1.5: Ketegangan menentukan halaju cahaya

Laman Utama ／ Bab 1: Teori Filamen Tenaga

Cahaya ialah satu paket gangguan yang merambat dalam “laut tenaga”. Had kelajuannya bukan satu nombor tunggal yang tetap di seluruh alam semesta; had itu ditetapkan oleh ketegangan setempat medium pada tempat dan waktu tertentu. Semakin tinggi ketegangan, semakin tinggi had rambatan setempat; semakin rendah ketegangan, semakin rendah had tersebut. Justeru, taburan ketegangan sepanjang laluan akan “menulis semula” jumlah masa perjalanan cahaya.

Di makmal, apabila kita mengukur dengan pembaris dan jam setempat, alat piawai itu sendiri menskala bersama persekitaran. Oleh itu, bacaan hampir kekal malar; inilah yang kita sebut kelajuan cahaya terukur.

Kedua-dua kenyataan ini serasi: had setempat bagi kelajuan cahaya berubah mengikut ketegangan, manakala nilai yang diukur kekal malar dalam ujian yang cukup setempat.

Bayangan intuitif

• Pada kulit gendang yang sama, lebih tegang ⇒ gema merebak lebih cepat.
• Pada tali yang sama, lebih tegang ⇒ rabung gelombang bergerak lebih pantas.
• Dalam medium yang lebih “pejal”, bunyi merambat lebih laju.

Intuisi bersama: ketegangan lebih tinggi dan daya pemulih yang lebih pantas ⇒ rambatan lebih cepat.

I. Mengapa ketegangan lebih tinggi mempercepatkan rambatan (tiga idea ringkas)

• Serahan gerakan lebih bersih: Pada ketegangan tinggi, medium menjadi lebih lurus dan tegang. Selepas diganggu, daya pemulih yang kuat dan kurang teragak-agak memindahkan anjakan ke unsur seterusnya dengan lebih segera; muka gelombang pun mara lebih pantas.
• Lencongan sisi berkurang: Pada ketegangan rendah, gangguan mudah mengembung, berkedut dan menyebar ke sisi. Ketegangan tinggi menekan jalan memutar ini, memusatkan tenaga ke arah rambatan dan meningkatkan kecekapan.
• Nisbah pemulih berbanding seretan meningkat: Dengan “jumlah bahan” yang sama, ketegangan lebih tinggi menguatkan pemulihan dan mengurangkan kelambatan. Hasil kolektifnya ialah kelajuan yang lebih tinggi.

Ringkasnya: ketegangan tinggi = pemulihan lebih kuat + kelewatan lebih kecil + lencongan sisi lebih sedikit ⇒ rambatan lebih pantas.

II. Malar secara setempat, boleh berubah merentas wilayah (selaras dengan relativiti)

• Kesepakatan setempat: Dalam lingkungan yang cukup kecil, sesiapa pun yang mengukur dengan pembaris dan jam setempat akan membaca nilai c yang sama, kerana piawai pengukuran menskala seperti persekitaran.
• Perubahan bergantung laluan: Apabila isyarat merentas kawasan yang ketegangannya berbeza, had setempat boleh berubah perlahan-lahan mengikut medium. Kita hanya mewajibkan isyarat tidak mencapai dan tidak melepasi had setempat di mana-mana; yang berubah ialah had itu sendiri, bukannya isyarat “mengatasi had”.
• Mengapa berhampiran tarikan graviti kuat masih wujud kelewatan positif: Dekat jasad bermassa besar, ketegangan lebih tinggi dan had setempat lebih besar; namun laluan cahaya lebih membengkok dan memanjang. Kesan memperlahankan daripada laluan lebih panjang mengatasi kesan mempercepatkan daripada had lebih tinggi, maka masa keseluruhan tetap bertambah — sejajar dengan kelewatan graviti yang diperhati.

III. Mengapa di makmal sentiasa memperoleh c yang sama

• Pembaris dan jam bukan di luar sistem: Kedua-duanya ialah objek bahan setempat. Apabila ketegangan persekitaran berubah, aras tenaga atom, frekuensi tabi‘i dan tindak balas bahan turut ditala semula.
• Pengukuran dengan alat yang turut menskala: Dengan piawai sebegini, had setempat yang sama akan terbaca sebagai nombor yang sama berulang kali.
• Maka: had fizikal setempat boleh berubah, tetapi nilai terukur kekal — yang pertama ialah “siling” fizikal, yang kedua ialah bacaan setempat.

IV. Penyamaan cepat dalam alam semesta awal

Inti idea: Pada peringkat terawal, ketegangan latar amat tinggi; “laut tenaga” diregang luar biasa. Had rambatan setempat menjadi sangat besar. Gangguan maklumat dan tenaga dapat merentas jarak amat jauh dalam masa amat singkat, lalu memampatkan perbezaan suhu dan keupayaan dengan cepat sehingga terbentuk keseragaman berskala besar yang kita lihat hari ini.

• Mengapa tidak perlu “pengembangan pantas ruang”: Senario arus perdana menganggap ruang itu sendiri mengembang laju untuk menjelaskan bagaimana kawasan jauh pernah saling berhubung. Di sini, mekanisme bertubuh bahan sudah memadai: ketegangan tinggi ⇒ had tinggi ⇒ perhubungan pantas antara gangguan, tanpa perlu fasa pengembangan khas (lihat Seksyen 8.3).
• Bezakan daripada “fenomena akustik” kemudian: Pada era plasma, ketegangan latar kekal agak tinggi, namun gandingan kuat dan penyerakan berulang menurunkan halaju jelajah berkesan gelombang akustik kolektif ke bawah had setempat. Era ini meninggalkan “jarak pilihan” dalam struktur, tetapi tidak mengubah kesimpulan bahawa ketegangan awal yang sangat tinggi sahaja sudah mencukupi untuk penyamaan cepat tanpa pengembangan.

V. Petunjuk pemerhatian dan perbandingan (untuk pembaca umum)

• Utamakan nisbah tidak berdimensi: Ketika membandingkan kawasan yang sangat jauh, gunakan nisbah seperti nisbah frekuensi garis spektrum seasal, nisbah bentuk lengkung cahaya atau nisbah kelewatan antara berbilang imej dalam pembentukan kanta graviti. Ini mengelakkan kekeliruan antara “piawai yang turut hanyut” dengan perubahan sebenar pemalar.
• Cari corak “ofset bersama + nisbah stabil”: Dalam kanta kuat atau garis pandang ekstrem, jika nisbah kelewatan antara imej atau utusan kekal stabil tetapi masa mutlak beralih sama banyak, corak ini lebih menunjukkan gabungan “had setempat dibentuk ketegangan + geometri laluan” berbanding kelewatan di punca atau serakan bergantung frekuensi.
• Laluan lebih panjang lebih peka: Berdekatan Bumi, di mana ketegangan agak seragam, pengukuran berulang akan memberi nilai yang sama. Laluan yang sangat jauh atau merentasi persekitaran ekstrem lebih mudah menzahirkan perbezaan.

VI. Ringkasnya

• Siling setempat ditentukan ketegangan: lebih tegang ⇒ lebih laju; lebih longgar ⇒ lebih perlahan. Nilai terukur ditentukan alat setempat: dalam kawasan yang cukup kecil, sentiasa memperoleh c.
• Siling ditetapkan keupayaan, jam ditentukan geometri: had datang daripada ketegangan setempat; masa keseluruhan datang daripada taburan ketegangan dan bentuk laluan.
• Selaras dengan relativiti: pada tompok yang cukup setempat, had adalah sama untuk semua; perbezaan hanya terkumpul merentas wilayah.
• Dalam alam semesta awal: ketegangan yang amat tinggi membolehkan gangguan berhubung hampir sekelip mata, lalu menyegerakan penyamaan tanpa perlu fasa pengembangan khas (lihat Seksyen 8.3).