Pada tahun 1905, Albert Einstein menjungkirbalikkan dunia fisika teoretis dengan menerbitkan sebuah karya dalam disiplin ilmu yang kemudian disebut teori relativitas khusus. Dia menunjukkan bahwa ruang dan waktu tidak dapat dianggap sebagai entitas absolut: waktu dapat dipercepat atau diperlambat, panjang standar dapat menyusut, massa dapat meningkat.
Dan, hasil yang paling terkenal, kesetaraan massa energi, dan proporsinya dinyatakan melalui persamaan E = mc².
Tidak ada yang meragukan kejeniusan Einstein, yang merumuskan relativitas umum, tetapi secara umum diterima bahwa jika dia tidak menerbitkan teorinya pada tahun 1905, beberapa fisikawan lain akan segera melakukannya menggantikannya.
"Salib Einstein" - empat gambar dari satu quasar jauh, diperoleh karena fakta bahwa cahaya darinya membelok mengelilingi galaksi yang terletak lebih dekat dengan kita, bekerja sebagai lensa gravitasi.
Baru pada tahun 1915 Einstein menunjukkan kejeniusannya dengan menerbitkan teori relativitas umum. Dia berpendapat bahwa kelengkungan ruang-waktu adalah proporsional, dan juga terjadi karena "kepadatan energi-momentum", yaitu energi dan momentum yang terkait dengan materi apa pun dalam satuan volume ruang.
Pernyataan ini dikonfirmasi ketika bertepatan dengan pengamatan orbit Merkurius yang tidak biasa dan cahaya bintang yang membengkok di sekitar Matahari.
Selama seratus tahun terakhir, relativitas umum telah diuji dengan keakuratan yang luar biasa dan telah teruji setiap saat. Relativitas umum telah menjadi lompatan besar ke depan sehingga orang dapat mengatakan bahwa jika Einstein tidak merumuskannya, ia dapat tetap tidak ditemukan untuk waktu yang lama.
Jalan menuju relativitas umum
Video promosi:
Pada tahun 1907, Einstein memiliki "pikiran paling bahagia seumur hidup" saat dia duduk di kursi di kantor paten di Bern:
Jika seseorang jatuh dengan bebas, dia tidak merasakan beratnya.
Dia membawanya pada perumusan "prinsip kesetaraan", yang mengatakan bahwa tidak mungkin untuk membedakan antara kerangka acuan percepatan dan medan gravitasi. Misalnya, jika Anda berdiri di Bumi, akan terasa sama persis seperti Anda berdiri di pesawat ruang angkasa yang bergerak dengan percepatan 9,81 m / s² - dengan percepatan gravitasi di Bumi.
Ini adalah langkah besar pertama menuju perumusan teori gravitasi baru.
Einstein percaya bahwa "semua fisika adalah geometri". Dia memaksudkan bahwa ruang-waktu dan Semesta dapat dipikirkan dalam istilah geometris. Kesimpulan paling mengejutkan dari relativitas umum, sifat dinamis dari ruang dan waktu, tampaknya membawa Einstein pada kebutuhan untuk memikirkan kembali ruang-waktu "geometris".
Einstein melakukan serangkaian eksperimen pemikiran yang rapi membandingkan pengamatan yang dilakukan oleh pengamat dalam kerangka acuan inersia dan berputar.
Ia menetapkan bahwa bagi seorang pengamat dalam kerangka acuan yang berputar, ruang-waktu tidak dapat menjadi Euclidean, yaitu geometri datar yang kita semua pelajari di sekolah. Kita perlu memasukkan "ruang lengkung" ke dalam penalaran kita untuk menjelaskan anomali yang diprediksi oleh relativitas. Kelengkungan menjadi asumsi terpenting kedua yang mendukung relativitas umumnya.
Untuk menggambarkan ruang melengkung, Einstein beralih ke karya sebelumnya oleh Bernard Riemann, seorang ahli matematika abad ke-19. Dengan bantuan temannya Marcel Grossmann, juga seorang matematikawan, Einstein menghabiskan beberapa tahun yang melelahkan untuk mempelajari matematika ruang-ruang lengkung - yang oleh para ahli matematika disebut "geometri diferensial". Einstein mencatat bahwa "dibandingkan dengan pemahaman gravitasi, relativitas khusus tampak seperti permainan anak-anak."
Einstein sekarang memiliki peralatan matematika untuk menyelesaikan teori tersebut. Prinsip kesetaraan menyatakan bahwa kerangka acuan percepatan setara dengan medan gravitasi. Sebagai hasil dari studinya di bidang geometri, dia percaya bahwa medan gravitasi adalah manifestasi sederhana dari ruang-waktu yang melengkung. Oleh karena itu, ia dapat menunjukkan bahwa kerangka acuan percepatan adalah ruang non-Euclidean.
Pengembangan
Langkah terpenting ketiga adalah menghilangkan kesulitan dalam menerapkan relativitas umum ke gravitasi Newtonian. Dalam teori relativitas khusus, keteguhan kecepatan cahaya dalam semua kerangka acuan dan pernyataan bahwa kecepatan cahaya adalah kecepatan maksimum yang dapat dicapai bertentangan dengan teori gravitasi Newton, yang mendalilkan keteguhan aksi gravitasi.
Sederhananya, gaya gravitasi Newton mengatakan bahwa jika matahari dipindahkan dari pusat tata surya, maka efek gravitasi dari peristiwa ini akan langsung terasa di Bumi. Tetapi SRT mengatakan bahwa bahkan efek lenyapnya Matahari akan bergerak dengan kecepatan cahaya.
Einstein juga mengetahui bahwa tarikan gravitasi dua benda berbanding lurus dengan massa mereka, yang diikuti oleh Newton's F = G * M * m / r². Oleh karena itu, massa dengan jelas menentukan kekuatan medan gravitasi. SRT mengatakan bahwa massa setara dengan energi, sehingga massa jenis energi-momentum juga harus menentukan gaya gravitasi.
Hasilnya, tiga asumsi utama yang digunakan Einstein untuk merumuskan teorinya adalah:
1. Dalam kerangka acuan yang berputar (non-inersia), ruang melengkung (non-Euclidean).
2. Prinsip kesetaraan mengatakan bahwa kerangka acuan percepatan setara dengan medan gravitasi.
3. Persamaan massa dan energi mengikuti SRT, dan dari fisika Newton, massa sebanding dengan gaya gravitasi.
Einstein mampu menyimpulkan bahwa kerapatan energi-momentum menciptakan, dan sebanding, dengan kelengkungan ruang-waktu.
Tidak diketahui kapan dia memiliki "wawasan", kapan dia bisa memecahkan teka-teki ini dan menghubungkan massa / energi dengan kelengkungan ruang.
Dari tahun 1913 hingga 1915, Einstein menerbitkan beberapa makalah, sambil mengerjakan penyelesaian relativitas umum. Kesalahan ditemukan dalam beberapa karya, yang menyebabkan Einstein membuang-buang waktu untuk gangguan yang tidak perlu dalam penalaran teoretis.
Tetapi hasil akhirnya, bahwa kerapatan energi-momentum membelokkan ruang-waktu, seperti bola bowling adalah lembaran karet yang diregangkan, dan bahwa pergerakan massa dalam medan gravitasi bergantung pada kelengkungan ruang-waktu, tanpa diragukan lagi, merupakan tebakan terbesar yang dibuat oleh kecerdasan manusia.
Rintangan
Berapa lama kita akan memahami gravitasi jika bukan karena kejeniusan Einstein? Mungkin saja kita harus menunggu ini selama beberapa dekade. Tapi pada 1979, misteri itu pasti akan terungkap. Pada tahun itu, para astronom menemukan "quasar kembar", QSO 0957 + 561, quasar pertama yang mengamati pelensaan gravitasi.
Penemuan menakjubkan ini hanya bisa dijelaskan dengan kelengkungan ruang-waktu. Baginya, mereka pasti akan memberikan Hadiah Nobel, jika bukan karena kejeniusan Einstein. Atau mungkin dia masih harus diberikan.
