Dalam gambar gravitasi Newton, ruang dan waktu adalah absolut, kuantitas tetap, sedangkan dalam gambar Einstein, ruangwaktu adalah struktur tunggal yang disatukan di mana tiga dimensi ruang dan satu dimensi waktu saling terkait. (NASA)

Tanyakan Ethan: Apakah Ruangwaktu Benar-Benar Sebuah Kain?

Dalam Relativitas Umum, bahkan ruang dan waktu sendiri tidak seperti yang terlihat.

Gravitasi mungkin merupakan kekuatan fundamental pertama yang pernah ditemukan, tetapi dalam banyak hal, itu tetap yang paling tidak dipahami dengan baik. Kita tahu bahwa itu selalu menarik, dan bahwa setiap massa di Semesta, di mana pun mereka berada, akan mengalami kekuatannya. Ketika Einstein menyusun teori relativitas umumnya, salah satu kemajuan besar adalah mengakui bahwa ruang dan waktu digabungkan menjadi satu kesatuan: ruangwaktu. Yang lain adalah bahwa keberadaan materi dan energi melengkung struktur ruangwaktu ini, dan ruangwaktu melengkung itu, pada gilirannya, menentukan bagaimana materi bergerak. Tetapi apakah gambar ini benar? Mariusz Wroblewski skeptis, bertanya:

Saya ingin seseorang akhirnya mengakui dan mengakui bahwa menunjukkan bola pada sprei tidak memotongnya sebagai gambar kenyataan.

Saya dengan bebas mengakui dan mengakuinya. Seperti di mana-mana seperti gambar lembar bengkok atau sistem koordinat, mereka tidak persis mencerminkan kenyataan yang kita huni.

Lengkungan ruangwaktu di sekitar benda masif ditentukan oleh kombinasi massa dan jarak dari pusat massa. Namun, penggambaran ruangwaktu dua dimensi seperti grid ini belum tentu cara yang paling akurat untuk melihatnya. (T. PYLE / CALTECH / MIT / LIGO LAB)

Jika Anda pernah melihat gambar bengkok, kisi dua dimensi dengan massa di atasnya mewakili ruang, Anda akan tahu jenis ilustrasi ini sangat umum. Tampaknya menggambarkan struktur ruang sebagai melengkung oleh kehadiran massa, dan karena itu, partikel lain yang berjalan di sepanjang kain ini akan memiliki jalur yang tertekuk menuju sumber gravitasi ini. Semakin besar massa dan semakin dekat Anda dengan itu, semakin besar kelengkungan, dan karenanya, semakin besar tekukannya.

Ini tampaknya sejalan, setidaknya secara intuitif, dengan eksperimen dan pengamatan yang telah dilakukan untuk memverifikasi dan memvalidasi Relativitas Umum selama hampir 100 tahun terakhir. Dari pembengkokan latar belakang cahaya bintang selama gerhana matahari total hingga efek pelensaan gravitasi saat ini, setidaknya secara kualitatif, gambar tersebut tampak sesuai.

Hasil ekspedisi Eddington 1919 menunjukkan, secara meyakinkan, bahwa Teori Relativitas Umum menggambarkan pembengkokan cahaya bintang di sekitar objek besar, menggulingkan gambar Newton. Ini adalah konfirmasi pengamatan pertama Relativitas Umum Einstein, dan tampaknya selaras dengan visualisasi 'bengkok-ruang-ruang'. (THE ILLUSTRATED LONDON NEWS, 1919)

Tapi apa yang sebenarnya disiratkan gambar seperti itu? Jika ruang seperti kain, bagaimana massa melengkung?

Tampaknya seolah-olah suatu massa entah bagaimana ditarik "ke bawah" ke kain, dan kemudian partikel-partikel lain yang melakukan perjalanan melalui ruang itu ditarik "ke bawah" oleh suatu kekuatan misterius yang tak terlihat juga. Jelas, ini tidak mungkin benar, karena tidak ada gravitasi eksternal yang berperan sama sekali! Selain itu, garis-garis kotak melengkung jauh dari, bukannya ke arah, massa, yang juga tidak mungkin benar, terutama jika gravitasi menarik.

Gravitasi memang sederhana, dan itu hanyalah persamaan yang menggambarkan Relativitas Umum bersifat geometris. Gagasan bahwa ruang kurva massa-dan-energi bisa benar, meskipun visualisasi naif ini pasti salah.

Gagasan bahwa ruang adalah kain memiliki keterbatasan. Cukup jelas bahwa massa yang besar tidak dapat menarik kain ini 'ke bawah' dan menyebabkan benda-benda lain di dalamnya bergerak sepanjang jalur lengkung. Ruangwaktu dapat mematuhi persamaan geometrik dan melengkung, tetapi tidak seperti ini. (DAVID CHAMPION, MAX PLANCK INSTITUTE UNTUK RADIO ASTRONOMY)

Sebagai gantinya, kita dapat melakukan yang lebih baik dengan membuka jumlah dimensi spasial yang benar: tiga.

Bayangkan, untuk memulai, bahwa kita memiliki ruang yang benar-benar kosong. Tidak ada massa di sekitarnya; tidak ada radiasi; tidak ada materi gelap, energi gelap, neutrino, atau apa pun yang dapat menyebabkan ruang ini melengkung. Juga tidak ada kelengkungan intrinsik.

Sebaliknya, bayangkan saja ruang itu datar, statis, dan kosong. Jika kita bersikeras menggambar kisi-kisi, seperti overlay matematis, di atas ruang itu sendiri, beginilah tampilannya.

Kita sering memvisualisasikan ruang sebagai kisi 3D, meskipun ini adalah penyederhanaan yang bergantung pada bingkai ketika kita mempertimbangkan konsep ruangwaktu. Jika Anda menempatkan partikel di kisi ini dan memungkinkan Semesta mengembang, partikel tersebut akan tampak surut dari Anda. (REUNMEDIA / STORYBLOCKS)

Sekarang, mari kita meletakkan massa di ruangwaktu ini. Massa harus melengkung ruangwaktu, tetapi sebenarnya bukan kain: itu hanyalah ketiadaan yang membentuk semesta kosong itu sendiri. Persamaan Relativitas Umum memberi tahu kita bagaimana kelengkungan ini bekerja, secara geometris, tetapi mereka tidak memberi tahu kita bagaimana memvisualisasikannya.

Namun, salah satu cara yang brilian untuk melakukannya adalah dengan menggambar garis-garis kisi-kisi Anda seolah-olah mewakili gaya yang dialami oleh partikel debu yang terbebas dari tekanan yang bebas yang diam-diam berkenaan dengan massa baru. Semakin besar kekuatan yang akan dialami partikel, semakin besar kelengkungan ruangwaktu. Jika kita menarik itu, kita akan sampai pada gambar yang sangat berbeda, berpotensi lebih bermanfaat.

Alih-alih kotak 3D kosong, kosong, meletakkan massa menyebabkan apa yang seharusnya garis 'lurus' menjadi melengkung dengan jumlah tertentu. Perhatikan bahwa mereka tampaknya menyeret ke arah, daripada menjauh dari, massa yang dimaksud. (JARINGAN NATAL JARINGAN DAN INSTITUT PRATT)

Masalah terbesar dengan gambar ini adalah sulitnya menggambar!

Untungnya, dengan munculnya animasi komputer, kita dapat memvisualisasikan bagaimana ruang itu sendiri melengkung bahkan dengan benda yang bergerak. Ingat, itu sebenarnya bukan kain, melainkan mengambil keseluruhan Semesta. Ruangwaktu adalah: apa yang tersisa ketika kita mengambil segala sesuatu di Semesta yang dapat kita ambil. Ketika kita meletakkan benda-benda seperti massa di Alam Semesta, ruangwaktu juga masih ada di sana, tetapi sifat-sifatnya diubah oleh apa pun yang ada di dalamnya. Semakin besar massa yang Anda masukkan di dalamnya, semakin banyak ruangwaktu yang melengkung.

Ini benar bahkan dari satu massa yang kita hanya bergerak. Itu bisa bergerak dalam garis lurus atau sepanjang jalan melengkung; ia bisa bergerak secara alami (karena gerakan massa lain) atau secara artifisial (karena kekuatan eksternal menggerakkannya). Bagaimanapun, itu tidak membuat banyak perbedaan. Masalah sebenarnya adalah bahwa ketika massa bergerak melalui ruang, geometri yang menggambarkan perubahan ruangwaktu.

Akibatnya, benda-benda yang berada di ruang itu, apakah mereka besar atau tidak bermassa, akan mengubah gerakan mereka sebagai respons terhadap keberadaan dan sifat-sifat semua materi dan energi di dalamnya. Penjelasan John Wheeler, bahwa massa memberi tahu ruang cara melengkung, sedangkan ruang melengkung mengatakan soal bagaimana bergerak, masih berlaku.

Sebuah tampilan animasi tentang bagaimana ruangwaktu merespons ketika massa bergerak melewatinya membantu menunjukkan dengan tepat bagaimana, secara kualitatif, itu bukan hanya selembar kain tetapi semua ruang itu sendiri akan melengkung oleh kehadiran dan sifat-sifat materi dan energi dalam Semesta. (LUCASVB)

Anda dapat berbicara tentang ruang sebagai bahan, tetapi jika Anda melakukannya, sadarilah bahwa apa yang Anda lakukan secara implisit mengurangi perspektif Anda ke analogi dua dimensi. Ruang di Alam Semesta kita adalah tiga dimensi, dan ketika Anda menggabungkannya dengan waktu, Anda mendapatkan kuantitas empat dimensi. Ketika sampai pada gagasan lengkungan ruangwaktu, inilah yang dirujuk Relativitas Umum.

Tetapi dalam situasi apa pun Anda tidak boleh membayangkan ruang seolah-olah itu adalah materi, hal fisik; bukan itu. Ini hanya struktur matematis yang bisa kita tuliskan persamaannya untuk diuraikan: persamaan Relativitas Umum Einstein. Fakta bahwa materi dan radiasi merespons kelengkungan itu dengan cara yang tepat seperti prediksi persamaan memvalidasi teori ini, tetapi itu tidak berarti bahwa ruang sebenarnya adalah bahan.

Sebuah ilustrasi tentang pelensaan gravitasi menunjukkan bagaimana galaksi latar belakang - atau jalur cahaya apa pun - terdistorsi oleh kehadiran massa yang ikut campur, seperti gugusan galaksi latar depan. Analogi 'jalinan ruang' hanyalah analogi, dan secara fisik tidak bermakna. (NASA / ESA)

Kita juga berbicara tentang Semesta yang berkembang dalam konteks bahwa 'jalinan ruang merentang,' meskipun tidak ada jalinan dan tidak benar-benar melar, atau dalam hal ini, berubah dengan cara apa pun. Yang terjadi hanyalah bahwa jarak antara dua titik di Semesta berubah sesuai dengan seperangkat aturan tertentu dalam konteks Relativitas Umum. Galaksi, seperti kismis yang tertanam dalam roti roti, saling melebar. Panjang gelombang radiasi juga semakin panjang, seakan-akan panjang gelombang dan palung gelombang juga saling menjauh.

Namun pada kenyataannya, tidak ada kain yang menyebabkan ekspansi. Dalam analogi kismis / roti, kismis (galaksi) secara fisik nyata, tetapi roti (jalinan ruang) hanyalah visualisasi.

Model 'roti kismis' dari Semesta yang mengembang, di mana jarak relatif meningkat ketika ruang (adonan) mengembang. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Salah satu ide yang paling paradoks untuk membungkus kepala Anda dalam semua fisika adalah bahwa persamaan yang menggambarkan Semesta hanya itu: persamaan yang menggambarkan hal-hal yang dapat kita amati secara fisik. Kita tidak bisa lagi mengamati 'jalinan ruang' daripada kita bisa mengamati ketiadaan ruang-waktu kosong; itu hanya ada. Visualisasi apa pun yang kami coba tetapkan untuk itu, apakah itu kain 2D, kisi 3D, atau bola adonan, hanya itu: ciptaan yang diilhami manusia. Teori itu sendiri tidak menuntutnya.

Pada gambar besar di sebelah kiri, banyak galaksi dari gugus besar yang disebut MACS J1149 + 2223 mendominasi pemandangan. Lensa gravitasi oleh gugus raksasa mencerahkan cahaya dari galaksi yang baru ditemukan, yang dikenal sebagai MACS 1149-JD, sekitar 15 kali. Di kanan atas, zoom-in sebagian menunjukkan MACS 1149-JD lebih terinci, dan zoom lebih dalam muncul di kanan bawah. Ini benar dan konsisten dengan Relativitas Umum, dan tidak tergantung pada bagaimana kita memvisualisasikan (atau apakah kita memvisualisasikan) ruang. (NASA / ESA / STSCI / JHU)

Namun, yang dapat kita amati adalah benda-benda fisik - materi dan radiasi - yang ada di dalam ruang itu. Itu adalah entitas yang dapat kita ukur, dan prediksi untuk perilaku objek-objek itulah yang memungkinkan kita menguji teori seperti Relativitas Umum Einstein. Kami tidak begitu berhasil dalam menerima matematika apa adanya, jadi kami memilih untuk membuat analogi untuk membantu kami menggambarkan apa yang terjadi dengan Semesta. Keberhasilan Relativitas Umum naik dan turun dengan pengamatan dan pengukuran. Kita dapat mengamati konsekuensi terukur dari teori ini, tetapi bukan struktur ruangwaktu yang sebenarnya, bahkan jika itu diprediksi oleh teori yang mendasarinya sendiri.

Semua analogi, dalam hal ini, memiliki keterbatasan dan kekurangan. Kita dapat memilih visualisasi yang kurang salah, mungkin, daripada gambar 2D dari kain yang bengkok, tetapi tidak ada jawaban yang benar. Relativitas Umum memberi tahu kita apa yang diberikan Alam Semesta kepada materi dan energi yang didistribusikan dengan cara tertentu, dan pengamatan kita konsisten dengannya. Kita dapat memilih untuk memvisualisasikannya dengan cara apa pun yang paling masuk akal bagi kita, tetapi semua visualisasi secara inheren cacat. Yang terbaik yang bisa kita lakukan adalah mencoba memahami Alam Semesta, sama membingungkannya seperti apa adanya.

Kirim pertanyaan Ajukan Ethan Anda ke startwababang di gmail dot com!

Starts With A Bang sekarang ada di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.