Karl Schwarzschild

1.1. Zaman Kanak-kanak dan Latar Belakang

Sejak kecil, Karl Schwarzschild menunjukkan bakat luar biasa dalam astronomi. Beliau dianggap sebagai seorang anak ajaib, dengan dua kertas kerja mengenai orbit binari dalam mekanik cakerawala telah diterbitkan sebelum beliau mencapai usia enam belas tahun. Beliau menghadiri sekolah rendah Yahudi sehingga usia 11 tahun sebelum meneruskan pengajian di Lessing-Gymnasium, sebuah sekolah menengah. Di sana, beliau menerima pendidikan menyeluruh yang merangkumi mata pelajaran seperti bahasa Latin, bahasa Yunani Kuno, muzik, dan seni, namun minatnya yang mendalam terhadap astronomi mula berkembang sejak awal.

1.2. Pendidikan

Selepas menamatkan pengajian pada tahun 1890, Schwarzschild melanjutkan pelajaran di Universiti Strasbourg untuk mendalami bidang astronomi. Dua tahun kemudian, beliau berpindah ke Universiti Ludwig Maximilian Munich dan memperoleh ijazah kedoktoran pada tahun 1896. Disertasinya menumpukan kepada teori-teori Henri Poincaré, yang membentuk asas akademik yang kukuh untuk penyelidikan masa depannya.

1.3. Perkembangan Kerjaya

Pada tahun 1897, Schwarzschild memulakan kerjayanya sebagai pembantu di Balai Cerap Kuffner di Vienna. Di sana, beliau menumpukan penyelidikannya kepada fotometri gugusan bintang, meletakkan asas bagi formula yang mengaitkan keamatan cahaya bintang, masa pendedahan, dan kontras yang terhasil pada plat fotografi. Sebahagian penting daripada teori ini ialah eksponen Schwarzschild dalam astrofotografi. Pada tahun 1899, beliau kembali ke Munich untuk melengkapkan Habilitation beliau.

Dari tahun 1901 hingga 1909, beliau memegang jawatan sebagai profesor di Balai Cerap Göttingen yang berprestij di Universiti Göttingen. Di sana, beliau berpeluang bekerjasama dengan tokoh-tokoh penting seperti David Hilbert dan Hermann Minkowski. Schwarzschild kemudiannya dilantik sebagai pengarah balai cerap tersebut. Pada tahun 1909, beliau berkahwin dengan Else Rosenbach, cucu cicit Friedrich Wöhler dan anak perempuan seorang profesor bedah di Göttingen. Kemudian pada tahun yang sama, mereka berpindah ke Potsdam, di mana beliau mengambil alih jawatan pengarah Balai Cerap Astrofizik Potsdam. Pada masa itu, ini merupakan jawatan paling berprestij yang tersedia untuk seorang ahli astronomi di Jerman. Sejak tahun 1912, Schwarzschild juga menjadi ahli Akademi Sains Prusia.

1.4. Kehidupan Peribadi

Karl Schwarzschild berkahwin dengan Else Rosenbach pada tahun 1909. Mereka dikurniakan tiga orang anak:

• Agathe Thornton (1910-2006) yang berhijrah ke Great Britain pada tahun 1933, dan kemudian ke New Zealand pada tahun 1946, di mana beliau menjadi profesor klasik di Universiti Otago di Dunedin.
• Martin Schwarzschild (1912-1997) yang mengikuti jejak bapanya dan menjadi seorang astrofizikawan terkemuka, memegang jawatan profesor astronomi di Universiti Princeton. Martin membuat sumbangan penting dalam bidang evolusi bintang, termasuk penulisannya "Struktur dan Evolusi Bintang" (1958).
• Alfred Schwarzschild (1914-1944) yang tetap tinggal di Jerman Nazi dan terkorban semasa Holokus.

1.5. Khidmat Ketenteraan dan Penyakit

Pada permulaan Perang Dunia Pertama pada tahun 1914, Karl Schwarzschild secara sukarela menyertai Tentera Darat Imperial Jerman walaupun usianya melebihi 40 tahun. Beliau berkhidmat di kedua-dua Barisan Barat dan Barisan Timur, khususnya membantu dalam balistik dan pengiraan artileri, dan naik pangkat menjadi leftenan kedua dalam artileri.

Semasa berkhidmat di barisan hadapan di Rusia pada tahun 1915, beliau mula menderita pemphigus, suatu penyakit kulit autoimun yang jarang dan menyakitkan. Walaupun dalam keadaan sakit, beliau berjaya menulis tiga kertas kerja yang cemerlang: dua mengenai teori kerelatifan dan satu mengenai teori kuantum. Kertas kerjanya mengenai kerelatifan menghasilkan penyelesaian tepat pertama bagi persamaan medan Einstein, dan pengubahsuaian kecil terhadap hasil ini memberikan penyelesaian terkenal yang kini dinamakan sempena namanya - metrik Schwarzschild.

Pada Mac 1916, Schwarzschild meninggalkan perkhidmatan tentera kerana penyakitnya dan kembali ke Göttingen. Dua bulan kemudian, pada 11 Mei 1916, beliau meninggal dunia pada usia 42 tahun akibat komplikasi daripada penyakit pemphigus. Beliau disemadikan di kubur keluarganya di Stadtfriedhof (Göttingen).

2.1. Minat Penyelidikan yang Luas

Penyelidikan Schwarzschild merangkumi pelbagai bidang di luar astrofizik, termasuk mekanik cakerawala, fotometri bintang pemerhatian, mekanik kuantum, astronomi instrumental, struktur bintang, statistik bintang, Komet Halley, dan spektroskopi. Beliau juga membuat sumbangan penting dalam pengukuran bintang berubah menggunakan fotografi, serta penambahbaikan sistem optik melalui penyiasatan perturbatif terhadap aberrasi geometri.

2.2. Fizik Fotografi

Semasa di Vienna pada tahun 1897, Schwarzschild mengembangkan formula, kini dikenali sebagai Hukum Schwarzschild, untuk mengira ketumpatan optik bahan fotografi. Ia melibatkan eksponen yang kini dikenali sebagai eksponen Schwarzschild, yang dilambangkan sebagai p. Formula ini menyatakan bahawa ketumpatan optik emulsi fotografi yang terdedah (i) adalah fungsi keamatan sumber yang diperhatikan (I) dan masa pendedahan (t), dengan p adalah pemalar yang dikenali sebagai eksponen Schwarzschild. Formula ini penting kerana ia membolehkan pengukuran fotografi yang lebih tepat bagi keamatan sumber astronomi yang samar.

2.3. Elektrodinamik

Menurut Wolfgang Pauli, Schwarzschild adalah orang pertama yang memperkenalkan formalisme Lagrangian yang betul bagi medan elektromagnet.

Beliau juga memperkenalkan formulasi variasi bebas medan elektrodinamik (juga dikenali sebagai "tindakan pada jarak" atau "tindakan antara zarah langsung") berdasarkan hanya pada garis dunia zarah. Idea ini kemudiannya dikembangkan oleh Hugo Tetrode dan Adriaan Fokker pada tahun 1920-an, serta John Archibald Wheeler dan Richard Feynman pada tahun 1940-an, dan merupakan formulasi alternatif tetapi setara bagi elektrodinamik.

2.4. Teori Kerelatifan Am

Einstein sendiri terkejut apabila mengetahui bahawa persamaan medan Einstein membenarkan penyelesaian tepat, disebabkan kerumitan prima facie mereka, dan kerana beliau sendiri hanya menghasilkan penyelesaian anggaran. Penyelesaian anggaran Einstein diberikan dalam artikelnya yang terkenal pada tahun 1915 mengenai kemajuan perihelion Utarid. Di sana, Einstein menggunakan koordinat segi empat tepat untuk menganggarkan medan graviti di sekitar jisim simetri sfera, tidak berputar, dan tidak bercas.

2.4.1. Penyelesaian Schwarzschild

Schwarzschild, sebaliknya, memilih sistem koordinat "seperti polar" yang lebih elegan dan mampu menghasilkan penyelesaian tepat yang pertama kali beliau catatkan dalam surat kepada Einstein pada 22 Disember 1915, yang ditulis semasa beliau berkhidmat dalam perang di barisan Rusia. Beliau mengakhiri surat itu dengan menulis: "Seperti yang anda lihat, perang bersikap baik kepada saya, membenarkan saya, walaupun di bawah tembakan sengit pada jarak yang sememangnya terestrial, untuk berjalan-jalan ke tanah idea anda ini." Pada tahun 1916, Einstein menulis kepada Schwarzschild mengenai hasil ini:

"Saya telah membaca kertas kerja anda dengan minat yang mendalam. Saya tidak menjangka bahawa seseorang boleh merumuskan penyelesaian tepat masalah itu dengan cara yang begitu mudah. Saya sangat menyukai rawatan matematik anda terhadap subjek itu. Khamis depan saya akan membentangkan kerja itu kepada Akademi dengan beberapa patah perkataan penjelasan."
- Albert Einstein

Kertas kerja kedua Schwarzschild, yang memberikan apa yang kini dikenali sebagai "Penyelesaian Schwarzschild Dalaman" (dalam bahasa Jerman: innere Schwarzschild-Lösung^{Bahasa German}), adalah sah dalam sfera molekul yang homogen dan isotropik yang diedarkan dalam cangkerang jejari r=R. Ia boleh digunakan untuk pepejal; cecair tidak boleh dimampatkan; matahari dan bintang yang dilihat sebagai gas panas kuasi-isotropik; dan mana-mana gas homogen dan isotropik yang diedarkan.

2.5. Sumbangan Lain

Selain sumbangan utamanya dalam teori kerelatifan am, Schwarzschild juga melakukan penyelidikan penting dalam bidang lain. Beliau menyumbang kepada mekanik cakerawala dengan kajian awal mengenai orbit binari. Dalam teori kuantum, beliau menulis kertas kerja yang cemerlang, menunjukkan keluasan minat dan keupayaan saintifiknya melangkaui satu disiplin sahaja.

3.1. Penghormatan dan Peringatan

Untuk memperingati pencapaiannya, beberapa objek dan anugerah telah dinamakan sempena Karl Schwarzschild:

• Asteroid 837 Schwarzschilda dinamakan sebagai penghormatan kepadanya.
• Kawah besar di Bulan yang terletak di sisi jauh, dikenali sebagai kawah Schwarzschild, juga dinamakan sempena namanya.
• Persatuan Astronomi Jerman (Astronomische Gesellschaft) telah menubuhkan Pingat Karl Schwarzschild, anugerah berprestij yang diberikan untuk pencapaian cemerlang dalam bidang astronomi.

3.2. Impak

Penyelidikan Karl Schwarzschild mempunyai impak yang mendalam terhadap generasi saintis akan datang, terutamanya dalam bidang astronomi dan fizik. Penemuan penyelesaian tepat untuk persamaan medan Einstein membuka jalan kepada pemahaman yang lebih mendalam tentang graviti dan struktur alam semesta, serta merintis jalan bagi perkembangan teori lubang hitam. Legasinya terus hidup melalui karya-karya saintis yang mengikutinya, termasuk anak lelakinya sendiri, Martin Schwarzschild, yang juga merupakan seorang astrofizikawan terkemuka.

3.3. Rujukan Budaya

Nama dan pencapaian Karl Schwarzschild juga telah disebut dalam budaya popular. Beliau muncul sebagai watak dalam cerita pendek fiksyen sains "Schwarzschild Radius" (1987) oleh Connie Willis. Selain itu, Karl Schwarzschild juga muncul sebagai watak fiksyen dalam cerita "Schwarzchild's Singularity" dalam koleksi "When We Cease to Understand the World" (2020) oleh Benjamín Labatut.