Bergerak mendekati kecepatan cahaya akan menyebabkan waktu berlalu dengan sangat berbeda untuk pelancong dibandingkan orang yang tetap dalam kerangka referensi konstan. Tetapi baik paradoks kembar maupun eksperimen Michelson-Morley bukanlah yang menanam benih Einstein untuk mengembangkan relativitas. (TWIN PARADOX, MELALUI TWIN-PARADOX.COM)

Relativitas Bukanlah Keajaiban Einstein; Itu Menunggu Dalam Penglihatan Biasa Selama 71 Tahun

Hukum induksi Faraday ditetapkan pada tahun 1834, dan merupakan eksperimen yang mengarahkan Einstein untuk menemukan relativitas.

Ketika kita berpikir tentang Einstein dan teori relativitas, semua legenda mengelilinginya. Apa yang menginspirasinya untuk memahami gagasan bahwa tidak ada yang namanya ether, atau media bagi cahaya untuk dilalui? Apa yang membawanya pada gagasan bahwa kecepatan cahaya adalah konstan, tidak berubah untuk setiap dan semua pengamat, tidak peduli bagaimana mereka bergerak relatif satu sama lain?

Ada banyak kemajuan besar yang orang suka tunjukkan. Ada eksperimen Michelson-Morley, yang mencari gerakan melalui ether dan tidak mendeteksi apa pun. Ada karya Lorentz dan Fitzgerald, yang menunjukkan bahwa panjang dikontrak dan waktu melebar ketika Anda bergerak mendekati kecepatan cahaya. Dan ada karya Maxwell, yang menyatukan listrik dengan magnet beberapa dekade sebelumnya.

Tapi itu bukan salah satunya. Menurut Einstein sendiri, itu adalah eksperimen Faraday pada tahun 1834. Itu adalah hukum induksi elektromagnetik.

Detail litograf Michael Faraday menyampaikan ceramah Natal di Royal Institution, sekitar 1856. (ALEXANDER BLAIKLEY)

Michael Faraday adalah salah satu fisikawan terhebat abad ke-19, tetapi ia hebat dalam cara yang tidak sering kita hargai. Hari ini, kita mungkin menganggapnya sebagai penjilat belaka, karena keberhasilannya yang besar tidak didasarkan pada persamaan atau prediksi kuantitatif yang eksplisit, melainkan pada hasil yang ditunjukkan oleh pengaturan eksperimentalnya yang cerdik.

Pada saat listrik pertama kali dimanfaatkan dan penerapannya masih dalam masa pertumbuhan, Faraday mengungkapkan kebenaran mendalam tentang sifat listrik yang saling berhubungan dengan magnet.

Garis medan magnet, seperti yang diilustrasikan oleh magnet batang: dipol magnetik, dengan kutub utara dan selatan terikat bersama. Magnet permanen ini tetap termagnetisasi bahkan setelah medan magnet luar diambil. Tidak disadari bahwa magnetisme dan listrik terhubung selama berabad-abad. (NEWTON HENRY BLACK, HARVEY N. DAVIS (1913) FISIKA PRAKTIS)

Listrik dan magnet tidak selalu terhubung bersama. Bahkan, mereka pada awalnya diperlakukan sebagai fenomena yang sepenuhnya independen.

  • Listrik didasarkan pada gagasan partikel bermuatan yang bisa diam (di mana mereka akan menarik atau mengusir) atau bergerak (di mana mereka akan menciptakan arus listrik), dengan listrik statis menjadi contoh dari yang pertama dan kilat menjadi contoh dari terakhir.
  • Magnetisme diperlakukan sebagai fenomena permanen, di mana mineral atau logam tertentu dapat dimagnetisasi secara permanen, dan Bumi sendiri dipandang sebagai magnet permanen juga, yang memungkinkan orientasi oleh kompas.

Baru pada tahun 1820, dengan eksperimen Oerstad, kami mulai memahami bahwa dua fenomena ini saling terkait.

Peralatan sekolah untuk melakukan eksperimen Øersted yang menunjukkan bahwa arus listrik menciptakan medan magnet, pertama kali dilakukan pada 21 April 1820 oleh ilmuwan Denmark Hans Christian Øersted. Terdiri dari kawat penghantar yang tergantung di atas jarum kompas. Ketika arus listrik dilewatkan melalui kabel seperti yang ditunjukkan, jarum kompas membelok ke sudut kanan dengan kawat. (AGUSTIN PRIVAT-DESCHANEL)

Jika Anda meletakkan jarum kompas di sepanjang kawat yang membawa arus listrik melaluinya, Anda akan menemukan bahwa jarum kompas selalu dibelokkan untuk menyelaraskan tegak lurus dengan kawat. Bahkan, ini sangat tidak diantisipasi bahwa pertama kali percobaan dilakukan, jarum dipasang tegak lurus dengan kawat pada awalnya, dan tidak ada efek yang diamati. Harapannya adalah bahwa jarum akan sejajar dengan arus listrik, daripada tegak lurus terhadapnya.

Hal yang baik untuk para penjinak, kemudian, yang berpikir untuk melakukan percobaan dengan jarum yang sudah selaras dengan kawat, dan mampu mengamati hubungan pertama antara listrik dan magnet. Hasil percobaan itu menunjukkan sesuatu yang revolusioner: arus listrik, atau muatan listrik yang bergerak, menghasilkan medan magnet. Langkah selanjutnya, diambil oleh Faraday, akan menjadi lebih revolusioner.

Konsep induksi elektromagnetik, diilustrasikan melalui magnet batang dan loop kawat. (RICHARD VAWTER OF UNIVERSITAS WESTERN WASHINGTON)

Anda mungkin pernah mendengar tentang hukum gerak ketiga Newton: untuk setiap tindakan, ada reaksi yang sama dan berlawanan. Jika Anda mendorong objek, objek mendorong Anda dengan kekuatan yang sama dan berlawanan. Jika Bumi menarik Anda ke bawah karena gravitasi, maka Anda harus menarik Bumi ke atas dengan gaya yang sama dan berlawanan, juga karena gravitasi.

Nah, jika muatan listrik bergerak di dalam kawat dapat menghasilkan medan magnet, maka mungkin sama dan berlawanan benar: mungkin menghasilkan medan magnet dengan cara yang benar dapat menyebabkan muatan listrik bergerak di dalam kawat, menciptakan arus listrik? Faraday melakukan percobaan ini sendiri, dan menentukan bahwa jika Anda mengubah medan magnet di dalam lingkaran kawat dengan menggerakkan magnet permanen masuk atau keluar darinya, misalnya Anda akan menghasilkan arus listrik dalam loop itu sendiri.

Salah satu aplikasi paling awal dari hukum induksi Faraday adalah untuk mencatat bahwa gulungan kawat, yang akan menciptakan medan magnet di dalamnya, dapat memagnetisasi material, menyebabkan perubahan medan magnet internal. Bidang perubahan ini kemudian akan menginduksi arus di koil di sisi lain magnet, menyebabkan jarum (di kanan) membelok. Induktor modern masih mengandalkan prinsip yang sama ini. (WIKIMEDIA COMMONS PENGGUNA BACH EVIATAR)

Setelah mengutak-atik pengaturan eksperimental dalam berbagai cara, ia dapat menunjukkan bagaimana ini bekerja secara detail.

  • Saat Anda mengubah medan magnet di dalam lingkaran atau lilitan kawat, Anda akan menimbulkan arus listrik yang menentang perubahan di bidang tersebut.
  • Jika Anda meletakkan cincin besi di sekitar dua loop kawat dan mengalirkan arus listrik melalui satu loop, Anda akan menghasilkan arus di loop lainnya.
  • Jika Anda memutar disk tembaga di dekat magnet batang dengan kabel listrik, Anda dapat menghasilkan arus listrik konstan; ini adalah penemuan generator listrik pertama.
  • Dan jika Anda memindahkan kumparan kawat pembawa arus masuk atau keluar dari interior kumparan kawat tanpa arus melewatinya, itu akan menciptakan arus listrik di kumparan yang lebih besar.
Salah satu eksperimen Faraday 1831 yang menunjukkan induksi. Baterai cair (kanan) mengirimkan arus listrik melalui koil kecil (A). Ketika ia dipindahkan masuk atau keluar dari koil besar (B), medan magnetnya menginduksi tegangan sesaat dalam koil, yang dideteksi oleh galvanometer. (J. LAMBERT)

Ini dikenal sebagai hukum induksi Faraday, dan dipahami dengan baik pada level ini pada tahun 1834. Dengan memikirkan fenomena ini, Einstein pertama kali mulai mengungkap prinsip relativitasnya. Bayangkan dua pengaturan berikut, keduanya melibatkan magnet batang dan gulungan kawat:

  1. Anda memiliki kumparan kawat yang tetap dan stasioner, dan magnet batang yang dapat Anda gunakan untuk masuk atau keluar dari kumparan kawat. Anda memindahkan magnet ke koil dengan kecepatan konstan, dan menyaksikan arus listrik muncul di koil.
  2. Anda memiliki magnet batang yang tetap dan tidak bergerak, dan gulungan kawat yang dapat Anda lepaskan atau lepas dari magnet dengan bebas. Anda memindahkan koil ke magnet dengan kecepatan konstan, dan menonton arus listrik muncul di koil.

Jika Anda berpikir tentang dua skenario ini tanpa relativitas, mereka akan memiliki implikasi yang sangat berbeda untuk apa yang akan terjadi secara fisik.

Ketika Anda memindahkan magnet ke dalam (atau keluar dari) loop atau gulungan kawat, itu menyebabkan medan berubah di sekitar konduktor, yang menyebabkan gaya pada partikel bermuatan dan menginduksi gerakan mereka, menciptakan arus. Fenomena ini sangat berbeda jika magnetnya diam dan koil digerakkan, tetapi arus yang dihasilkan sama. Ini adalah titik awal untuk prinsip relativitas. (OPENSTAXCOLLEGE DI OPENTEXTBC.CA, UNDER CC-BY-4.0)

Ketika Anda memindahkan magnet ke kumparan stasioner, konduktor, magnet melihat medan listrik muncul dengan sejumlah energi tertentu, dan medan itu menghasilkan arus dalam konduktor tergantung pada energi medan yang dihasilkan magnet. Ini sesuai dengan kasus # 1, di atas.

Tetapi jika Anda sebaliknya menjaga magnet tetap dan memindahkan konduktor, tidak akan ada medan listrik yang muncul di sekitar magnet. Apa yang terjadi, sebaliknya, adalah Anda mendapatkan tegangan (atau gaya gerak listrik) yang muncul dalam konduktor, yang sama sekali tidak memiliki energi yang melekat padanya. Ini sesuai dengan kasus # 2, di atas.

Namun, secara eksperimental, kedua pengaturan ini harus setara. mereka menghasilkan arus listrik yang sama dengan besarnya dan intensitas yang sama dalam gulungan kawat. Kesadaran ini, lebih dari yang lain, adalah apa yang mengarahkan Einstein pada prinsip relativitas.

Jam cahaya, yang dibentuk oleh foton yang memantul di antara dua cermin, akan menentukan waktu bagi pengamat mana pun. Meskipun kedua pengamat mungkin tidak sepakat satu sama lain tentang berapa lama waktu berlalu, mereka akan menyetujui hukum fisika dan konstanta Alam Semesta, seperti kecepatan cahaya. Ketika relativitas diterapkan dengan benar, pengukurannya akan ditemukan setara satu sama lain. (JOHN D. NORTON)

Prinsipnya mengakui, pertama dan terutama, bahwa tidak ada keadaan istirahat absolut. Relativitas menentukan bahwa semua pengamat, terlepas dari seberapa cepat atau ke arah mana mereka bergerak, akan melihat hukum listrik dan magnet yang sama, serta hukum mekanika yang sama.

Ketika kita berbicara tentang relativitas hari ini, kita hampir selalu mendiskusikan eksperimen Michelson-Morley, yang menunjukkan bahwa kecepatan cahaya tidak berubah terlepas dari apakah Anda mengorientasikannya dengan gerakan Bumi (yang berada pada kecepatan 30 km / dtk, relatif terhadap Matahari, atau sekitar 0,01% kecepatan cahaya) atau pada sudut sembarang apa pun sehubungan dengan gerakan Bumi. Tentu, itu mungkin membuatnya lebih jelas bagi kita, sebagai cara untuk menjelaskan mengapa relativitas harus masuk akal, di belakang.

Tapi ini hanya masalah sekunder, seperti yang dinyatakan oleh Einstein sendiri dalam literatur dan oleh Max Born, menulis tentang Einstein bertahun-tahun kemudian.

Interferometer Michelson (atas) menunjukkan perubahan pola cahaya yang dapat diabaikan (bawah, padat) dibandingkan dengan apa yang diharapkan jika relativitas Galilea benar (bawah, putus-putus). Kecepatan cahaya adalah sama tidak peduli ke arah mana interferometer itu berorientasi, termasuk dengan, pada sudut ke, tegak lurus terhadap, atau melawan gerakan Bumi melalui ruang. (ALBERT A. MICHELSON (1881); A. A. MICHELSON AND E. MORLEY (1887))

Jika Semesta memiliki kerangka referensi yang berbeda dari yang lain, maka harus ada beberapa pengukuran yang dapat Anda lakukan untuk mengungkapkan kepada Anda bagaimana hukum alam berbeda ketika Anda bergerak pada satu kecepatan tertentu dalam satu arah tertentu. Tetapi itu tidak konsisten dengan Semesta yang kita miliki. Tidak peduli seberapa cepat Anda bergerak atau ke arah mana Anda bergerak, hukum fisika adalah sama, dan percobaan fisik apa pun yang Anda lakukan akan memberikan hasil yang terukur yang sama dan menghasilkan fenomena fisik yang sama.

Cara kita memahami fenomena ini mungkin berbeda tergantung pada kerangka referensi kami, tapi itu yang diharapkan. Hanya dengan menyatukan semua bagian ini, bersama dengan kekonstanan kecepatan cahaya untuk semua pengamat, relativitas tumbuh dari sebuah prinsip menjadi teori yang lengkap. Pada tahun 1905, Einstein selamanya mengubah cara kita memandang Alam Semesta, tetapi benih-benih itu ada di sana pada awal tahun 1834. Relativitas bukanlah keajaiban. Benih hanya membutuhkan 71 tahun untuk tumbuh dengan baik.

Mulai Dengan Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.