Teori Maxwell, Transformasi Lorentz, dan Relativitas Einstein

Sekitar akhir abad kesembilan belas James Clerk Maxwell (1831 – 1879) fisikawan asal Skotlandia berhasil merumuskan secara matematis gejala kelistrikan dan kemagnetan dengan 4 teorinya yang kita kenal sekarang dengan teori Maxwell. Satu diantara teori itu menjelaskan tentang fenomena gelombang elektromagnetik, yaitu perpaduan antara gelombang listrik transversal dan gelombang magnet transversal yang saling tegak lurus satu sama lain.
Dari rumusan ini diperoleh sebuah konstanta yang memberikan deskripsi bagi cepat rambat gelombang elektromagnetik tersebut. Jika dihitung untuk kondisi ruang hampa, konstanta tersebut memiliki nilai 3. 10⁸ m/s yaitu nilai  yang sama dengan kecepatan rambat cahaya, hingga akhirnya Maxwell mengambil kesimpulan bahwa cahaya termasuk kedalam  gelombang elektromagnetik.

Kesuksesan Maxwell ternyata memberikan konsekuensi yang serius terhadap bidang keilmuan fisika pada saat itu. Teori Maxwell ternyata tidak sejalan dengan mekanika Newton yang dianggap telah mapan. Beberapa kontradiksi yang muncul diantaranya adalah : 

• Persamaan maxwel bentuknya tidak sama terhadap transformasi Galileo. 
• Menurut mekanika Newton kecepatan cahaya seharusnya tidaklah konstan, tetapi selalu bergantung terhadap pengamat. 
• Deskripsi Maxwell tentang gelombang elektromagnetik telah melanggar asas fisika Newton yang mensyaratkan adanya medium dalam perambatan setiap gelombang. Keadaan inilah yang memicu lahirnya asumsi tentang keberadaan Eter sebagai medium dari perambatan gelombang elektromagnetik, para fisikawan saat itu sulit untuk menerima bahwa sebuah gelombang merambat tanpa perantara. Namun pada akhirnya asumsi ini pun gugur dengan percobaan yang dilakukan oleh Michelson dan Morley. Mereka menunjukan bahwa selisih kecepatan yang diperoleh dari eksperimen yang dilakukan dengan menggunakan interferometer yang mereka buat sendiri menunjukan hasil nihil meskipun dilakukan berulang-ulang dalam waktu dan tempat yang berbeda, hal ini menunjukan bahwa medium eter tidak mungkin ada di alam.

Hendrik Antoon Lorentz (1853 – 1928) seorang fisikawan asal Belanda mencoba mentransformasikan kuantitas elektromagnetik Maxwell dari suatu kerangka acuan ke kerangka acuan yang lainnya yang bergerak relatif terhadap kerangka acuan pertama. Rumusannya ini sekarang kita kenal dengan Transformasi Lorentz. Transformasi Lorentz memberi akibat pada penciutan ruang dan waktu. Panjang sebuah benda yang sedang bergerak akan berkurang jika diukur oleh pengamat yang diam relatif terhadap benda yang bergerak tersebut. Namun demikian, Lorentz seperti halnya Maxwell dan ilmuan fisika lainnya masih memiliki kepercayaan akan adanya eter hingga kemudian Albert Einstein mengungkapkan Teori Relativitas Khususnya.

Pada tahun 1905 Albert Einstein (1879 – 1955) menerbitkan 3 buah makalah yang salah satunya mengenai Teori Relativitas Khusus sebagai penyempurnaan dari dua teori tersebut. Dalam teorinya, Albert Einstein mengemukakan dua aksioma sebagai berikut :

• Hukum fisika dapat dinyatakan dalam persamaan yang berbentuk sama dalam semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap satu terhadap lainnya.
• Kelajuan cahaya dalam ruang hampa sama besar untuk semua pengamat, tidak bergantung dari keadaan gerak pengamat itu.

Aksioma pertama menjelaskan bahwa tidak ada satupun percobaan yang dapat dilakukan untuk mengukur kecepatan terhadap ruang mutlak. Sedangkan aksioma kedua menjelaskan bahwa laju cahaya bernilai sama bagi setiap pengamat baik ia diam maupun bergerak selama ia berada dalam kerangka inersia. Teori ini mengubah cara pandang manusia dalam memahami ruang dan waktu versi Newton dan Galileo yang telah mapan dalam kurun waktu 300 tahun.

Pada tahun 1917, Einstein lebih jauh memperluas jangkauan relativitas dalam kerangka non inersia. Teori ini dikenal dengan Teori Relativitas Umum. Seperti teori sebelumnya, teori ini juga membawa banyak perubahan yang cukup mencengangkan. Munculnya teori baru seperti geometri ruang waktu lengkung yang dipengaruhi oleh massa, adanya medan gravitasi, dan kesetaraan gaya inersia dan gaya berat merupakan sebagian dari konsekwensi pengembangan Teori Relativitas Umum.