Tanyakan Ethan: jika massa membengkokkan ruang-waktu, bagaimana ia meluruskan kembali?

Lengkungan ruang-waktu dekat benda besar ditentukan oleh kombinasi massa dan jarak ke pusat massa. Penting untuk mempertimbangkan parameter lain, seperti kecepatan, akselerasi dan sumber energi lainnya.

Materi memberi tahu ruang cara menekuk, dan ruang melengkung memberi tahu bagaimana cara bergerak. Ini adalah prinsip dasar relativitas umum Einstein, yang untuk pertama kalinya menghubungkan fenomena seperti gravitasi dengan ruang-waktu dan relativitas. Tempatkan massa di mana saja di alam semesta, dan ruang di sekitarnya akan bereaksi dengan kelengkungan. Tetapi jika Anda menghapus massa atau memindahkannya, apa yang menyebabkan ruang-waktu "jatuh ke tempatnya", dengan asumsi posisi tidak terdistorsi? Pertanyaan semacam itu ditanyakan oleh pembaca kami:

Kita diajari bahwa massa mengubah bentuk ruang-waktu, dan kelengkungan ruang-waktu di sekitar massa menjelaskan gravitasi - misalnya, sebuah objek di orbit di sekitar Bumi benar-benar bergerak dalam garis lurus yang terletak pada ruang-waktu melengkung. Misalkan ini masuk akal, tetapi ketika sebuah massa (seperti Bumi) bergerak melalui ruang-waktu dan membengkokkannya, mengapa ruang-waktu tidak tetap melengkung? Mekanisme apa yang meluruskan bentangan ruang-waktu ini ketika massa bergerak?

Banyak hal menarik terkait dengan pertanyaan ini, dan jawabannya sebenarnya dapat membantu Anda memahami cara kerja gravitasi.


Lengkungan ruang, yang diberikan padanya oleh planet-planet dan Matahari di tata surya kita, harus diperhitungkan dalam proses pengamatan apa pun yang dapat dilakukan oleh pesawat ruang angkasa atau observatorium lainnya. Efek relativitas umum, bahkan yang terkecil, tidak dapat diabaikan.

Ratusan tahun sebelum Einstein, Newtonian adalah teori gravitasi terbaik kita. Konsep alam semesta dari Newton sederhana, lugas dan filosofis tidak memuaskan banyak orang. Dia menyatakan bahwa setiap dua massa Semesta, terlepas dari lokasi dan jaraknya, secara instan menarik satu sama lain dengan bantuan kekuatan timbal balik, yang dikenal sebagai gravitasi. Semakin besar masing-masing benda, semakin besar gaya, dan semakin jauh mereka berada, semakin sedikit gaya (berkurang dengan kuadrat jarak). Ini berlaku untuk semua objek Semesta, dan hukum gravitasi universal Newton , tidak seperti semua alternatif lain yang ada, idealnya bertepatan dengan pengamatan.


Hukum gravitasi universal Newton, yang digantikan oleh teori relativitas Einstein, didasarkan pada aksi kekuatan sesaat dari kejauhan

Tetapi dia memperkenalkan sebuah ide yang tidak dapat diterima oleh banyak pemikir terhebat pada masa itu: konsep aksi dari kejauhan. Bagaimana dua benda yang terletak di ujung jagat raya yang berbeda tiba-tiba dan secara instan saling memengaruhi? Bagaimana mereka bisa berinteraksi pada jarak yang sangat jauh sehingga tidak ada di antara mereka? Descartes tidak dapat menerima konsep ini, dan sebaliknya merumuskan yang lain, di mana ada lingkungan di mana gravitasi merambat. Dia mengklaim bahwa kosmos dipenuhi dengan beberapa jenis materi, dan ketika massa bergerak melewatinya, ia memindahkan materi dan menciptakan vortisitas - ini adalah versi awal dari eter. Teori ini adalah yang pertama dalam garis panjang dari apa yang kemudian disebut teori gravitasi mekanik (atau kinetik) .


Dalam versi gravitasi Descartes, ruang diisi dengan eter, dan hanya perpindahannya yang bisa menjelaskan gravitasi. Gagasan ini tidak mengarah pada perumusan gravitasi, yang bertepatan dengan pengamatan.

Tentu saja, konsep Descartes ternyata salah. Kegunaan teori fisik menentukan kebetulan dengan eksperimen, dan bukan kecenderungan kita pada kriteria estetika tertentu. Ketika GTR muncul, pada dasarnya mengubah gambar yang dibuat oleh hukum Newton. Sebagai contoh:

• Ruang dan waktu tidak mutlak dan sama di mana-mana, tetapi terhubung dan berperilaku berbeda bagi pengamat yang bergerak dengan kecepatan berbeda di tempat berbeda.
• Gravitasi tidak bekerja secara instan, tetapi bergerak dengan kecepatan terbatas - dengan kecepatan cahaya.
• Gravitasi ditentukan bukan secara langsung oleh massa dan posisi, tetapi oleh kelengkungan ruang, yang, pada gilirannya, ditentukan oleh semua massa dan energi di alam semesta.

Aksi di kejauhan tidak hilang, tetapi "gaya Newton yang bertindak pada jarak tak terbatas melalui ruang diam" digantikan oleh kelengkungan ruang-waktu.


Lengkungan ruang-waktu berarti bahwa jam yang terletak lebih dalam di sumur gravitasi - dan, oleh karena itu, di ruang yang lebih kuat melengkung - beroperasi pada kecepatan yang berbeda dari jam yang terletak di ruang yang kurang dalam, kurang melengkung.

Jika Matahari tiba-tiba menghilang dari Semesta, untuk beberapa waktu kita tidak akan mengetahuinya. Bumi tidak akan terbang dalam garis lurus; itu akan terus berputar di sekitar lokasi Matahari selama 8 menit dan 20 detik. Gravitasi ditentukan bukan oleh massa, tetapi oleh kelengkungan ruang, yang ditentukan oleh jumlah semua materi dan energi yang ada di dalamnya.

Jika Anda menghilangkan Matahari, ruang akan berubah dari bentuk melengkung menjadi datar, tetapi transformasi ini tidak terjadi secara instan. Ruang-waktu adalah bahan, dan transisi harus terjadi dalam bentuk semacam gerakan tajam yang mengirimkan gelombang sangat besar - gravitasi - melalui Semesta, yang merambat melaluinya seperti riak-riak di permukaan kolam.


Setiap gelombang yang merambat dalam medium atau dalam ruang hampa memiliki kecepatan rambat. Tidak ada kecepatan tanpa batas, dan, secara teori, kecepatan rambat gelombang gravitasi harus bertepatan dengan kecepatan maksimum yang diperbolehkan di Semesta: kecepatan cahaya.

Kecepatan rambat gelombang ditentukan dengan cara yang sama dengan kecepatan segala sesuatu dalam teori relativitas ditentukan: energi dan massa mereka. Karena gelombang gravitasi tidak memiliki massa, tetapi memiliki energi yang terbatas, mereka harus bergerak dengan kecepatan cahaya. Dan ini berarti bahwa Bumi tidak benar-benar terikat langsung dengan lokasi Matahari di ruang angkasa - itu terikat ke tempat di mana Matahari berada sedikit lebih dari 8 menit yang lalu.


Radiasi gravitasi muncul setiap kali ketika satu massa bergerak di orbit di sekitar yang lain, oleh karena itu orbitnya berkurang untuk waktu yang agak lama. Suatu saat di masa depan, Bumi akan jatuh secara spiral ke dalam apa yang tersisa dari Matahari, jika sebelumnya tidak ada benda yang membuangnya keluar dari orbit. Bumi melekat pada tempat di mana Matahari berada sekitar 8 menit yang lalu, dan tidak ke tempat di mana saat ini.

Ini aneh, dan berpotensi masalah, karena kita telah mempelajari tata surya dengan cukup baik. Jika Bumi diikat ke lokasi Matahari, yang ditempati minutes 8 menit yang lalu menurut hukum Newton, maka orbit planet-planet tidak akan bertepatan dengan pengamatan. Namun, GRT berbeda dalam aspek lain. Untuk perhitungan, perlu untuk memperhitungkan kecepatan planet yang bergerak di orbit di sekitar Matahari.

Sebagai contoh, Bumi, karena ia juga bergerak, dalam arti "mengendarai" gelombang-gelombang ini bergerak melalui ruang angkasa, jatuh bukan di tempat sebelumnya dinaikkan. Ada dua fenomena baru dalam GR yang sangat membedakannya dari Newtonian: persepsi gravitasi objek dipengaruhi oleh kecepatan masing-masing objek, serta perubahan dalam medan gravitasi.


Struktur ruang-waktu, dengan gelombang dan deformasi yang terjadi karena adanya massa. Tatanan ruang, tentu saja, melengkung, tetapi ketika massa bergerak melalui medan gravitasi yang berubah, banyak hal menarik terjadi.

Jika Anda ingin menghitung kelengkungan ruang-waktu pada titik mana pun di ruang, GR memungkinkan Anda untuk melakukan ini, tetapi Anda perlu mengetahui sesuatu terlebih dahulu. Anda perlu mengetahui lokasi, besarnya dan distribusi semua massa alam semesta, persis seperti yang dituntut Newton. Selain itu, Anda memerlukan informasi tentang hal berikut:

• bagaimana massa ini bergerak dan bergerak
• bagaimana semua bentuk energi lain yang bukan milik massa didistribusikan,
• bagaimana objek yang Anda amati bergerak dalam medan gravitasi yang berubah,
• dan bagaimana kelengkungan ruang berubah seiring waktu.

Dan hanya dengan pengetahuan tambahan ini kita dapat menghitung kelengkungan ruang pada titik tertentu dalam ruang dan waktu.


Evolusi ruang-waktu dan kerja gravitasi ditentukan tidak hanya oleh posisi dan besarnya massa, tetapi juga oleh bagaimana mereka bergerak relatif satu sama lain dan berakselerasi dalam medan gravitasi yang berubah.

Lengkungan dan pelurusan ini membutuhkan biaya. Akselerasi Bumi tidak bisa begitu saja bergerak di medan gravitasi Matahari yang berubah tanpa konsekuensi. Mereka ada, meskipun kecil, dan dapat diukur. Tidak seperti teori Newton, yang menurutnya Bumi harus menggambarkan elips tertutup yang bergerak mengelilingi Matahari, GR memperkirakan elips ini harus mengalami presesi dari waktu ke waktu, dan orbitnya akan perlahan-lahan berkurang. Interval waktu di mana hal ini akan terjadi dapat melebihi usia Alam Semesta saat ini, tetapi, bagaimanapun, orbitnya tidak akan tetap stabil untuk waktu yang sewenang-wenang.

Bahkan sebelum kita mengukur gelombang gravitasi, ini adalah metode utama untuk mengukur kecepatan gravitasi. Bukan pada contoh Bumi, tetapi pada contoh sistem dengan parameter ekstrim, di mana perubahan dalam orbit dapat dengan mudah diperhatikan: sistem dua objek dalam orbit dekat, setidaknya satu di antaranya adalah bintang neutron.


Cara termudah untuk melihat efek ini adalah jika benda besar bergerak dengan kecepatan yang berubah dengan cepat dalam medan gravitasi yang kuat dan berubah. Dan kondisi seperti itu memberi kita sistem bintang biner dari bintang neutron! Satu atau dua bintang berputar ini memancarkan impuls yang terlihat di Bumi setiap kali sumbu bintang melewati garis pandang. Prediksi teori gravitasi Einstein sangat sensitif terhadap kecepatan cahaya, sedemikian rupa sehingga bahkan setelah mengamati pulsar pertama, sistem biner PSR 1913 + 16 , ditemukan pada 1980-an ( sistem biner Hals-Taylor ), kami memberlakukan pembatasan pada kecepatan gravitasi, yang bertepatan dengan kecepatan cahaya dalam kesalahan pengukuran hanya 0,2%!


Laju penurunan orbit pulsar ganda sangat tergantung pada kecepatan gravitasi dan parameter orbital sistem biner. Kami menggunakan data pulsar biner untuk membatasi kecepatan gravitasi dan menyamakannya dengan kecepatan cahaya dengan akurasi 99,8%

Hanya dengan contoh dari pulsar ganda ini kita mengetahui bahwa kecepatan gravitasi berada pada kisaran 2,993 × 10 ⁸ - 3,003 × 10 ⁸ m / s. Ini mengkonfirmasi GTR dan mengecualikan gravitasi Newton dan alternatif lainnya. Tetapi suatu mekanisme yang menjelaskan mengapa ruang tidak bengkok ketika massa yang ada di suatu tempat meninggalkannya; GR bukan penjelasan untuk ini. Sebuah massa yang bergerak dengan percepatan melalui medan gravitasi yang berubah akan memancarkan energi, dan energi ini akan menjadi gelombang, yang dikenal sebagai gelombang gravitasi, melewati masalah ruang-waktu. Kembali ke keseimbangan, keadaan tidak terdistorsi terjadi secara alami. Tidak perlu penjelasan lebih lanjut, GR adalah segalanya. [ Ketika Newton ditanya tentang sifat gravitasi, dia menjawab: Saya tidak membuat hipotesis / perkiraan. perev. ]