Oleh Tan Bok Hooi
14 Mac 2023, 22:32

Untuk mendapatkan maklumat terkini, ikuti kami melalui Telegram

Langgan Sekarang

Selepas Albert Einstein menamatkan pengajiannya dari Zürich Polytechnic pada tahun 1900, beliau mengalami kesukaran untuk mendapatkan pekerjaan sebagai tenaga pengajar di universiti. Kesukaran itu berlarutan selama dua tahun lamanya.

Akhirnya, ayah kepada kawan baiknya, iaitu Marcel Grossmann, berjaya membantu Einstein mendapatkan kerja di pejabat paten Swiss di Bern selepas hidup dalam kegelapan buat sekian lamanya. Rutin pekerjaan yang tidak begitu sukar semasa bekerja di situ memberikan ruang masa yang mencukupi untuknya meneroka alam fizik dengan lebih mendalam lagi. Perbincangan tentang fizik diteruskan di rumah bersama-sama isterinya, Mileva Maric yang handal dalam bidang matematik.

Einstein terpukau dengan misteri fenomena fotoelektrik berdasarkan keputusan eksperimen yang dilakukan oleh Philipp Eduard Anton von Lenard. Pemenang Nobel 1905 itu telah menunjukkan bahawa tenaga kinetik elektron yang telah dikeluarkan (ejected) daripada permukaan logam spesimen cuma bergantung kepada frekuensi gelombang cahaya yang dipancarkan terhadap permukaan logam, bukan pada keamatan cahaya.

Philip Lenard tidak menjelaskan dengan lanjut secara kuantitatif mengapa keputusan sebegini dicapai. Keghairahan untuk mempersembahkan fenomena berdasarkan konsep matematik  mendorong Einstein menjadikan fenomena fotoelektrik sebagai tumpuan utamanya. Yang menariknya, Philip Lenard menjalankan kajian eksperimennya di universiti di Kiel, manakala Einstein meneruskan kajian secara teori di pejabat paten. Perhubungan mereka sememangnya baik pada permulaannya, namun menjadi teruk selepas beberapa tahun apabila Lenard mula mendukung idea Nazi dan secara terbuka mengecam pengaruh Yahudi, terutamanya teori relativiti yang dikemukakan selepas lebih sedekad itu.

Einstein mengandaikan bahawa sinaran cahaya terdiri daripada gumpalan zarah yang dipanggil foton. Setiap foton berupaya bergerak dengan halaju cahaya, iaitu 300 ribu kilometer per saat (km/s). Tenaga kinetik yang terkandung dalam setiap foton berkadar langsung dengan frekuensi sinaran cahaya.

Konsep foton telah ditonjolkan buat pertama kalinya oleh Max Plank apabila cuba menjelaskan fenomena sinaran jasad hitam (blackbody radiation). Cahaya biru mempunyai tenaga yang lebih daripada cahaya merah kerana jarak gelombang cahaya merah lebih besar. Hal ini terjadi kerana frekuensi berkadar songsang dengan jarak gelombang.

Einstein berpegang teguh kepada hukum pengabadian tenaga bahawa tenaga tidak boleh dibinasakan atau dicipta dengan sewenang-wenangnya. Pelanggaran zarah foton dengan atom pada permukaan logam itu akan menyalurkan tenaga sepenuhnya kepada atom tersebut.

Sekiranya tenaga yang dibekalkan mencukupi untuk meleraikan atom daripada tarikan nukleus atom itu, maka elektron akan terhumban keluar daripada atom tersebut. Tenaga kinetik maksimum elektron adalah bersamaan yang tenaga yang tinggal apabila mempertimbangkan tenaga untuk meleraikan elektron.

Yang paling ajaib ialah buat pertama kalinya penjelasan secara kuantitatif itu sejajar dengan keputusan eksperimen. Kertas kerjanya dibentangkan dalam jurnal saintifik fizik yang unggul, iaitu Annalen der Physik pada tahun 1905.

Walaupun kejayaan Einstein amat membanggakan tetapi beliau tidak menerima tawaran untuk menjadi tenaga pengajar dalam bidang fizik di universiti. Yang membingungkan ialah dunia nampak sepi, seolah-olah tidak mengendahkan pencapaiannya yang begitu memberangsangkan.

Einstein tetap tidak berputus asa dan mengambil keputusan membuat kajian teori secara saintifik tentang gerakan Brown yang mencerminkan pergerakan rawak zarah yang sedang dikaji dalam cecair, sekaligus menguatkan lagi andaian kewujudan atom. Dengan menggunakan Teori Kinetik Gas dan berpandukan fizik statistik, Einstein mempersembahkan ideanya secara kuantitatif lalu memberikan peluang kepada ahli fizik untuk mengira bilangan atom dalam cecair melalui mikroskop dan mengukur diameter molekul cecair dengan terperinci.

Namun begitu, sekali lagi dunia tidak mengucapkan tahniah kepada Einstein. Pada masa yang begitu mencabar, Einstein bertekad menghasilkan kajian teori fizik yang akan menggegarkan dunia fizik. Keyakinan yang begitu terserlah menjadikan Einstein sebagai salah satu saintis yang paling berwibawa dan terserlah dalam dunia fizik.

Einstein meneruskan usahanya untuk diiktiraf sebagai ahli fizik teori yang disegani. Walaupun tidak diendahkan oleh pakar dalam dunia fizik, Einstein bertekad mencipta nama dengan cara tersendiri. Pekerjaannya sebagai kerani di pejabat paten banyak memberikannya masa lapang untuk menerokai keganjilan fenomena fizik dengan daya imaginasinya yang berpandukan eksperimen pemikiran (thought experiment). Begitu meluasnya daya imaginasi Einstein sehingga idea di luar jangkaan yang ditimbulkan menjadi titik tolak revolusi dunia fizik pada tahun 1905.

Teori klasik gelombang menyatakan bahawa satu medium diperlukan untuk membolehkan gangguan yang dicetuskan pada satu tempat itu boleh disebarkan ke tempat lain. Oleh sebab itu, gelombang cahaya daripada matahari perlu melalui satu medium hipotesis yang dipanggil eter kerana para saintis beranggapan bahawa gelombang cahaya tidak berupaya bergerak dalam vakum. Yang menakjubkan ialah keputusan eksperimen interferometer Michelson-Morley menyangkal kehadiran eter pada 1887.

James Clerk Maxwell ialah ahli fizik pertama yang berjaya meleraikan kemelut dunia magnetik dan elektrik apabila beliau memperkenalkan empat persamaan yang menjelaskan sifat gelombang elektromagnetik tanpa sebarang kemusykilan. Empat persamaan itu berlandaskan keputusan eksperimen Michael Faraday yang tidak perlu dipertikaikan lagi oleh dunia fizik. Maxwell mengemukakan konsep medan elektromagnet buat pertama kalinya serta menetapkan hahaju cahaya sebagai 300 ribu km/s.

Pengaruh James Clerk Maxwell dan keputusan eksperimen Michelson-Morley terhadap hala tuju pemikiran Einstein menyakinkannya bahawa eter sebenarnya tidak wujud dan halaju cahaya adalah sentiasa tetap walaupun sumber cahaya itu mungkin bergerak. Oleh sebab itu, postulat kedua yang dikemukakan oleh Einstein ialah halaju cahaya dalam vakum adalah sentiasa tetap pada 300 ribu km/s.

Selain itu, Einstein menekankan bahawa hukum fizik adalah sama dalam semua rangka rujukan inersia (inertial frame of reference), termasuk yang statik atau bergerak dengan halaju tetap. Ini merupakan postulat yang pertama.

Sebenarnya, idea rangka rujukan telah diperkenalkan oleh Galileo Galilei pada tahun 1632. Diandaikan bahawa terdapat dua pemerhati, yang pertama berada di atas kapal berdekatan dengan tiang kapal, manakala individu yang kedua berada di pelabuhan memerhatikan kapal itu belayar dengan halaju tetap.

Sekiranya seketul batu dibiarkan jatuh dari bahagian atas tiang kapal, maka pemerhati pertama akan mendapati batu itu akan jatuh terus ke lantai di bawah pengaruh graviti. Pemerhati kedua pula akan mendapati arah pergerakan batu itu semasa di udara sebelum mencecah lantai kapal yang akan mengikut satu laluan parabola. Keadaan ini ialah ciri keanehan yang berjaya ditimbulkan oleh Galileo walaupun pandangan kedua-dua pemerhati itu amat tepat. Pergerakan batu itu adalah relatif terhadap pemerhati.

Pemerhatian sebegitu sebenarnya tersemai di lubuk hati Einstein selama sedekad semenjak hari persekolahannya di Aarau sewaktu Einstein cuma berusia 16 tahun. Einstein pernah bertanya kawan baiknya, Michele Besso yang juga bekerja di pejabat paten Bern, apakah yang akan berlaku sekiranya batu itu ditukarkan kepada satu alur cahaya?

Sekiranya pendekatan yang sama diambil, maka sudah tentu pemerhati di pelabuhan akan mendapati alur cahaya itu akan begerak lebih daripada 300 ribu km/s. Hal ini dikatakan demikian kerana perjalanan dalam bentuk parabola adalah lebih jauh daripada perjalanan dalam satu garis lurus. Walau bagaimanapun. sejak 40 tahun lalu, James Clerk Maxwell melalui teori gelombang elektromagnet telah menghuraikan bahawa cahaya akan bergerak dengan halaju tetap, iaitu pada 300 ribu km/s.

Einstein berpihak kepada James Clerk Maxwell. Namun begitu, untuk memastikan bahawa halaju cahaya sentiasa tetap, Einstein tidak mempunyai pilihan kecuali mengubah elemen masa, lalu bercanggahan dengan idea Newton yang dikemukakan dalam Principia pada tahun 1687. Idea Newton berpihak kepada elemen masa sebagai satu pemalar dan tidak boleh dipengaruhi oleh keadaan, sama ada pemerhati bergerak atau tidak. Einstein pula berpendapat bahawa elemen masa akan dipengaruhi oleh pergerakan pemerhati relatif antara satu sama lain.

Dengan berpandukan kedua-dua postulat. Einstein terus mengorak langkah mempersembahkan persamaan fizik yang membingungkan dunia sains. Berasaskan transformasi Lorentz, Einstein berupaya menunjukkan secara kuantitatif bahawa semua objek tidak boleh bergerak lebih cepat daripada halaju cahaya. Persamaan fizik itu juga menjangkakan jisim satu objek yang bergerak hampir dengan halaju cahaya akan bertambah dengan berlipat ganda sehingga berupaya menghampiri infiniti.

Selain itu, gumpalan persamaan yang dipanggil Teori Kerelatifan Khas (Special Theory of Relativity) menunjukkan bahawa elemen masa boleh dipengaruhi oleh betapa cepatnya seseorang itu bergerak. Sekiranya seseorang itu berjaya menghampiri halaju cahaju, maka masa akan berjalan semakin lambat sehingga akan menjadi statik apabila halaju cahaya dicapai.

Perkara ini adalah berbeza dengan idea Sir Isaac Newton yang menyatakan pergerakan masa tidak akan dipengaruhi oleh sebarang elemen luaran. Pergerakan masa adalah tetap dan tidak boleh dipercepatkan atau dilambatkan. Dalam sekelip mata, Einstein telah berjaya membenamkan idea masa yang dipelopori oleh Newton.

Selain itu, Einstein menekankan halaju cahaya yang sentiasa tetap walaupun sumber sedang bergerak. Kita mengetahui bahawa sekiranya kita berlari dengan halaju 10 m/s di atas sebuah keretapi yang bergerak dengan halaju 90 m/s, maka halaju relatif terhadap individu yang sedang berada di stesen ialah 100 m/s. Sekiranya lampu kereta dipasang, maka cahaya lampu akan bergerak dengan halaju tetap 300 ribu km/s. Apabila kereta mula bergerak dengan halaju 100 m/s, apakah halaju cahaya akan bertambah?

Untuk memastikan bahawa halaju cahaya sentiasa tetap mengikut postulat keduanya, maka semestinya masa atau jarak tersebut akan dipendekkan. Itulah keanehannya tetapi persamaan yang dibentangkan oleh Teori Kerelatifan Khas boleh menunjukkan secara kuantitatif jawapan yang dikehendaki.

Belum sempat dunia fizik menyelami idea Einstein yang begitu menakjubkan, beliau kembali menggegarkan dunia fizik dengan memgemukakan idea bahawa jisim boleh diandaikan sebagai tenaga rehat (rest energy) lalu terus memperkenalkan persamaannya yang amat terkenal sehingga kini, iaitu E = . Persamaan yang terkenal ini bakal digunakan sebagai idea yang memberangsangkan untuk membina bom atomik semasa Perang Dunia Kedua, lebih kurang empat dekad selepas persamaan yang ajaib itu ditemukan.

Pada masa itu, Einstein telah menulis surat kepada Presiden Amerika Syarikat, Franklin Roosevelt setelah berhijrah ke Princeton untuk menyatakan kebimbangannya bahawa negara Jerman sedang cuba mencipta bom yang paling dahsyat di muka bumi, iaitu bom atom. Projek Manhattan, iaitu projek penyelidikan dan pembangunan bom atom dilancarkan oleh Amerika Syarikat sejurus selepas itu.

Keempat-empat kertas kajian fizik itu diterbitkan dalam tempoh empat bulan dalam Annalen der Physik pada1905. Dalam sekelip mata, Einstein berjaya membenamkan idea ether dan menumpaskan idea bahawa masa adalah mutlak bersifat malar.

Idea rangka rujukan Galileo Galileo dikemas kini untuk mempertimbangkan halaju cahaya yang tetap pada 300 ribu km/s. Idea kuantum Max Planck yang diperkenalkan pada tahun 1900, diangkat terus ke persada dunia untuk perdebatan lanjut memberikan nafas baharu terhadap idea kuantum yang sebelum ini disangkal hebat oleh dunia fizik.

Wajah fizik berubah sama sekali dan idea Einstein menjadi bahan perbualan dalam kalangan ahli fizik yang terkenal di negara Eropah. Keempat-empat kertas kerja fizik yang bersejarah itu dipanggil Annus mirabilis papers. Dalam bahasa Latin, Annus mirabilis membawa maksud tahun keajaiban.

Artikel ini ialah © Hakcipta Terpelihara JendelaDBP. Sebarang salinan tanpa kebenaran akan dikenakan tindakan undang-undang.
Buletin JendelaDBP
Inginkan berita dan artikel utama setiap hari terus ke e-mel anda?

Kongsi

error: Artikel ini ialah Hakcipta Terpelihara JendelaDBP.