Pada tahun 1905, Albert Einstein membalikkan dunia fisika teoretis, menerbitkan sebuah karya tentang disiplin, yang kemudian disebut teori relativitas khusus. Dia menunjukkan bahwa ruang dan waktu tidak dapat dianggap sebagai entitas absolut: waktu dapat mempercepat atau memperlambat, panjang standar dapat dikurangi, 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 teori relativitas umum, tetapi secara umum diterima bahwa jika dia tidak menerbitkan teorinya pada tahun 1905, beberapa fisikawan lain akan segera melakukannya di tempatnya.
"Einstein Cross" - empat gambar dari satu quasar yang jauh, diperoleh karena fakta bahwa cahaya membengkok di sekitar galaksi yang terletak lebih dekat dengan kita, bertindak sebagai lensa gravitasi.Baru pada tahun 1915 Einstein menunjukkan kejeniusannya dengan menerbitkan teori relativitas umumnya. Dia berpendapat bahwa kelengkungan ruang-waktu adalah proporsional, dan juga terjadi karena "kepadatan momentum-energi", yaitu, energi dan momentum yang terkait dengan materi apa pun dalam satuan volume ruang.
Pernyataan ini dikonfirmasi ketika bertepatan dengan pengamatan terhadap
orbit Merkurius yang tidak biasa dan dengan cahaya bintang yang membelit Matahari.
Selama seratus tahun terakhir, GTR telah diverifikasi dengan akurasi luar biasa dan lulus ujian setiap saat. GR telah menjadi lompatan besar ke depan sehingga dapat dikatakan bahwa jika Einstein tidak merumuskannya, itu bisa tetap belum ditemukan untuk waktu yang lama.
Jalan menuju teori relativitas umum
Pada tahun 1907, "pemikiran paling bahagia seumur hidup" datang ke Einstein ketika dia duduk di kursi di kantor paten di Bern:
Jika seseorang jatuh dengan bebas, dia tidak merasakan berat badannya.
Dia membawanya ke perumusan "
prinsip kesetaraan ", yang menyatakan bahwa tidak mungkin untuk membedakan antara kerangka acuan percepatan dan medan gravitasi. Misalnya, jika Anda berdiri di Bumi, itu akan terasa persis sama seperti jika Anda berdiri di pesawat ruang angkasa bergerak dengan akselerasi 9,81 m / s² - dengan akselerasi gravitasi di Bumi.
Ini adalah langkah besar pertama dalam merumuskan teori gravitasi baru.
Einstein percaya bahwa "semua fisika adalah geometri." Maksudnya tentang ruang-waktu dan Semesta dapat dipikirkan secara geometris. Kesimpulan yang paling mengejutkan dari relativitas umum, sifat dinamis dari ruang dan waktu, tampaknya mengarahkan Einstein pada kebutuhan untuk memikirkan kembali ruang-waktu "geometris".
Einstein melakukan serangkaian
eksperimen pemikiran akurat yang membandingkan pengamatan yang dilakukan oleh pengamat dalam
kerangka referensi
inersia dan
berputar .
Dia menetapkan bahwa bagi seorang pengamat dalam kerangka acuan berputar, ruang-waktu tidak boleh Euclidean, yaitu, seperti geometri bidang yang kita semua pelajari di sekolah. Kita perlu memperkenalkan "ruang lengkung" menjadi pertimbangan untuk memperhitungkan anomali yang diprediksi oleh relativitas. Lengkungan menjadi asumsi terpenting kedua yang mendukung relativitas umum.
Untuk menggambarkan ruang melengkung, Einstein beralih ke karya sebelumnya oleh
Bernard Riemann , seorang ahli matematika abad ke-19. Dengan bantuan temannya
Marcel Grossman , juga seorang ahli matematika, Einstein menghabiskan beberapa tahun yang membosankan mempelajari matematika ruang melengkung - apa yang oleh para ahli matematika disebut "geometri diferensial". Einstein mencatat bahwa "dibandingkan dengan pemahaman gravitasi, teori relativitas khusus tampak seperti mainan anak-anak."
Einstein sekarang memiliki alat matematika untuk menyelesaikan teori. Prinsip ekivalensi berpendapat bahwa kerangka acuan percepatan setara dengan medan gravitasi. Sebagai hasil dari studi geometri, ia percaya bahwa medan gravitasi adalah manifestasi sederhana dari ruang-waktu melengkung. Oleh karena itu, ia dapat menunjukkan bahwa kerangka acuan percepatan adalah ruang non-Euclidean.
Pengembangan
Langkah kritis ketiga adalah penghapusan kesulitan dalam menerapkan GR ke gravitasi Newton. Dalam teori relativitas khusus, kekonstanan kecepatan cahaya dalam semua kerangka referensi dan pernyataan bahwa kecepatan cahaya adalah kecepatan maksimum yang dapat dicapai bertentangan dengan teori gravitasi Newton, yang mendalilkan aksi gravitasi sesaat.
Sederhananya, gravitasi Newton mengatakan bahwa jika Anda menghilangkan Matahari dari pusat tata surya, efek gravitasi dari peristiwa ini akan langsung terasa di Bumi. Tetapi STO mengatakan bahwa efek menghilangnya Matahari akan bergerak dengan kecepatan cahaya.
Einstein juga tahu bahwa gaya tarik gravitasi dua benda berbanding lurus dengan massa mereka, yang mengikuti dari Newton F = G * M * m / r². Oleh karena itu, massa dengan jelas menentukan kekuatan medan gravitasi. SRT mengatakan bahwa massa setara dengan energi, sehingga kerapatan energi-momentum juga harus menentukan gaya gravitasi.
Akibatnya, tiga asumsi utama yang digunakan Einstein untuk merumuskan teorinya adalah:
1. Dalam sistem referensi
berputar (non-inersia), ruang melengkung (non-Euclidean).
2. Prinsip kesetaraan mengatakan bahwa kerangka acuan percepatan setara dengan bidang gravitasi.
3. Dari SRT mengikuti kesetaraan massa dan energi, dan dari fisika Newton diikuti massa yang sebanding dengan gaya gravitasi.
Einstein dapat menyimpulkan bahwa kerapatan energi-momentum menciptakan, dan sebanding dengan, kelengkungan ruang-waktu.
Tidak diketahui kapan ia memiliki "wawasan", ketika ia mampu menyusun puzzle ini dan menghubungkan massa / energi dengan kelengkungan ruang.
Dari tahun 1913 hingga 1915, Einstein menerbitkan beberapa karya sambil mengerjakan penyelesaian relativitas umum. Dalam beberapa karya, kesalahan dibuat, karena itu Einstein membuang waktu pada gangguan yang tidak perlu dalam pertimbangan teoretis.
Tetapi hasil akhirnya, bahwa kepadatan energi-momentum membengkokkan 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 dugaan terbesar yang dibuat oleh kecerdasan manusia.
Handicap
Berapa lama kita memahami gravitasi jika bukan karena kejeniusan Einstein dengan kita? Mungkin saja kita harus menunggu selama beberapa dekade. Namun pada 1979, teka-teki itu pasti akan keluar. Tahun itu, para astronom menemukan "
quasar kembar ", QSO 0957 + 561, quasar pertama yang mengamati pelensaan gravitasi.
Penemuan luar biasa ini hanya bisa dijelaskan dengan kelengkungan ruang-waktu. Baginya, mereka mungkin akan diberikan Hadiah Nobel, jika bukan karena kejeniusan Einstein. Atau mungkin masih layak untuk diberikan.