“Sebagai kawan senior, saya harus menghalangi Anda dari kegiatan ini, karena pertama-tama, Anda tidak akan berhasil dalam kegiatan ini dan bahkan jika Anda berhasil, toh tidak ada yang akan mempercayai Anda”
Dari surat Max Planck kepada Albert Einstein mengenai upaya Einstein untuk menyelesaikan kontradiksi antara Relativitas Khusus dan gravitasi Newtonian
Sejak zaman kuno, umat manusia selalu terpesona oleh konsep Ruang (Surga) dan Waktu (Awal, Perubahan, dan Akhir). Para pemikir awal, mulai dari Buddha Gautama, Lao Tzu dan Aristoteles, secara aktif membahas konsep-konsep ini. Selama berabad-abad, isi dari pemikiran para pemikir ini telah mengkristal dalam kesadaran manusia gambaran mental yang sekarang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari. Kami menganggap ruang sebagai kontinum tiga dimensi yang menyelimuti kita. Kami merepresentasikan waktu sebagai durasi proses apa pun, tidak terpengaruh dengan cara apa pun oleh gaya yang bekerja di alam semesta fisik. Dan bersama-sama mereka membentuk tahap di mana seluruh drama interaksi berkembang, yang aktornya adalah segalanya - bintang dan planet, bidang dan materi, Anda dan saya.
Selama lebih dari seribu tahun, empat buku fisika yang ditulis oleh Aristoteles telah memberikan landasan bagi ilmu-ilmu alam. Sementara Heraclitus percaya bahwa Alam Semesta berada dalam perkembangan tanpa akhir dan semua proses di dalamnya tidak pernah dimulai dan tidak akan pernah berakhir, Parmenides mengajarkan bahwa konsep gerak itu sendiri tidak sesuai dengan siapa Yang Esa, Berkelanjutan, dan Abadi. Aristoteles memasukkan kedua gagasan ini ke dalam sistem kosmogoniknya. Semua perubahan sekarang dikaitkan dengan Bumi dan Bulan, karena perubahan ini terbukti. Keabadian dipindahkan ke planet lain, matahari dan bintang, karena mereka Indah, Tidak Berubah, dan Abadi. Dalam bahasa modern, dapat dikatakan bahwa Aristoteles beroperasi dengan waktu absolut, ruang dengan struktur absolut, dan semua ini disediakan oleh Bumi yang berubah. Konsep-konsep ini mendasari persepsi dan deskripsi dunia yang benar pada saat itu, yang dipelajari Isaac Newton pada tahun 1661-1665, sebagai mahasiswa di Cambridge.
Dua puluh tahun kemudian, Newton membalikkan dogma yang sudah berusia berabad-abad ini. Dengan menerbitkan visinya tentang dunia di sekitar kita pada tahun 1686, dia memberikan pemahaman baru tentang alam semesta di sekitar kita. Menurut prinsipnya, waktu berubah menjadi ambang jendela, menggantikan kontinum dimensi. Itu masih mutlak dan sama untuk semua pengamat. Semua peristiwa serentak membentuk kontinum spasial tiga dimensi. Dengan demikian, struktur absolut ruang menghilang dalam penalarannya. Berkat pelajaran Copernicus, Bumi telah dihapus dari posisinya yang istimewa di alam semesta. Relativitas Galilea menempatkan semua pengamat inersia pada satu platform fisik dengan presisi matematis. Prinsip Newtonian menghancurkan ortodoksi Aristoteles dengan menghapus perbedaan antara langit dan bumi. Surga tidak lagi sama. Untuk pertama kalinya dalam fisika, prinsip universal muncul. Apel yang jatuh ke bumi dan planet-planet yang bergerak mengelilingi matahari sekarang tunduk pada hukum yang sama. Langit tidak lagi begitu misterius karena tunduk pada kesadaran pikiran manusia. Sudah di awal 1700-an, di Hearings of the Royal Society of Great Britain, karya-karya mulai muncul yang memprediksi tidak hanya pergerakan Jupiter, tetapi juga pergerakan bulan-bulannya! Tidaklah mengherankan bahwa pada saat itu sikap terhadap Newton tidak hanya dipenuhi oleh skeptisisme, tetapi juga dengan rasa takut, dan tidak hanya dari pihak non-profesional, tetapi juga dari pihak intelektual Eropa terkemuka. Misalnya, Marquis de L'Hôpital, yang dikenal oleh siswa modern karena aturannya dalam menghitung batas,menulis dari Prancis kepada John Arbuthnot di Inggris tentang Newton dan Prinsip-prinsipnya sebagai berikut:
- Tuhanku! Dasar-dasar pengetahuan apa yang tampak bagi kita dalam buku itu? Apakah dia makan dan minum dan tidur? Apakah pria lain menyukainya?
Seperti yang dikatakan Richard Westfold dalam biografi Never Alone Newton yang sangat dihormati:
- Sampai 1687, Newton bukanlah orang yang terkenal di lingkungan filosofis. Namun, tidak ada yang mempersiapkan dunia filsafat alam untuk munculnya Prinsip-prinsipnya. Prinsip-prinsip itulah yang menjadi titik balik bagi Newton sendiri, yang setelah dua puluh tahun meneliti, akhirnya mengikuti dari pemenuhan ke pencapaian. Prinsip itulah yang menjadi titik balik filsafat alam.
Video promosi:
Prinsip Newtonian menjadi ortodoksi baru dan berkuasa selama lebih dari 150 tahun. Tantangan pertama untuk pemahaman Newton tentang dunia dilemparkan ke bidang fisika yang sama sekali tidak terduga dan dikaitkan dengan perkembangan pemahaman fenomena elektromagnetik. Pada pertengahan abad ke-19, fisikawan Skotlandia James Clark Maxwell mencapai sintesis menakjubkan dari semua pengetahuan yang terkumpul di bidang ini dengan menuliskan empat persamaan vektornya yang terkenal. Persamaan ini selanjutnya memberikan pemahaman tentang signifikansi khusus dari kecepatan cahaya. Tetapi pada saat itu, tidak mungkin untuk dipahami. Kecepatan mutlak transmisi interaksi jelas-jelas bertentangan dengan prinsip relativitas Galileo, yang merupakan landasan model ruang-waktu Newton. Pada saat itu, sebagian besar fisikawan tanpa syarat percaya pada kebenaran dunia Newtonian dan karena itu sampai pada kesimpulan bahwa persamaan Maxwell hanya dapat terpenuhi di lingkungan tertentu yang disebut eter. Tetapi, membuat pernyataan seperti itu, mereka tanpa sadar kembali ke Aristoteles, yang menegaskan struktur ruang absolut melekat di Alam. Dan dalam keadaan ini, masalah ini berlangsung selama sekitar 50 tahun.
Dan sekarang Albert Einstein yang berusia 26 tahun menerbitkan karyanya yang terkenal "Tentang elektrodinamika media bergerak". Dalam karya ini, Einstein menerima kebenaran nilai-nilai konstanta yang terkandung dalam persamaan Maxwell, dan, dengan menggunakan eksperimen pemikiran sederhana, dengan jelas menunjukkan bahwa kecepatan cahaya adalah konstanta universal, yang mempertahankan nilainya bagi semua pengamat inersia. Dia menunjukkan bahwa konsep keserentakan fisik absolut tidak dapat dipertahankan. Peristiwa yang dipisahkan secara spasial, yang tampaknya simultan bagi satu pengamat, tidak demikian bagi pengamat lain, bergerak relatif terhadap yang pertama dengan kecepatan konstan.
Menjadi jelas bahwa model Newtonian ruang-waktu hanya dapat menjadi perkiraan, valid dalam kasus ketika kecepatan yang dipertimbangkan jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya. Model baru ruang-waktu telah muncul, termasuk prinsip relativitas baru, yang disebut Teori Relativitas Khusus. Teori ini memiliki makna revolusioner pada masanya. Menurutnya, waktu telah kehilangan posisi absolutnya dalam fisika. Kontinum ruang-waktu empat dimensi telah menjadi absolut. Jarak dalam ruang-waktu empat dimensi antar peristiwa didefinisikan dengan baik, tetapi hanya interval temporal atau hanya interval spasial antara peristiwa yang mulai bergantung pada pilihan kerangka acuan, yaitu, pada kecepatan pergerakan satu pengamat relatif terhadap yang lain. Teori baru memberikan prediksi yang tidak biasa dan spektakuler,yang sulit untuk dilihat pada saat itu. Energi dan massa kehilangan keunikannya dan dapat diubah menjadi satu sama lain, menurut rumus terkenal E = mc2. Perlu dicatat di sini bahwa hubungan ini pertama kali muncul pada tahun 1895 dalam karya Henri Poincaré "On the measure of time", yang diterbitkan dalam jurnal filosofis Paris dan oleh karena itu tidak menarik perhatian fisikawan, tetapi memperoleh signifikansi saat ini setelah karya Einstein. Bayangkan energi yang terkandung dalam satu gram materi dapat menerangi seluruh kota selama setahun. Seorang saudara kembar yang telah meninggalkan saudara perempuannya di Bumi dan pindah dalam pesawat luar angkasa dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya akan kembali dan menemukan bahwa saudara perempuannya telah menua beberapa dekade sebagai perbandingan. Prediksi ini sangat tidak terduga sehingga banyak ilmuwan di universitas terkemuka membantahnyabahwa teori yang diberikan tidak dapat bertahan. Namun, semuanya salah. Reaktor nuklir bekerja di Bumi dan bintang-bintang bersinar di langit, mengubah massa menjadi energi, persis dengan rumus E = mc2. Di laboratorium berenergi tinggi, partikel tidak stabil yang dipercepat hingga mendekati kecepatan cahaya hidup puluhan dan ratusan kali lebih lama daripada rekan mereka yang beristirahat di bumi.
Namun, terlepas dari semua sifat revolusioner SRT, satu aspek ruang-waktu tetaplah Aristotelian. Itu tetap menjadi arena pasif untuk semua peristiwa, kanvas tempat kekuatan pendorong Semesta melukis gambar mereka. Di pertengahan abad ke-19, para ahli matematika menemukan bahwa geometri Euclid, yang kita semua pelajari di sekolah, adalah salah satu geometri yang mungkin. Hal ini menghasilkan ide yang paling jelas diartikulasikan oleh Richard Riemann pada tahun 1854. Dia mengatakan bahwa geometri ruang fisik mungkin tidak mengikuti aksioma Euclid, tetapi mungkin melengkung karena adanya materi di alam semesta. Dalam idenya, ruang tidak lagi pasif dan diubah oleh materi. Butuh waktu 61 tahun lagi agar ide ini bisa diminati.
Peristiwa yang luar biasa adalah publikasi Einstein pada tahun 1915 dari Teori Umum Relativitasnya. Dalam teori ini, ruangwaktu berbentuk kontinum empat dimensi. Geometri kontinum ini melengkung, dan derajat kelengkungan mensimulasikan medan gravitasi dalam kontinum itu sendiri. Ruang-waktu tidak lagi diam. Ia bertindak atas materi, dan materi bertindak di atasnya. Seperti yang dikatakan fisikawan Amerika terkenal John Wheeler:
- Materi memberitahu ruang-waktu bagaimana membengkokkan dan ruang-waktu memberitahu materi bagaimana bergerak.
Tidak ada lagi penonton dalam tarian kosmik, tidak ada latar belakang yang dengannya semua peristiwa terungkap. Adegan itu sendiri bergabung dengan para pemeran. Ini adalah perubahan besar dalam pandangan dunia. Karena semua sistem fisik terletak di ruang-waktu, perubahan pandangan seperti itu mengguncang semua fondasi filsafat alam. Butuh beberapa dekade bagi fisikawan untuk memahami banyak aplikasi teori ini, dan filsuf sampai pada pemahaman baru tentang dunia yang tumbuh dari Relativitas Umum.
2. Gravitasi adalah geometri
“Seolah-olah tembok yang memisahkan kita dari kebenaran telah runtuh. Ruang yang lebih luas dan kedalaman tanpa dasar terbuka untuk mata yang mencari pengetahuan, area keberadaan yang tidak kami ketahui"
Hermann Weil "Teori relativitas umum"
Dapat diasumsikan bahwa ketika menulis karyanya, Einstein ternyata diilhami oleh dua fakta yang cukup sederhana. Pertama, universalitas gravitasi, yang ditunjukkan oleh Galileo dalam eksperimennya yang terkenal di Menara Miring Pisa. Gravitasi bersifat universal, karena semua benda dari menara jatuh secara merata jika hanya gaya gravitasi yang bekerja padanya. Kedua, gravitasi selalu memanifestasikan dirinya sebagai tarikan. Sifatnya ini sangat membedakannya, misalnya, dari gaya elektrostatis, yang dijelaskan oleh hukum yang sama dalam bentuk sebagai hukum gravitasi universal dan memanifestasikan dirinya tergantung pada jenis muatan yang berinteraksi dan sebagai gaya tarik dan tolakan. Akibatnya, meskipun gaya elektrostatis dapat dilindungi dan cukup mudah untuk menciptakan area di mana ia tidak akan bekerja,gravitasi tidak dapat disaring pada prinsipnya. Jadi, gravitasi ada di mana-mana dan bekerja pada semua benda dengan cara yang sama. Kedua fakta ini berbicara tentang perbedaan yang kuat antara gravitasi dan interaksi fundamental lainnya dan menunjukkan bahwa gravitasi adalah manifestasi dari sesuatu yang lebih dalam dan universal. Karena ruangwaktu juga ada di mana-mana dan universal, Einstein menyatakan bahwa gravitasi memanifestasikan dirinya bukan sebagai gaya, tetapi sebagai kelengkungan geometri ruangwaktu. Ruang-waktu dalam Teori Relativitas Umum mudah dibentuk dan dapat dimodelkan dengan lembaran karet dua dimensi yang ditekuk oleh benda-benda masif. Misalnya, matahari, karena beratnya, membelokkan ruang-waktu dengan kuat. Planet-planet, seperti semua benda yang jatuh di bumi, bergerak di sepanjang lintasan "lurus", tetapi hanya dalam geometri kurva. Dalam pengertian matematika yang tepat, mereka mengikuti jalur terpendek yang disebut garis geodesik - ini adalah generalisasi garis lurus dari geometri bidang Euclid ke geometri lengkung Riemann. Jadi, jika kita mempertimbangkan ruang-waktu yang melengkung, misalnya, Bumi akan memilih lintasan optimal di ruang seperti itu, yang merupakan analogi lengkap dari garis lurus. Tetapi, karena ruang-waktu melengkung, dalam proyeksi ke ruang datar Euclid dan Newton, lintasan ini akan berbentuk elips.karena ruang-waktu melengkung, dalam proyeksi ke ruang datar Euclid dan Newton, lintasan ini akan berbentuk elips.karena ruang-waktu melengkung, dalam proyeksi ke ruang datar Euclid dan Newton, lintasan ini akan berbentuk elips.
Daya tarik Teori Relativitas Umum terletak pada kenyataan bahwa, dengan menggunakan matematika yang elegan, mengubah ide-ide sederhana secara konseptual ini menjadi persamaan konkret dan menggunakan persamaan-persamaan ini untuk membuat prediksi yang menakjubkan tentang sifat realitas fisik. Dia meramalkan bahwa jam akan berjalan lebih cepat di Kathmandu daripada di Yalta. Inti galaksi harus bertindak seperti lensa gravitasi raksasa dan menunjukkan kepada kita gambar ganda yang spektakuler dari quasar jauh. Dua bintang neutron yang berputar di sekitar pusat bersama pasti kehilangan energi karena riak di ruang-waktu melengkung yang disebabkan oleh gerakan spiral mereka, menyatu ke satu pusat, diikuti oleh tumbukannya. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak eksperimen telah dilakukan untuk menguji prediksi ini dan bahkan prediksi yang lebih eksotis. Dan setiap kali Teori Umum Relativitas berlaku. Akurasi dari beberapa eksperimen melebihi akurasi dari eksperimen legendaris dalam mendeteksi kuantum medan elektromagnetik. Kombinasi kedalaman konseptual, keanggunan matematika, dan keberhasilan pengamatan belum pernah terjadi sebelumnya. Inilah mengapa Teori Relativitas Umum, di satu sisi, dianggap sebagai salah satu teori fisika yang paling luhur, dan di sisi lain, membangkitkan minat yang cukup besar, sebagai objek dari berbagai kritik profesional dan tidak selalu.mengapa Teori Relativitas Umum, di satu sisi, dianggap sebagai salah satu teori fisika yang paling luhur, dan di sisi lain, membangkitkan minat yang cukup besar, sebagai objek dari semua jenis dan tidak selalu kritik profesional.mengapa Teori Relativitas Umum, di satu sisi, dianggap sebagai salah satu teori fisika yang paling luhur, dan di sisi lain, membangkitkan minat yang cukup besar, sebagai objek dari semua jenis dan tidak selalu kritik profesional.
3. Big bang dan lubang hitam
“Fisikawan telah melakukannya dengan cemerlang, tetapi mereka telah menunjukkan keterbatasan intuisi, tanpa bantuan matematika. Mereka menemukan bahwa memahami Alam sangat sulit untuk dikembangkan. Kemajuan ilmiah harus dibayar dengan pengakuan yang merendahkan bahwa realitas dibangun sedemikian rupa sehingga tidak mudah ditangkap oleh persepsi manusia"
Edward O. Wilson “Kebetulan. Kesatuan pengetahuan"
Munculnya Teori Relativitas Umum mengantarkan era kosmologi modern. Dalam skala yang sangat besar, alam semesta di sekitar kita tampak homogen dan isotropik. Pandangan ini adalah realisasi terbesar dari prinsip Copernican: di alam semesta kita tidak ada titik yang dipilih, tidak ada arah yang dipilih. Pada tahun 1922, dengan menggunakan persamaan Einstein, ahli matematika Rusia Alexander Fridman menunjukkan bahwa alam semesta semacam itu tidak mungkin statis. Itu harus diperluas atau diciutkan. Pada tahun 1929, astronom Amerika Edwin Hubble menemukan bahwa alam semesta memang mengembang. Fakta ini, pada gilirannya, menyiratkan bahwa proses ini harus memiliki permulaannya, di mana kerapatan gravitasi dan, karenanya, kelengkungan ruang-waktu harus sangat besar tak terhingga. Konsep Big Bang muncul. Pengamatan yang cermat,Terutama selama 20 tahun terakhir, telah menunjukkan bahwa peristiwa ini mungkin terjadi 14 miliar tahun yang lalu. Sejak itu, galaksi-galaksi terus bergerak menjauh dan gravitasi rata-rata terus menurun. Dengan menggabungkan pengetahuan kita tentang Teori Umum Relativitas dengan fisika laboratorium, kita dapat membuat banyak prediksi terperinci. Misalnya, kita dapat menghitung jumlah relatif elemen cahaya, yang nukleusnya terbentuk dalam tiga menit pertama setelah ledakan (lihat, sebagai contoh, di sini). Kita dapat memprediksikan keberadaan dan sifat radiasi primer (gelombang mikro latar belakang relik) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia kurang lebih 400.000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahwa galaksi pertama terbentuk saat alam semesta berusia satu miliar tahun. Rentang waktu dan variasi fenomena yang menakjubkan!terjadi 14 miliar tahun yang lalu. Sejak itu, galaksi-galaksi terus bergerak menjauh dan gravitasi rata-rata terus menurun. Dengan menggabungkan pengetahuan kita tentang Teori Umum Relativitas dengan fisika laboratorium, kita dapat membuat banyak prediksi terperinci. Misalnya, kita dapat menghitung jumlah relatif elemen cahaya yang nukleusnya terbentuk dalam tiga menit pertama setelah ledakan (lihat, sebagai contoh, di sini). Kita dapat memprediksi keberadaan dan sifat radiasi primer (gelombang mikro latar peninggalan) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia kurang lebih 400.000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahwa galaksi pertama terbentuk saat alam semesta berusia satu miliar tahun. Rentang waktu dan variasi fenomena yang menakjubkan!terjadi 14 miliar tahun yang lalu. Sejak itu, galaksi-galaksi terus bergerak menjauh dan gravitasi rata-rata terus menurun. Dengan menggabungkan pengetahuan kita tentang Teori Umum Relativitas dengan fisika laboratorium, kita dapat membuat banyak prediksi terperinci. Misalnya, kita dapat menghitung jumlah relatif elemen cahaya yang nukleusnya terbentuk dalam tiga menit pertama setelah ledakan (lihat, sebagai contoh, di sini). Kita dapat memprediksi keberadaan dan sifat radiasi primer (gelombang mikro latar peninggalan) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia kurang lebih 400.000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahwa galaksi pertama terbentuk saat alam semesta berusia satu miliar tahun. Rentang waktu dan variasi fenomena yang menakjubkan!Dengan menggabungkan pengetahuan kita tentang Teori Umum Relativitas dengan fisika laboratorium, kita dapat membuat banyak prediksi terperinci. Misalnya, kita dapat menghitung jumlah relatif elemen cahaya, yang nukleusnya terbentuk dalam tiga menit pertama setelah ledakan (lihat, sebagai contoh, di sini). Kita bisa memprediksi keberadaan dan sifat radiasi primer (relik gelombang mikro latar belakang) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia kurang lebih 400.000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahwa galaksi pertama terbentuk ketika alam semesta berusia satu miliar tahun. Rentang waktu dan variasi fenomena yang menakjubkan!Dengan menggabungkan pengetahuan kita tentang Teori Umum Relativitas dengan fisika laboratorium, kita dapat membuat banyak prediksi terperinci. Misalnya, kita dapat menghitung jumlah relatif elemen cahaya, yang nukleusnya terbentuk dalam tiga menit pertama setelah ledakan (lihat, sebagai contoh, di sini). Kita dapat memprediksi keberadaan dan sifat radiasi primer (gelombang mikro latar peninggalan) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia kurang lebih 400.000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahwa galaksi pertama terbentuk saat alam semesta berusia satu miliar tahun. Rentang waktu dan variasi fenomena yang menakjubkan!misalnya di sini). Kita dapat memprediksi keberadaan dan sifat radiasi primer (gelombang mikro latar peninggalan) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia kurang lebih 400.000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahwa galaksi pertama terbentuk saat alam semesta berusia satu miliar tahun. Rentang waktu dan variasi fenomena yang menakjubkan!misalnya di sini). Kita bisa memprediksi keberadaan dan sifat radiasi primer (relik gelombang mikro latar belakang) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia kurang lebih 400.000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahwa galaksi pertama terbentuk saat alam semesta berusia satu miliar tahun. Rentang waktu dan variasi fenomena yang menakjubkan!
Selain itu, Teori Relativitas Umum mengubah pendekatan filosofis terhadap pertanyaan Awal. Hingga tahun 1915, topik ini dapat diperdebatkan ketika Emmanuel Kant menyatakan bahwa alam semesta mungkin tidak memiliki permulaan yang terbatas. Kemudian pertanyaannya bisa diajukan: Apa yang ada sebelumnya? Tetapi pertanyaan ini secara implisit mengasumsikan bahwa ruang dan waktu selalu ada, dan alam semesta muncul bersama materi. Dalam Teori Relativitas Umum, tidak masuk akal untuk mengajukan pertanyaan semacam itu, karena ruang-waktu lahir bersama materi dalam Big Bang. Pertanyaan "Apa yang ada sebelumnya?" tidak berarti apa-apa lagi. Dalam arti yang tepat, Big Bang adalah batas di mana ruang-waktu berakhir, di mana kontinum ruang-waktu itu sendiri terputus. Teori Relativitas Umum pada saat Big Bang menetapkan batas alamiah fisika yang tidak memungkinkan untuk melihat lebih jauh.
Ketika membahas lubang hitam, Relativitas Umum juga menemukan kemungkinan lain. Solusi pertama untuk persamaan Einstein yang menggambarkan lubang hitam sudah diperoleh pada tahun 1916 oleh astrofisikawan Jerman Karl Schwarzschild, yang bertempur di tentara Jerman di garis depan Perang Dunia Pertama. Namun, memahami makna fisik dari keputusan ini membutuhkan waktu lama. Cara paling alami untuk membentuk lubang hitam adalah kematian bintang. Selama cahaya bintang yang membakar bahan bakar nuklir, tekanan radial ke luar dapat mengimbangi gravitasi. Tetapi setelah semua bahan bakar dibakar, satu-satunya gaya yang dapat bersaing dengan gaya tarik gravitasi adalah gaya tolak yang dihasilkan oleh prinsip pengecualian mekanis kuantum Pauli. Selama perjalanannya yang terkenal ke Cambridge,Subrahmanyan Chandrasekhar yang berusia dua puluh tahun menggabungkan prinsip relativitas khusus dan mekanika kuantum untuk menunjukkan bahwa jika sebuah bintang cukup masif, gravitasi dapat mengatasi gaya tolak yang dihasilkan oleh prinsip pengecualian Pauli. Hasilnya, bintang tersebut menyelesaikan evolusinya sebagai lubang hitam. Selama tahun tiga puluhan, dia mengoreksi dan menambah perhitungannya dan memberikan argumen yang tak terbantahkan untuk mendukung skenario tabrakan bintang. Namun, ahli astrofisika Inggris terkemuka pada saat itu, Arthur Eddington, tidak menerima gagasan skenario seperti itu dan menyatakan bahwa dengan perhitungan yang "benar", relativitas khusus sama sekali tidak berlaku. Hari ini, bahkan seorang siswa akan gagal dalam ujian jika dia mencoba memberikan alasan seperti itu dalam penalarannya. Fisikawan kuantum terkemuka saat itu, Borovskaya dan Dirac, langsung setuju dengan hasil Chandrasekhar, tetapi melakukannya dalam surat pribadi, tanpa berpikir untuk menunjukkan kesalahan Eddington secara terbuka. Ini baru diperbaiki pada tahun 1983 ketika Chandrasekhar dianugerahi Hadiah Nobel. Akibatnya, kesalahpahaman ini tertunda selama beberapa dekade tidak hanya pengakuan karya Chandrasekhar, tetapi juga persepsi lubang hitam sebagai benda nyata.sebagai benda nyata.sebagai benda nyata.
Anehnya, bahkan Einstein sendiri tidak melihat lubang hitam. Sudah pada tahun 1939, dia menerbitkan sebuah artikel di Annals of Mathematics, di mana dia berpendapat bahwa lubang hitam tidak dapat dibentuk oleh runtuhnya bintang. Ia berpendapat bahwa perhitungannya benar, tetapi kesimpulannya adalah hasil asumsi yang tidak realistis. Hanya beberapa bulan kemudian, fisikawan Amerika Robert Oppenheimer dan Hartland Snyder menerbitkan karya klasik mereka sekarang, membuktikan tak terbantahkan bahwa bintang masif menyelesaikan evolusinya dengan pembentukan lubang hitam. Telah terbukti bahwa lubang hitam adalah wilayah di mana kelengkungan ruang-waktu begitu kuat sehingga cahaya pun tidak dapat meninggalkannya. Oleh karena itu, menurut Teori Relativitas Umum, area ini tampak gelap gulita bagi pengamat luar. Jika kita beralih ke analogi permukaan karet dua dimensi, ternyata defleksi ruang-waktu di dalam black hole begitu besar sehingga benar-benar pecah sehingga membentuk singularitas. Seperti halnya Big Bang, kelengkungan menjadi tak terbatas. Ruang-waktu membentuk cakrawala peristiwa, dan fisika hanya berhenti di cakrawala ini.
Namun ternyata, lubang hitam adalah objek umum di alam semesta. Teori Relativitas Umum, dikombinasikan dengan pengetahuan kita tentang proses evolusi bintang, meramalkan bahwa Semesta harus memiliki sejumlah besar lubang hitam dengan massa urutan 10-50 massa matahari, yang merupakan produk dari aktivitas vital bintang masif. Memang, lubang hitam adalah pemain terkemuka dalam astronomi dan astrofisika modern. Mereka adalah sumber kuat dari beberapa fenomena paling energik di alam semesta, seperti sinar gamma terkenal yang dipancarkan oleh lubang hitam masif. Sinar ini membawa energi yang dipancarkan 1000 matahari selama hidup mereka. Lubang hitam terjadi akibat ledakan supernova yang melengkapi kehidupan bintang masif. Dan ledakan seperti itu terekam setiap hari. Tampaknya pusat dari semua galaksi elipsmengandung lubang hitam supermasif dengan massa hingga jutaan massa matahari. Galaksi kita sendiri, Bima Sakti, memiliki lubang hitam di tengahnya dengan massa 3,2 juta massa matahari.
4. Setelah Einstein
“Memang, bidang baru dari pengalaman kami akan selalu mengarah pada kristalisasi sistem baru pengetahuan dan hukum ilmiah. Dihadapkan dengan tantangan intelektual baru dan luar biasa, kami terus mengikuti teladan Columbus, yang memiliki keberanian untuk meninggalkan dunia yang dikenal dengan harapan yang hampir gila untuk menemukan daratan di ujung lain lautan."
V. Geisenberg "Perubahan terkini dalam ilmu eksakta"
Teori Relativitas Umum adalah teori gravitasi dan struktur ruang-waktu terbaik yang kita miliki saat ini. Ini dapat menggambarkan serangkaian fenomena yang mengesankan mulai dari ekspansi kosmik besar hingga berfungsinya sistem penentuan posisi dunia di Bumi. Tetapi teori ini tidak lengkap karena mengabaikan efek kuantum yang mengatur dunia subatom. Selain itu, kedua teori ini secara fundamental berbeda. Dunia Teori Umum Relativitas memiliki akurasi geometris, bersifat deterministik. Berbeda dengan dunia ini, dunia mekanika kuantum dapat diragukan, bersifat probabilistik. Fisikawan mempertahankan keadaan bahagia dan hampir skizofrenia ini dengan menggunakan Relativitas Umum untuk menggambarkan fenomena skala besar dalam astronomi dan kosmologi.dan teori kuantum untuk menggambarkan sifat-sifat atom dan partikel elementer. Perhatikan bahwa ini adalah strategi yang cukup layak karena kedua dunia ini sangat langka. Namun, bagaimanapun, strategi ini, dari sudut pandang konseptual, sangat tidak memuaskan. Segala sesuatu dalam pengalaman fisik kita memberi tahu kita bahwa pasti ada teori yang lebih besar dan lebih lengkap, dari mana Teori Relativitas Umum dan teori kuantum harus muncul sebagai kasus khusus dan terbatas. Sebagai ganti teori seperti itu, teori gravitasi quantum mengklaim. Ini adalah masalah yang mendesak, secara logis mengikuti karya Einstein. Bertentangan dengan sudut pandang yang diterima secara umum yang terbentuk sebagai hasil dari pernyataan Einstein selanjutnya tentang ketidaklengkapan mekanika kuantum, dia dengan jelas menyadari batasan Relativitas Umum ini. Hebat,tetapi Einstein menunjukkan perlunya menciptakan teori gravitasi quantum pada tahun 1916! Dalam sebuah artikel yang diterbitkan di Preussische Akademie Sitzungsberichte, dia menulis:
- Namun, karena pergerakan elektron intra-atom, atom harus memancarkan tidak hanya elektromagnetik, tetapi juga energi gravitasi, tetapi hanya dalam jumlah kecil. Karena semuanya adalah satu di Alam, tampaknya teori kuantum seharusnya tidak hanya mengubah elektrodinamika Maxwell, tetapi juga teori gravitasi baru.
Dalam Big Bang dan singularitas lubang hitam, dunia yang sangat besar dan sangat kecil bertemu. Oleh karena itu, meskipun saat ini pertemuan ini adalah rahasia bagi kita yang disegel dengan tujuh meterai, tetapi gerbang itulah yang melaluinya kita dapat melampaui Teori Umum Relativitas. Saat ini diyakini bahwa fisika nyata tidak dapat berhenti di ambang cakrawala peristiwa. Kemungkinan besar Teori Relativitas Umum gagal di sana. Jelas bahwa fisika teoretis harus sekali lagi merevisi pemahaman kita tentang ruang-waktu. Kami membutuhkan bahasa baru yang dapat mengintip melampaui gerbang yang tidak diketahui ini.
Penciptaan bahasa ini dianggap sebagai tantangan paling serius dan terpenting yang dihadapi fisika fundamental saat ini. Ada beberapa pendekatan ke arah ini hari ini. Salah satunya terkait dengan teori string, namun kami akan fokus pada konsep loop quantum gravity. Ini adalah pendekatan untuk membangun teori kuantum yang muncul lebih dari 20 tahun yang lalu dalam karya fisikawan India Abhay Ashtekar dan saat ini diyakini sebagai alternatif pendekatan string dalam memecahkan masalah ini.
Dalam Teori Relativitas Umum, ruang-waktu adalah sebuah kontinum. Ide dasar di balik gravitasi loop kuantum adalah pernyataan bahwa kontinum ini hanyalah perkiraan yang terputus pada apa yang disebut jarak Planck. Panjang Planck adalah besaran unik yang dapat dibangun dari konstanta gravitasi, konstanta Planck dalam fisika kuantum, dan kecepatan cahaya. Panjangnya 3,10-33 cm, yaitu 20 kali lipat lebih kecil dari jari-jari proton. Oleh karena itu, bahkan pada akselerator partikel terkuat di Bumi, Anda dapat bekerja dengan aman dengan kontinum ruang-waktu. Tetapi situasi ini berubah secara dramatis, khususnya, di dekat Big Bang dan di lubang hitam. Dalam kasus seperti itu, perlu menggunakan ruang-waktu yang terkuantisasi, yang kuantumnya adalah kuantum loop gravitasi.
Mari kita coba memahami apa itu kuantum ruang-waktu. Mari beralih ke selembar kertas di depan kita. Bagi kami, ini tampak seperti kontinum dua dimensi yang solid. Tetapi kita juga tahu bahwa ia terdiri dari atom. Lembaran ini memiliki struktur diskrit yang hanya menjadi deklarasi jika tidak kita lihat, misalnya dengan mikroskop elektron. Sekarang lebih jauh. Einstein berpendapat bahwa geometri ruangwaktu tidak kalah fisiknya dengan materi. Dan karena itu, ia juga harus memiliki struktur "atom". Asumsi ini memungkinkan pada pertengahan tahun 90-an untuk menggabungkan prinsip-prinsip Teori Relativitas Umum dengan fisika kuantum dan membuat geometri kuantum. Sama seperti geometri kontinu menyediakan bahasa matematika untuk merumuskan Teori Relativitas Umum,jadi geometri kuantum menyediakan alat matematika dan menghasilkan konsep fisik baru untuk menggambarkan waktu kosmik kuantum.
Dalam geometri kuantum, yang primer adalah yang fundamental yang tertutup dalam sebuah cincin geometri eksitasi, yang bersifat satu dimensi. Kain biasa tampak seperti rangkaian dua dimensi yang halus, tetapi ia didasarkan pada benang satu dimensi. Asumsi serupa dapat dibuat sehubungan dengan kontinum berdimensi lebih tinggi. Pada tingkat yang murni intuitif, seseorang dapat melihat kegembiraan geometris fundamental sebagai benang kuantum yang dapat dijalin untuk menciptakan struktur ruangwaktu. Apa yang terjadi saat kita mendekati singularitas ruang-waktu. Jelas bahwa di bidang ini konsep kontinum ruang-waktu sama sekali tidak dapat diterapkan. Fluktuasi kuantum di area ini begitu besar sehingga benang kuantum tidak bisa begitu saja "dibekukan" ke dalam kontinum ruang-waktu. Kain ruang-waktu robek. Fisika kontinum ruang-waktu "terpaku" pada sisa-sisa jaringan ruang-waktu. Pada saat yang sama, menjadi jelas bahwa utas itu sendiri, yang merupakan dasar dari jalinan alam semesta, memperoleh makna khusus. Menggunakan persamaan kuantum Einstein, seseorang masih dapat mempelajari fisika, mendeskripsikan proses yang terjadi di dunia kuantum. Tapi ada poin penting disini. Faktanya adalah bahwa dengan tidak adanya kontinum ruang-waktu, banyak konsep yang biasa digunakan dalam fisika menjadi salah. Penting untuk memperkenalkan konsep-konsep baru yang menggantikan atau melengkapi konsep-konsep yang dibuang, dan ini membutuhkan intuisi fisik yang baru. Dan dalam kondisi dramatis seperti itu, jalur persamaan kuantum Einstein diaspal. Fisika kontinum ruang-waktu "terpaku" pada sisa-sisa jaringan ruang-waktu. Pada saat yang sama, menjadi jelas bahwa utas itu sendiri, yang merupakan dasar dari jalinan alam semesta, memperoleh makna khusus. Menggunakan persamaan kuantum Einstein, seseorang masih dapat mempelajari fisika, mendeskripsikan proses yang terjadi di dunia kuantum. Tapi ada poin penting disini. Intinya adalah bahwa dengan tidak adanya kontinum ruang-waktu, banyak konsep yang biasa digunakan dalam fisika menjadi salah. Penting untuk memperkenalkan konsep-konsep baru yang menggantikan atau melengkapi konsep-konsep yang dibuang, dan ini membutuhkan intuisi fisik yang baru. Dan dalam kondisi dramatis seperti itu, jalur persamaan kuantum Einstein diaspal. Fisika kontinum ruang-waktu "terpaku" pada sisa-sisa jaringan ruang-waktu. Pada saat yang sama, menjadi jelas bahwa utas itu sendiri, yang merupakan dasar dari jalinan alam semesta, memperoleh makna khusus. Menggunakan persamaan kuantum Einstein, seseorang masih dapat mempelajari fisika, mendeskripsikan proses yang terjadi di dunia kuantum. Tapi ada poin penting disini. Intinya adalah bahwa dengan tidak adanya kontinum ruang-waktu, banyak konsep yang biasa digunakan dalam fisika menjadi salah. Penting untuk memperkenalkan konsep-konsep baru yang menggantikan atau melengkapi konsep-konsep yang dibuang, dan ini membutuhkan intuisi fisik yang baru. Dan dalam kondisi dramatis seperti itu, jalur persamaan kuantum Einstein diaspal.mengambil makna khusus. Menggunakan persamaan kuantum Einstein, seseorang masih dapat mempelajari fisika, mendeskripsikan proses yang terjadi di dunia kuantum. Tapi ada poin penting disini. Intinya adalah bahwa dengan tidak adanya kontinum ruang-waktu, banyak konsep yang biasa digunakan dalam fisika menjadi salah. Penting untuk memperkenalkan konsep-konsep baru yang menggantikan atau melengkapi konsep-konsep yang dibuang, dan ini membutuhkan intuisi fisik yang baru. Dan dalam kondisi dramatis seperti itu, jalur persamaan kuantum Einstein diaspal.mengambil signifikansi khusus. Menggunakan persamaan kuantum Einstein, seseorang masih dapat mempelajari fisika, mendeskripsikan proses yang terjadi di dunia kuantum. Tapi ada poin penting disini. Faktanya adalah bahwa dengan tidak adanya kontinum ruang-waktu, banyak konsep yang biasa digunakan dalam fisika menjadi salah. Penting untuk memperkenalkan konsep-konsep baru yang menggantikan atau melengkapi konsep-konsep yang dibuang, dan ini membutuhkan intuisi fisik yang baru. Dan dalam kondisi dramatis seperti itu, jalur persamaan kuantum Einstein diaspal. Penting untuk memperkenalkan konsep-konsep baru yang menggantikan atau melengkapi konsep-konsep yang dibuang, dan ini membutuhkan intuisi fisik yang baru. Dan dalam kondisi dramatis seperti itu, jalur persamaan kuantum Einstein diaspal. Penting untuk memperkenalkan konsep-konsep baru yang menggantikan atau melengkapi konsep-konsep yang dibuang, dan ini membutuhkan intuisi fisik yang baru. Dan dalam kondisi dramatis seperti itu, jalur persamaan kuantum Einstein diaspal.
Berdasarkan persamaan ini, menjadi mungkin untuk mengklarifikasi beberapa detail Big Bang. Ternyata persamaan diferensial Einstein yang ditulis untuk kontinum ruang-waktu harus diganti dengan persamaan diferensial yang ditulis dalam bahasa struktur diskrit geometri kuantum. Masalahnya adalah bahwa persamaan Einstein standar, yang secara sempurna menggambarkan ruang-waktu klasik, benar-benar berhenti bekerja ketika mendekati Big Bang, ketika massa jenis materi mendekati kerapatan Planck sebesar 1094 g / cm3 dalam urutan besarnya. Dalam geometri kuantum, kelengkungan ruang-waktu dalam rezim Planck menjadi sangat besar, tetapi terbatas. Anehnya, efek geometri kuantum menghasilkan gaya tolak baru yang begitu besaryang dengan mudah mengatasi gaya gravitasi. Teori Relativitas Umum berhenti bekerja. Alam semesta berkembang. Persamaan kuantum Einstein memungkinkan seseorang untuk mengembangkan geometri kuantum dan membangun deskripsi materi yang benar dalam rezim Planck, yang tidak menyisakan ruang untuk konsep non-fisik seperti singularitas. Big Bang digantikan oleh guncangan kuantum yang kuat.
Perhitungan numerik dari proses dalam kasus isotropik homogen spasial dilakukan atas dasar persamaan kuantum Einstein. Kontinum ruang-waktu dihitung di luar rezim Planck dan di sisi "lain" dari Big Bang. Di cabang yang disebut ledakan "pra-besar". Ternyata kontinum yang berkontraksi ini juga dijelaskan dengan baik oleh Teori Relativitas Umum. Namun, ketika massa jenis materi menjadi sama dengan 0,8 dari kerapatan Planck, gaya tolak yang dihasilkan oleh geometri kuantum, yang sebelumnya tidak signifikan, menjadi dominan. Dan bukannya runtuh ke suatu titik, Alam Semesta mengalami dampak kuantum yang kuat, menerjemahkan proses tersebut menjadi cabang yang meluas dari ledakan "pasca-besar", tempat kita sekarang hidup. Teori Relativitas Umum Klasik menjelaskan kedua cabang dengan sangat baik, kecuali bila
Munculnya gaya tolak yang bersifat kuantum pada saat tumbukan kuantum memiliki analogi yang menarik dengan munculnya gaya tolak dalam proses sekaratnya bintang. Dalam kasus ketika gaya tolak mulai mengalahkan gaya gravitasi, ketika inti bintang mencapai kerapatan kritis 6x1016 g / cm3, hal itu dapat mencegah runtuhnya bintang menjadi lubang hitam dan mengubahnya menjadi bintang neutron yang stabil. Gaya tolak ini dihasilkan oleh prinsip pengecualian Pauli dan secara langsung berkaitan dengan sifat kuantum dari proses yang berlangsung. Namun, jika massa bintang yang sekarat ternyata lebih besar dari 5 kali massa Matahari, gravitasi mengatasi gaya ini dan bintang tersebut runtuh menjadi lubang hitam. Suatu singularitas muncul. Gaya tolak yang dihasilkan oleh geometri kuantum berperan pada kerapatan materi yang lebih tinggi,tetapi pada saat yang sama ia mengatasi kompresi gravitasi tidak peduli seberapa besar benda yang runtuh itu. Sungguh, tubuh ini bisa menjadi seluruh Semesta! Daya tarik loop quantum gravitasi adalah dengan memprediksi efek ini, ia mencegah singularitas terbentuk di dunia nyata dengan memperpanjang "kehidupan" ruangwaktu kita melalui jembatan kuantum.
Berkat Einstein, di abad ke-20, pemahaman ruang dan waktu mengalami revisi radikal. Geometri rangkaian ruang-waktu telah menjadi fisik seperti materi sebelumnya. Pemahaman ini membuka perspektif baru dalam kosmologi dan astronomi. Namun di abad kita, perubahan yang tidak kalah dramatis menunggu kita dalam pemahaman tentang ruang-waktu. Berkat geometri kuantum, Big Bang dan lubang hitam untuk fisika tidak lagi dikelilingi oleh batas-batas yang tidak dapat diakses. Ruangwaktu kuantum fisik jauh lebih besar daripada Relativitas Umum. Adanya koneksi antara teori-teori ini memungkinkan kita untuk berbicara tentang konsistensi gravitasi loop kuantum. Konsistensi ini memungkinkan kita untuk menarik kesimpulan yang cukup pasti tentang fisika asal usul alam semesta kita dan tentang fisika lubang hitam. Kemungkinan yang lebih menarik mungkin muncul sebagai hasil dari pengembangan lebih lanjut teori ini.
