Selama 100 tahun, teori relativitas umum Albert Einstein telah bertahan hampir setiap tes yang dilemparkan oleh fisikawan padanya. Diumumkan pada bulan November 1915, persamaan bidang ilmuwan terkenal itu diperluas berdasarkan hukum lama Isaac Newton dengan membayangkan kembali gravitasi sebagai bengkok dalam jalinan ruang dan waktu, dan bukannya gaya sederhana di antara benda-benda.
Konten terkait
- Setelah Seabad Pencarian, Kami Akhirnya Mendeteksi Gelombang Gravitasi
- Lima Hal yang Perlu Diketahui Tentang Gelombang Gravitasi
- Mengapa Albert Einstein, Jenius di Balik Teori Relativitas, Mencintai Pipa-Nya
- Lima Penggunaan Praktis untuk Mekanika Quantum "Seram"
Hasil menggunakan persamaan relativitas umum benar-benar terlihat mirip dengan apa yang Anda dapatkan menggunakan matematika Newton, selama massa yang terlibat tidak terlalu besar dan kecepatannya relatif kecil dibandingkan dengan kecepatan cahaya. Tetapi konsep itu adalah revolusi untuk fisika.
Ruang-waktu yang bengkok berarti bahwa cahaya itu sendiri dipengaruhi oleh gravitasi jauh lebih kuat daripada yang diprediksi Newton. Ini juga berarti bahwa planet bergerak di sekitar orbitnya dengan cara yang sedikit diubah tetapi sangat signifikan, dan ia memprediksi keberadaan benda-benda eksotis seperti lubang hitam monster dan lubang cacing.
Relativitas umum tidak sempurna — aturan gravitasi Einstein tampaknya runtuh ketika Anda menerapkannya pada aturan mekanika kuantum, yang memerintah pada skala subatomik. Itu menyisakan banyak celah menggiurkan dalam pemahaman kita tentang alam semesta. Bahkan hari ini, para ilmuwan mendorong batas untuk melihat sejauh mana relativitas dapat membawa kita. Sementara itu, berikut adalah beberapa cara kami secara konsisten melihat relativitas dalam aksi:
Orbit Merkurius
Pesawat ruang angkasa MESSENGER, yang pertama mengorbit Merkurius, menangkap pandangan keliru tentang planet kecil ini untuk menunjukkan perbedaan kimia, mineral, dan fisik di permukaannya. (NASA / JHUAPL / Lembaga Carnegie) Kembali pada abad ke-19, astronom Urbain LeVerrier melihat masalah dengan orbit Merkurius. Orbit planet tidak melingkar, mereka elips, yang berarti bahwa planet dapat lebih dekat atau lebih jauh dari matahari dan dari satu sama lain saat mereka bergerak melalui tata surya. Ketika planet-planet saling menarik satu sama lain, titik-titik pendekatan terdekat mereka bergerak dengan cara yang dapat diprediksi, sebuah proses yang disebut presesi.
Tetapi bahkan setelah memperhitungkan efek dari semua planet lain, Merkurius tampaknya lebih maju sedikit dari yang seharusnya setiap abad. Mula-mula para astronom berpikir bahwa planet lain yang tak terlihat yang dijuluki Vulcan pasti berada di dalam orbit Merkurius, menambah tarikan gravitasinya ke dalam campuran.
Tetapi Einstein menggunakan persamaan relativitas umum untuk menunjukkan bahwa tidak ada planet misteri yang diperlukan. Merkurius, yang paling dekat dengan matahari, hanya lebih dipengaruhi oleh cara bintang besar kita melengkungkan jalinan ruang-waktu, sesuatu yang tidak diperhitungkan oleh fisika Newton.
Bending Light
Gambar gerhana matahari terlihat pada tanggal 29 Mei 1919 ("Suatu Penentuan Lendutan Cahaya oleh Medan Gravitasi Matahari, dari Pengamatan yang Dibuat pada Gerhana Total 29 Mei 1919" Transaksi filosofis dari Royal Society of London, Seri A) Menurut relativitas umum, cahaya yang bergerak melalui ruang-waktu kain harus mengikuti lekuk-lekuk kain itu. Itu berarti cahaya yang bergerak di sekitar benda besar harus membengkokkannya. Ketika Einstein menerbitkan makalah relativitas umum, tidak jelas bagaimana mengamati distorsi ini, karena efek yang diprediksi kecil.
Astronom Inggris Arthur Eddington menemukan sebuah ide: lihatlah bintang-bintang di dekat tepi matahari selama gerhana matahari. Dengan silau matahari yang terhalang oleh bulan, para astronom dapat melihat apakah posisi semu bintang berubah ketika gravitasi matahari besar membengkokkan cahayanya. Para ilmuwan melakukan pengamatan dari dua lokasi: satu di Brasil timur dan satu Afrika.
Benar saja, tim Eddington melihat perpindahan selama gerhana 1919, dan berita utama surat kabar menyuarakan kepada dunia bahwa Einstein benar. Dalam beberapa tahun terakhir, pemeriksaan baru terhadap data telah menunjukkan bahwa dengan standar modern percobaan ini cacat — ada masalah dengan pelat fotografi, dan presisi yang tersedia pada tahun 1919 sebenarnya tidak cukup baik untuk menunjukkan jumlah defleksi yang tepat dalam pengukuran. dari Brazil. Tetapi percobaan berikutnya telah menunjukkan efeknya di sana, dan mengingat tidak adanya peralatan modern, pekerjaan itu cukup solid.
Saat ini para astronom yang menggunakan teleskop yang kuat dapat melihat cahaya dari galaksi yang jauh ditekuk dan diperbesar oleh galaksi lain, suatu efek yang sekarang disebut pelensaan gravitasi. Alat yang sama ini saat ini digunakan untuk memperkirakan massa galaksi, untuk mencari materi gelap dan bahkan untuk mencari planet yang mengorbit bintang lain.
Lubang hitam
Teleskop ruang angkasa Chandra NASA melihat lubang hitam di pusat galaksi kita, yang disebut Sagitarius A *, melepaskan ledakan sinar-X yang sangat terang pada bulan Januari. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard et al) Mungkin prediksi yang paling spektakuler dari relativitas umum adalah keberadaan lubang hitam, benda-benda yang begitu masif sehingga bahkan cahaya tidak bisa lepas dari tarikan gravitasi mereka. Namun, idenya bukan hal baru. Pada 1784, seorang ilmuwan Inggris bernama John Mitchell mempresentasikannya di pertemuan Royal Society, dan pada 1799 Pierre-Simon LaPlace, seorang ahli matematika Prancis, tiba pada konsep yang sama dan menulis bukti matematika yang lebih ketat. Meski begitu, tidak ada yang mengamati sesuatu seperti lubang hitam. Selain itu, percobaan pada tahun 1799 dan sesudahnya menunjukkan bahwa cahaya pastilah gelombang daripada partikel, jadi itu tidak akan terpengaruh oleh gravitasi dengan cara yang sama, jika sama sekali.
Masukkan Einstein. Jika gravitasi sebenarnya karena kelengkungan ruang-waktu, maka itu bisa memengaruhi cahaya. Pada tahun 1916 Karl Schwarzschild menggunakan persamaan Einstein untuk menunjukkan bahwa tidak hanya lubang hitam yang ada, tetapi bahwa objek yang dihasilkan hampir sama dengan LaPlace. Schwarzschild juga memperkenalkan konsep horizon peristiwa, permukaan tempat benda material tidak bisa lepas.
Meskipun matematika Schwarzschild bagus, butuh beberapa dekade bagi para astronom untuk mengamati setiap kandidat — Cygnus X-1, sumber sinar-X yang kuat, menjadi objek pertama yang diterima secara luas sebagai lubang hitam pada 1970-an. Sekarang para astronom berpikir setiap galaksi memiliki lubang hitam pada intinya — bahkan galaksi kita. Para astronom dengan hati-hati melacak orbit bintang-bintang di sekitar sumber sinar-X terang lainnya di pusat Bima Sakti, Sagittarius A *, dan menemukan bahwa sistem itu berperilaku seperti lubang hitam yang sangat masif.
"Untuk sistem seperti Cygnus X-1 atau Sagittarius A *, kita dapat mengukur massa dan jari-jari benda padat, dan kita tidak bisa menemukan benda astrofisika lain yang memiliki sifat pengamatan yang sama, " kata Paul M Sutter, seorang astrofisika dan seorang sarjana tamu di Ohio State University.
Menembak Bulan
Bagian dari eksperimen rentang laser bulan yang ditinggalkan di bulan oleh Apollo 15. (NASA) Dalam menyusun teori relativitas umumnya, Einstein menyadari bahwa efek gravitasi dan efek akselerasi keduanya disebabkan oleh kelengkungan ruang-waktu, dan bahwa gaya gravitasi yang dialami seseorang yang berdiri di atas benda besar akan mirip dengan efeknya. dialami oleh seseorang yang melaju cepat, katakanlah, dengan mengendarai roket.
Itu berarti hukum fisika yang diukur di laboratorium akan selalu terlihat sama tidak peduli seberapa cepat laboratorium bergerak atau di mana ia berada dalam ruang-waktu. Juga, jika Anda meletakkan objek dalam medan gravitasi, gerakannya hanya akan bergantung pada posisi awal dan kecepatannya. Pernyataan kedua itu penting, karena itu menyiratkan bahwa tarikan gravitasi matahari di Bumi dan bulan harus sangat stabil — jika tidak, siapa yang tahu masalah apa yang akan terjadi jika planet dan bulan kita "jatuh" ke arah matahari dengan kecepatan yang berbeda.
Pada 1960-an, misi Apollo dan wahana satelit Soviet mengatur reflektor di bulan, dan para ilmuwan di Bumi telah menembakkan sinar laser pada mereka untuk menjalankan sejumlah eksperimen ilmiah, termasuk mengukur jarak antara Bumi dan bulan dan gerakan relatif mereka. mengelilingi matahari. Salah satu pelajaran dari penemuan rentang bulan ini adalah bahwa Bumi dan bulan memang jatuh ke matahari dengan kecepatan yang sama, seperti yang diprediksi oleh relativitas umum.
Ruang seret
Gambar komposit satelit Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, Universitas Stanford dan Lockheed Martin Corporation) Dalam sebagian besar deskripsi relativitas umum, orang membayangkan Bumi sebagai bola bowling yang tergantung pada selembar kain, alias ruang-waktu. Bola menyebabkan kain berubah menjadi depresi. Tetapi sejak Bumi berputar, relativitas umum mengatakan bahwa depresi harus berputar dan berubah ketika bola berputar.
Sebuah pesawat ruang angkasa bernama Gravity Probe B, diluncurkan pada 2004, menghabiskan waktu satu tahun untuk mengukur kelengkungan ruang-waktu di sekitar Bumi. Ia menemukan beberapa bukti untuk menyeret bingkai, atau Bumi menyeret kain kosmik dengannya saat ia berputar, membantu memvalidasi gambar gravitasi Einstein.
Riak Ruang-Waktu
Dua pulsar besar yang berputar di sekitar satu sama lain akan menciptakan gangguan yang cukup pada jalinan ruang-waktu untuk menghasilkan gelombang gravitasi yang seharusnya bisa kita deteksi di Bumi. (NASA) Konsekuensi lain dari objek bergerak melalui ruang-waktu adalah bahwa kadang-kadang mereka akan menciptakan riak dan gelombang di kain, mirip dengan bangunnya kapal. Gelombang gravitasi ini akan meregangkan ruang-waktu dengan cara yang secara teoritis dapat diamati. Misalnya, beberapa percobaan menyinari sinar laser di antara dua set cermin dan berapa lama waktu yang diperlukan balok untuk memantul di antara mereka. Jika riak ruang-waktu melewati Bumi, detektor seperti itu akan melihat pemanjangan dan kontraksi berkas yang kecil, yang akan muncul sebagai pola interferensi.
Sejauh ini, gelombang gravitasi adalah salah satu prediksi utama terakhir dari relativitas umum yang belum terlihat, meskipun ada desas-desus tentang deteksi di sebuah fasilitas di AS. Tetapi ada beberapa bukti tidak langsung. Pulsar adalah bintang mati yang mengemas massa matahari berkali-kali ke dalam ruang seukuran Manhattan. Pengamatan dua pulsar yang mengorbit satu sama lain memberikan beberapa petunjuk bahwa gelombang gravitasi itu nyata.
"Periode orbit pulsar biner pertama telah diamati membusuk dari waktu ke waktu sekitar 0, 0001 detik per tahun, " kata fisikawan Alan Kostelecky dari Indiana University. "Laju pembusukan cocok dengan kehilangan energi karena radiasi gravitasi yang diprediksi oleh relativitas umum."
GPS
Render seorang artis menunjukkan satelit GPS-IIRM di orbit. (Komite Eksekutif Nasional AS untuk Penempatan, Navigasi, dan Pengaturan Waktu Berbasis Ruang) Global Positioning Systems bukan tes relativitas, tetapi mereka benar-benar bergantung padanya. GPS menggunakan jaringan satelit yang mengorbit yang mengirim sinyal ke telepon dan menyewa mobil di seluruh planet ini. Untuk mendapatkan posisi, satelit-satelit itu harus tahu di mana dan kapan mereka berada, sehingga mereka menjaga pengukuran waktu hingga akurasi sepersejuta detik.
Tetapi satelit berputar 12.550 mil di atas kepala kita, di mana mereka merasa lebih sedikit tarikan gravitasi planet ini daripada orang-orang di bumi. Berdasarkan teori relativitas khusus Einstein, yang mengatakan bahwa waktu berlalu secara berbeda untuk pengamat yang bergerak dengan kecepatan yang berbeda, jam satelit berdetak sedikit lebih lambat daripada arloji pada pelancong yang melakukan perjalanan ke bumi.
Namun, relativitas umum membantu untuk membatalkan efek ini, karena gravitasi yang dekat dengan permukaan bumi memperlambat detak jam dibandingkan dengan satelit yang melaju di atas kepala. Tanpa adanya kombo relativistik ini, jam GPS akan mati sekitar 38 mikrodetik per hari. Itu mungkin terdengar seperti kesalahan kecil, tetapi GPS membutuhkan akurasi tinggi sehingga perbedaan akan membuat lokasi Anda yang dipetakan terasa salah dalam hitungan jam.
