]}\)
Manakala formula bagi perambatan serenjang diantara cahaya dan medium aether,
\(\displaystyle t_{2}=\frac{2L}{\sqrt{c^2-v^2}}\)
\(\displaystyle t_{2}=\frac{2L}{c}\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}\)
Beza waktu antara kedua-dua sumber cahaya yang bergerak dalam satu pusingan yang lengkap ini adalah
\(\displaystyle \Delta t=t_{1}-t_{2}=\frac{2Lc}{c^2-v^2}-\frac{2L}{\sqrt{c^2-v^2}}\)
Ramalan eksperimen yang dibuat adalah akan terdapat perbezaan masa dan fasa peralihan bagi gelombang cahaya iaitu \(8\times 10^{-17}\text{s}\) dan \(0.2~\text{rad}\) masing-masing. Walaupun perbezaan masa adalah sangat kecil, ia berada dalam julat pengukuran eksperimen untuk cahaya boleh dilihat dalam interferometer Michelson, terutamanya dengan laluan berlipat.
 |
| Aether bercahaya (Luminiferous aether), dihipotesiskan bahawa bumi bergerak melalui medium aether yang membawa cahaya. |
Namun eksperimen menjangkakan bahawa anjakan pinggir kira-kira 0.4 dalam radas mereka apabila ia diputar melalui 90º dan mereka percaya bahawa mereka boleh mengesan anjakan sekecil 0.01 pinggir. Tetapi tiada anjakan pinggir diperhatikan. Daripada rumus di atas kita dapat mengukur halaju bumi apabila \(c\), \(L\) dan \(\Delta t\) diketahui. Hasil daripada ujikaji ini memang di luar dugaan. Michelson memperoleh \(v=0\), bererti halaju bumi relatif terhadap eter tidak dapat dikesan. Mereka mengulangi eksperimen pada titik yang berbeza di permukaan bumi dan pada musim yang berbeza dalam setahun tanpa mengesan sebarang anjakan yang boleh diukur di pinggir.
Dapatan Michelson ini dapat dijelaskan dengan mudah kalau dibuat dua pengadaian, iaitu transformasi Galileo tidak berlaku pada sistem ini dan laju cahaya bersifat tidak varian, yakni halaju cahaya sentiasa sama pada semua rangka. Setelah gagal mengesan medium aether, saintis juga cuba menerangkan keputusan negatif yang diperoleh dalam eksperimen ini. Terdapat tiga penerangan yang diketengahkan iaitu hipotesis seretan eter, konsep pengecutan Lorentz-FitzGerald, prinsip pemalaran halaju cahaya.
Hipotesis seretan eather
Hipotesis ini mencadangkan bahawa bumi menyeret eather sepanjang ia berputar pada paksinya dan beredar mengelilingi matahari. Ini bercanggah dengan aberasi bintang di mana teleskop perlu dicondongkan untuk memerhati cahaya bintang akibat pergerakan Bumi. Jika eather diseret bersama, kecondongan ini tidak akan berlaku.
Pengecutan Lorentz-FitzGerald
Tidak lama selepas eksperimen Michelson-Morley dijalankan, George Francis FitzGerald mengusulkan bahawa hasil daripada eksperimen tersebut boleh diterima sekiranya pergerakan objek menerusi aether membuatkan objek tersebut mengecut atau dalam erti kata lain, memendek ke arah pergerakkannya.
Kes itu signifikan apabila objek tersebut bergerak menghampiri kelajuan cahaya, tetapi sukar untuk dilihat kesannya apabila bergerak dengan kadar kelajuan biasa yang manusia alami. Idea tersebut merupakan salah satu fenomena dalam kerelatifan khas yang akan diusulkan oleh Einstein beberapa tahun kemudian.
Namun, FitzGerald menghadapi tekanan kerana ideanya diketawakan oleh rakan-rakan saintis. Idea mengecutan itu dikongsi bersama dengan Henrik Lorentz yang turut mengusulkan idea yang sama. Lorentz kemudiannya telah membentuk sebuah persamaan matematik bagi membuktikan bahawa aether hanya dapat dikesan sekirannya sesuatu objek bergerak menghampiri kelajuan cahaya. Persamaan matematik tersebut dibentuk hasil daripada pengubahsuaian transformasi Galilean yang seterusnya mewujudkan idea bahawa masa tidak mutlak akibat daripada kemutlakan kelajuan cahaya.
Prinsip pemalaran halaju cahaya
Dicadangkan secara bebas oleh Albert Einstein pada tahun 1915. Beliau membuat kesimpulan bahawa halaju cahaya di angkasa adalah pemalar sejagat. Oleh itu, kelajuan cahaya adalah \(c\) dan bukannya \(|(c + v)|\) dalam mana-mana rangka rujuk. Akibatnya, hipotesis kewujudan medium eather adalah tidak benar dan boleh dilupuskan.
Tiada ulasan:
Catat Ulasan