Sejarah kerelatifan khas

Lihat juga: Kerelatifan khas

Kerelatifan sebelum 1900

Prinsip kerelatifan sebenarnya diperkenalkan oleh Galileo Galilei yang menterbalikkan pandangan-pandangan kemutlakan Aristotle yang lama. Prinsip Galileo itu mengatakan bahawa gerakan, atau sekurang-kurangnya gerakan seragam pada suatu garis yang lurus, hanya mempunyai makna ketika dibandingkan dengan sesuatu yang lain, dan tidak terdapatnya kerangka rujukan yang mutlak untuk pengukuran semua benda. Galileo, yang mengandaikan satu set transformasi yang digelarkan transformasi Galileo yang kini kelihatan akal sahaja, mengemukakan lima hukum mengenai gerakan.

Sebaliknya, Isaac Newton menyimpulkan kewujudan "ruang mutlak" berdasarkan kesan-kesan putaran — suatu kerangka rujukan yang mutlak — dan mendasarkan teori-teori atas kesimpulannya itu. Dengan demikian, beliau membina satu set persamaan yang mengandungi hanya tiga hukum gerakan. Bagaimanapun, Newton mengekalkan prinsip kerelatifan untuk apa-apa yang dapat diperhatikan — gerakan seragam tidak dapat mengesan ruang mutlaknya.

Prinsip kerelatifan kelihatan amat berkesan bagi fenomena harian yang melibatkan benda-benda yang pejal, tetapi cahaya masih menimbulkan masalah. Newton mempercayai bahawa cahaya adalah "korpuskel", tetapi ahli-ahli fizik kemudian mendapati bahawa model cahaya gelombang melintang adalah lebih berguna. Medium hipotesis ini yang dirujuk sebagai "eter luminiferus" kelihatan mempunyai beberapa ciri yang bercanggah. Umpamanya, medium itu harus amat tegar untuk menerangkan kelajuan cahaya yang tinggi dan pada waktu yang sama, harus tidak teguh supaya tidak memperlahankan Bumi yang melintasinya. Idea untuk eter juga nampaknya memperkenalkan idea untuk kerangka rujukan mutlak yang dapat dikesan.

Pada awal abad ke-19, cahaya, elektrik, dan kemagnetan bermula difahami sebagai aspek-aspek medan elektrik dan magnet. Persamaan Maxwell mengaitkan fakta-fakta bahawa perubahan medan-medan magnet menyebabkan perubahan medan-medan elektrik dan sebaliknya. Penyelesaian gelombang untuk persamaan-persamaan itu bergerak pada laju tetap, c, yang tertimbul sebagai nisbah pemalar dalam persamaan-persamaan itu. Secara kebetulan, ini adalah sama dengan kelajuan cahaya dan disebabkan itu, Maxwell mengenalpastikan 'cahaya' sebagai gelombang eter elektromagnet juga.

Oleh sebab persamaan-persamaan itu merujuk kepada perambatan cahaya terhadap eter hipotesis, ahli-ahli fizik mencuba menggunakan idea ini untuk mengukur halaju bumi terhadap eter. Percubaan yang termasyhur ialah uji kaji Michelson-Morley. Sedangkan ujikaji-ujikaji itu menimbulkan perbalahan untuk setakat masa, sepertujuan kemudian termuncul bahawa kelajuan cahaya tidak berubah dengan kelajuan pemerhati dan oleh itu, kelajuan cahaya harus tidak berubah antara sistem-sistem rujukan mengikut persamaan-persamaan Maxwell.

Oleh sebab daya elektromagnet yang bergerak pada kelajuan cahaya dalam sesuatu objek mencantumkan atom-atom objek itu, gerakan kelajuan tinggi akan menyusun semula daya-dayanya dan menyebabkan pemendekan bentuknya. Selepas pertimbangan yang teliti terhadap fizik untuk objek-objek yang bergerak dengan laju dalam eter, Hendrik Lorentz mencadangkan satu penyelesaian yang mana:

• objek-objek dan pemerhati-pemerhati yang bergerak terhadap suatu eter yang pegun akan mengalami pemendekan fizikal (pengecutan Lorentz-Fitzgerald);
• perubahan dalam kadar temporal (dilasi masa}; serta
• ofset masa pada sepanjang gerakan objek (kekurangan keserentakan).

Teori ini membenarkan satu penyesuaian antara elektromagnet dengan fizik Newton melalui pembetulan transformasi Galileo. Apabila halaju yang terlibat adalah banyak kurang daripada kelajuan cahaya, hukum-hukum hasilan akan mempermudahkan transformasi-transformasi Galileo. Bagaimanapun ketika itu, Lorentz tidak sedar akan kuasa penuh ataupun kesemua pembabitan untuk teorinya. Di samping itu, beliau masih menganggap bahawa adanya eter. Teori itu yang kini sering dirujuk sebagai Teori Eter Lorentz (LET) telah dikritik kerana sifat yang nampaknya ad hoc. Bagaimanapun, untuk tujuan yang praktik, teorinya adalah teori yang sama dengan SRT, dan beliau kemudian mengajarnya sebegini.

Perumusan kerelatifan khas

• Pada tahun 1895, Hendrik Lorentz menerbitkan versi 'tertib pertama' untuk transformasi-transformasi Lorentz yang mana fenomena elektrik dan optik dalam sebuah sistem bergerak tidak bergantung kepada gerakan jika angka untuk tertib-tertib $v^{2}/c^{2}$ tidak diambil kira. Dalam transformasi-transformasi ini, beliau memperkenalkan konsep waktu tempatan. Peristiwa-peristiwa serentak dalam kerangka rehat (mempunyai koordinat masa yang sama $t$) mempunyai koordinat-koordinat masa $t^{\prime }$ yang berbeza.

• Pada tahun 1898, dalam sebuah kertas kerja yang digelarkan "La Mesure du Temps", Henri Poincare mendakwa bahawa keserentakan peristiwa-peristiwa yang jauh harus diasaskan berdasarkan kelaziman, dan menetapkan bahawa kelajuan cahaya dianggap sebagai sama sahaja untuk semua hala (sila lihat Kerelatifan keserentakan).

• Pada tahun 1899, Lorentz menyampaikan versi 'tertib kedua' untuk transformasi-transformasi Lorentz yang termasuk dilasi masa dalam kerangka bergerak untuk amaun tak ditentukan. Beliau menunjukkan bahawa fenomena elektrik dan optik dalam sebuah sistem bergerak adalah tidak bergantung kepada gerakan walaupun angka-angka untuk tertib $v^{2}/c^{2}$ dikekalkan.

• Joseph Larmor menerbitkan transformasi-transformasi yang betul pada tahun 1897 dan sekali lagi dalam sebuah buku pada tahun 1900, dan merupakan orang pertama untuk meramalkan dilasi masa [1]. Kepentingan kerjanya ini kelihatan tidak diperasan di Eropah.

• Pada tahun 1900, Poincare menerbitkan sebuah kertas kerja yang menerangkan bahawa waktu tempatan Lorentz tertimbul daripada kaedah lazim untuk menyegerakkan jam-jam dalam sebuah kerangka bergerak — melalui penukaran isyarat-isyarat cahaya yang diandaikan bergerak dengan kelajuan yang sama berbanding dengan kerangka bergerak dalam kedua-dua hala. Kaedah ini amat serupa dengan kaedah yang dicadangkan oleh Einstein ([Sta89, m.s. 893, kaki nota 10]). Beliua mengulangi penjelasan ini dalam banyak buku 'sains popular' yang berikutnya. Dalam kertas kerja yang sama, beliau menganggap sinaran sebagai suatu bendalir rekaan yang mempunyai jisim berkesan sebanyak $m=E/c^{2}$, seperti yang disebut di atas [Poi00].

• Pada tahun 1900, Henri Poincare menerbitkan sebuah kertas kerja yang mengatakan bahawa sinaran boleh dianggap sebagai suatu bendalir rekaan dengan jisim setara sebanyak $m_{r}=E/c^{2}$. Beliau menerbitkan tafsiran ini daripada 'teori elektron' Lorentz yang menggabungkan tekanan sinaran Maxwell.

• Pada tahun 1902, Poincare menolak anggapan ruang dan masa mutlak. Petikan yang berikut termuncul dalam bukunya, La science et l'hypothese ([Poi02]), pada tahun 1902:

1° Il n'y a pas d'espace absolu et nous ne concevons que des mouvements relatifs ; cependant on énonce le plus souvent les faits mécaniques comme s'il y avait un espace absolu auquel on pourrait les rapporter;

2° Il n'y a pas de temps absolu ; dire que deux durées sont égales, c'est une assertion qui n'a par elle-même aucun sens et qui n'en peut acquérir un que par convention;

3° Non seulement nous n'avons intuition directe de l'égalité de deux durées, mais nous n'avons même pas celle de la simultanéité de deux événements qui se produisent sur des théâtres différents ; c'est ce que j'ai expliqué dans un article intitulé la Mesure du temps, Revue de Métaphysique et de Morale, t.~VI, p.~1--13 (janvier 1898); voir aussi la Valeur de la Science, chapitre II.;

1° Tidak terdapatnya ruang yang mutlak, dan kita hanya memikirkan gerakan relatif; dan walaupun begitu, dalam kebanyakan kes, fakta-fakta mekanik telah dijelaskan seolah-olah terdapatnya ruang mutlak yang kita boleh merujuk.

2° Tidak terdapatnya masa yang mutlak. Ketika kita mengatakan bahawa dua tempoh adalah sama kenyataan itu tidak bermakna, dan hanya dapat memperoleh makna melalui kelaziman.

3° Bukan sahaja kita tidak mempunyai intuisi langsung tentang kesamaan dua tempoh, tetapi kita juga tidak mempunyai intuisi langsung untuk keserentakan bagi dua peristiwa yang terjadi di dua tempat yang berbeza. Saya telah menerangkan ini dalam sebuah makalah yang bertajuk " Mesure du Temps."

• Dalam banyak komentar mengenai kerja Lorentz, 1900-1904, Poincare menggunakan frasa 'prinsip gerakan relatif' (satu asas yang biasa dalam mekanik Newton) yang telah membangkitkan pertikaian oleh teori elektromagnet, tetapi diselamatkan oleh teori Lorentz. Beliau berasa tidak puas hati terhadap teori Lorentz kerana teori itu mengandungi 'terlalu banyak hipotesis'.

• Versi Poincare untuk Prinsip kerelatifan (1904) adalah seperti berikut: "Hukum-hukum fenomena fizikal harus sama, baik untuk pemerhati yang tetapi, mahupun untuk seorang yang diheret dalam gerakan translasi seragam, supaya kita tidak dapat serta tidak boleh mengesan adalah kita diheret dalam gerakan tersebut atau tidak." Sedangkan Lorentz mencadangkan persamaan-persamaan transformasi Lorenz, Poincare adalah yang menunjukkan simetri pencerapan penuh yang menyusul daripada persamaan Lorenza, dan faham bahawa ini merupakan penyelesaian prinsip kerelatifan.

• Pada tahun 1904, Lorentz mengemukakan transformasi-transformasi yang betul dan menerbitkan sebilangan hasil daripada transformasi-transformasi itu, seperti perubahan jisim dengan halaju, dan ketidakupayaan ujikaji-ujikaji elektrik atau optik untuk mengesan gerakan kerangka rujukan.

• Pada September 1904, ketika memberi ucapan kepada persidangan antarabangsa di St Louis, Poincare membincangkan "hasil-hasil utama" dalam kertas kerja Lorentz 1904. Ucapannya juga meliputi "Prinsip Kerelatifan" yang beliau kini lebih yakin terhadap kebenarannya untuk elektrondinamik. Poincare berasa tidak senang tentang pencabulan prinsip pengekalan momentum dan jisim dalam proses pancaran sinaran.

• Pada 5 Jun 1905, Poincare memberi ucapan yang membincangkan kertas kerja Lorentz 1904 kepada Akademi Sains di Paris, dan beberapa hari kemudian, sebuah versi lima halaman mengenai ucapan itu diterbitkan dalam Comptes Rendus de l'Academie des Sciences, v140, m.s. 1504-08. Beliau menulis bahawa "hasil-hasil yang saya memperolehi bersetuju dalam semua perkara yang penting dengan perkara yang dikemukakan oleh Lorentz; saya hanya membuat sedikit pengubahsuaian dan melengkapkan perincian untuk sebilangan perkara" (Poincare 1905). Beliau menambah bahawa "perkara penting yang diasaskan oleh Lorentz adalah bahawa persamaan-persamaan medan elektromagnet tidak diubahkan oleh sesuatu transformasi yang tertentu (yang saya akan merujuk dengan nama Lorentz)". Poincare kemudian menulis transformasi-transformasi Lorentz dalam bentuk yang moden, setelah memperkenalkan tatatanda yang berbeza sedikit daripada tatatanda yang digunakan oleh Lorentz, dan menyusun semula persamaan-persamaan secara algebra. Poincare juga memberikan ungkapan-ungkapan yang berbeza daripada ungkapan Lorentz untuk ketumpatan cas elektrik dan arus perolakan bagi satu elektron yang bergerak terhadap kerangka bergerak (dan bergerak terhadap kerangka rehat) dan oleh itu, menerbitkan ungkapan-ungkapan untuk daya elektrik bagi elektron yang bergerak itu yang berbeza "sedikit daripada ungkapan Lorentz" (Poincare 1905). Beliau berkata bahawa "ensembel untuk transformasi-transformasi itu bersama-sama dengan semua putaran ruang" merupakan satu kumpulan (tetapi tidak memberi perincian bukti), dan mengaitkan sifat kumpulan ini dengan kemustahilan untuk mengukur gerakan mutlak. Poincare memerhatikan bahawa beliau dipengaruhi oleh hasil-hasil Lorentz untuk menganggap bahawa "inersia adalah fenonema elektromagnet pada sepenuhnya," seperti yang telah dianggap secara umum sejak uji kaji Kaufmann" (Poincare 1905).

Kertas-kertas kerja Einstein (1905)

Pada tahun 1905, Albert Einstein menerbitkan kertas kerja "Elektrodynamik" [Ein05c]. Kertas kerja itu yang menerbitkan persamaan-persamaan Lorentz daripada Prinsip Kerelatifan dan kemalaran kelajuan cahaya yang diperhatikan, tidak mengandaikan sebarang eter. (Disebabkan eter tidak digunakan dalam terbitannya, banyak ahli fizik menggunakan prinsip parsimoni untuk mengeluarkannya sama sekali kerana, sebagaimana dengan perumusan Poincare, tidak terdapatnya kelajuan seragam berbanding dengan eter yang dapat dikesan). Einstein hendak tahu tentang apa yang tak berubah bagi semua pemerhati. Sebilangan terbitan moden menggunakan geometri, termasuk teorem Pythagoras.

Tajuk asal untuk kertas kerja Einstein yang diterjemahkan daripada bahasa Jerman adalah "Mengenai Elektrodinamik untuk Jasad Bergerak". Max Planck menyarankan penggunaan istilah "kerelatifan" untuk menekankan tanggapan penjelmaan hukum-hukum fizik antara pemerhati yang bergerak berbanding satu dengan lain. Istilah 'Khas' dimasukkan kemudian oleh Einstein untuk membezakannya daripada teori kerelatifan am.

Dalam kertas kerja 27 September 1905 yang bertajuk, "Adakah Inersia Jasad Bergantung Kepada Kandungan Tenaga?" ("Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?") dalam Annalen der Physik [Ein05d], Einstein menonjolkan rumus E = mc². Beliau menganggap bahawa persamaan kesetaraan adalah amat penting kerana ia menunjukkan bahawa satu zarah berjisim mempunyai tenaga, iaitu "tenaga rehat", yang tidak sama dengan tenaga kinetik dan tenaga keupayaan yang klasik. Einstein merupakan orang pertama untuk menyarankan bahawa ketika satu jasad menghilangkan tenaga (baik melalui sinaran mahupun [haba]]) sebanyak $E$, jisimnya akan dikurangkan sebanyak $E/c^{2}$ — suatu generalisasi untuk idea kesetaraan jisim-tenaga daripada "bendalir rekaan" yang dicadangkan oleh Poincare.

Kertas kerja Einstein, Elektrodynamik, tidak mengandungi sebarang rujukan kepada kepustakaan lain. Kertas itu pernah menyebut nama Lorentz, tetapi hanya dalam §9, bahagian II yang berkaitan dengan pengolahan medan elektromagnet. Nama Poincare langsung tidak disebut.

Mengenang kembali kerelatifan khas

Seseorang mungkin bertanya, "Adakah pengasas-pengasas kerelatifan khas diperlukan untuk mereka matematik baru bagi model matematik yang merupakan teori ruang-masa?" Jawapannya adalah bahawa kita kini melihatkan kerelatifan khas sebagai satu sudut algebra linear, tetapi pada masa Lorentz, Einstein, dan Minkowski, bidang itu masih dalam peringkat awal; tidak terdapat buku teks tentang algebra linear kerana ruang vektor moden dan teori transformasi, serta tatatanda matriks Cayley yang menyatukan bidang itu, masih belum mendapat sambutan. Transformasi-transformasi Lorentz yang benar adalah sebuah konsep pemetaan yang terwujud dalam pendaraban tesarin, suatu idea yang dikemukakan oleh James Cockle pada tahun 1848. Dalam hayatnya yang pendek (34 tahun), William Kingdon Clifford menggunakan pendaraban ini dengan nama "algebra motor". Syarahan "Prinsip-prinsip Algebra Fizik" oleh Alexander MacFarlane pada tahun 1891 kepada Persatuan Amerika untuk Kemajuan Sains menandakan permulaan perbincangan awam untuk matematik ini dalam konteks fizik akademik. Ceramah itu telah diterbitkan dalam Prosiding AAAS dan MacFarlane sendiri juga menyebarluaskan teksnya dalam bentuk risalah.

Ruang Minkowski, yang dapat diperlihatkan sebagai kuaternion hyperbola yang telah dilembutkan, tertimbul di bawah premis bahawa setiap subsatah ruang masa mempunyai struktur nombor kompleks terbelah. Premis ini yang diambil daripada syarahan MacFarlane (1891) mencetuskan suatu gerak balas yang penting pada dekad 1890-an dan menyebabkan penyemakan MacFarlane pada tahun 1900.

Kritikan terhadap kerelatifan khas

Kritikan-kritikan terhadap teori kerelatifan biasanya dibuat daripada beberapa sudut pandangan yang berbeza. Kritikan-kritikan awal menumpukan kepada ketiadaan bukti, tetapi bukti-bukti moden sangat banyak. Banyak orang nampaknya mempercayai, atau mungkin berharap, bahawa dunia ini tidak bersifat seperti apa yang amat banyak uji kaji telah menunjukkan. Kebanyakan yang lain kelihatan salah faham tentang fizik itu dan gagal untuk memahami teori yang berkenaan.

Herbert Dingle merupakan seorang ahli astrofizik bereputasi baik yang pada mula-mulanya menjadi penyokong dan pengarang buku untuk kerelatifan, tetapi tafsirannya terhadap kerelatifan khas mempunyai perbezaan yang tidak ketara berbanding dengan tafsiran Einstein. Akhirnya, beliau memutuskan bahawa teori kerelatifan khas tidak tekal, dan memulakan pengutukan teori itu sepanjang hayatnya. Sebahagian besar 'bukti'nya yang menunjukkan bahawa teori kerelatifan khas tidak tekal telah ditolak oleh ahli-ahli sains yang lain, dan teori alternatifnya tidak serasi dengan bukti uji kaji.

Lihat juga

Pertikaian keutamaan mengenai Einstein dan teori-teori kerelatifan

Rujukan

Karya-karya Albert Einstein

[Ein05c]

Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik 17(1905), 891-921. Diterima pada 30 Jun, dan diterbitkan pada 26 September 1905. Dicetak semula dengan ulasan di [Sta89], m.s. 276-306. Terjemahan bahasa Inggeris, dengan kaki nota yang tidak berada dalam kertas kerja 1905, boleh didapati dalam internet.

[Ein05d]

Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig?, Annalen der Physik 18(1905), 639-641, dicetak semula dengan ulasan di [Sta89], Dokumen 24. Terjemahan bahasa Inggeris boleh didapati dalam internet.

[Sta89]

John Stachel (Ed.), The collected papers of Albert Einstein ("Himpunan kertas-kertas kerja Albert Einstein"), jilid ke-2, Percetakan Universiti Princeton, 1989.

Karya-karya Henri Poincare

[Poi00]

La Theorie de Lorentz et le Principe de Réaction, Archives neérlandaises des Sciences exactes et naturelles, 2e série, 5(1900), m.s. 252-278, Recueil de Travaux offert à M. Lorentz à l'occasion du 25e anniversaire de son doctorat, dicetak semula di Oeuvres, jilid IX, m.s. 454-488. Terjemahan bahasa Inggeris menggunakan tatatanda moden yang dibuat oleh V. A. Petrov, dan diberikan di [Log05], m.s. 113-120.

[Poi02]

La science et l'hypothèse, E. Flamarion, Paris, 1902. Versi elektronik, dengan terjemahan bahasa Inggeris Diarkibkan 2007-02-03 di Wayback Machine.

[Poi04a]

L'état actuel et l'avenir de la physique mathématique., Bulletin des sciences mathématiques 28(1904), 302-324. Ucapan yang disampaikan kepada Bahagian Matematik Gunaan, Kongres Antarabangsa Sastera dan Sains, St. Louis, 24 September 1904.

[Poi04b]

The Present and the Future of Mathematical Physics ("Kini dan Masa Hadapan untuk Fizik Matematik"), Bull. Amer. Math. Soc., 12(1906), 240-260, terjemahan bahasa Inggeris untuk [Poi04a] oleh J. W. Young.

[Poi04c]

The Present and the Future of Mathematical Physics ("Kini dan Masa Hadapan untuk Fizik Matematik"), Bull. Amer. Math. Soc. (siri baru), 37(2000), 25-38, dicetak semula untuk [Poi04b].

[Poi05]

Sur la Dynamique d'Électron, Comptes rendus de l'Academie des Sciences, 140(1905), m.s. 1504-1508. Dicetak semula di Oeuvres, jilid IX, m.s. 489-493.

[Poi06a]

Sur la Dynamique d'Électron, Rendiconti del Circolo matematico di Palermo, 21(1906), 129-176. Diserahkan pada 23 Julai, 1905. Dicetak semula di Oeuvres, jilid IX, 494-550.