Mengapa semuanya jatuh?

Mengapa batu dari gunung jatuh ke tanah? Mengapa sesuatu jatuh? Nah, kita telah diberitahu bahwa gaya gravitasi yang sulit dipahami adalah yang harus disalahkan. Jadi begitulah, semuanya jatuh karena mereka tertarik ke pusat bumi.

Yah, tidak juga. Lihat apa yang saya lakukan di sana? Solusi yang tampak hanyalah transposisi belaka dari masalah sebelumnya. Mengapa sesuatu tertarik pada pusat bumi pada awalnya? Kecuali mereka tidak.

Einstein merumuskan teori Umumnya pada usia 36

Selamat datang di prinsip Relativitas Umum Einstein. Banyak hal jatuh bukan karena mereka tertarik pada sesuatu, tetapi karena mereka tidak tertarik.

Pemikiran aneh ini, hanya dimungkinkan oleh imajinasi terliar, yang membingungkan pikiran besar hingga saat ini, divisualisasikan dengan jelas oleh Einstein, sebuah visualisasi yang kami perjuangkan untuk ciptakan hingga hari ini.

Dalam artikel ini, saya akan mencoba untuk mendorong pemahaman kita lebih jauh, menuju mungkin apa yang diimpikan Einstein. Seperti yang pernah dia katakan, “Orang bodoh bisa tahu. Intinya adalah untuk mengerti ”.

Ruang dan Waktu

Dalam membahas fisika, atau ilmu pengetahuan apa pun, diperlukan konsepsi yang jelas dan bekerja tentang dua unsur paling mendasar dari alam semesta. Teori Relativitas Khusus Einstein, yang diterbitkan kira-kira 10 tahun sebelum Relativitas Umum, sangat sederhana, namun revolusioner. Mengapa? Karena itu benar-benar menjungkirbalikkan konsep ruang dan waktu.

Maafkan konteksnya, yang mungkin tampak membosankan, tetapi yakinlah bahwa itu sangat penting dalam mendapatkan pemahaman tentang apa itu gravitasi.

Ruang dan waktu, sebelum relativitas Einstein, dianggap mutlak. Menyiratkan bahwa dua jam bergerak, yang dimulai pada waktu yang sama, akan mengukur panjang dan waktu yang sama. Dengan kata lain, akan ada kesepakatan lengkap tentang jarak yang ditempuh, dan berapa banyak waktu yang telah berlalu.

Einstein membuktikan konsep ini salah. Ruang dan waktu tidak absolut, mereka relatif. Dia memasukkan teori Minkowski tentang ruang-waktu 4-dimensi ke dalam teorinya tentang relativitas khusus. Karena itu, ruang dan waktu tidak lagi terpisah. Itu adalah ruang-waktu yang ada. Setiap perubahan dalam pergerakan objek dalam ruang secara langsung mengganggu pengalaman waktu.

Saya tidak akan menjelaskan Relativitas Khusus di sini. Itu layak artikelnya sendiri. Tapi takeaway dari sini sangat penting dalam menangkap gravitasi. Jadi, untuk rekap, ruang dan waktu ada sebagai satu kesatuan ruang-waktu, dan itu tidak absolut, itu relatif terhadap pengamat dan gerak yang diamati.

Garis, melengkung dan lurus

Memahami garis lurus memegang kunci gravitasi. Apa itu garis lurus? Apa ciri khas garis lurus yang memisahkannya dari garis tidak lurus? Pertanyaan itu mungkin tampak konyol dan jelas pada awalnya, tetapi izinkan saya memperingatkan Anda, itu tidak.

Bayangkan dua garis paralel lurus yang tidak pernah bertemu. Sekarang bayangkan sebuah garis melengkung. Kita tentu tahu bahwa garis lurus sama sekali berbeda dari garis melengkung, tetapi tidak selalu.

Bola bulat

Perhatikan dengan cermat sesuatu yang berbentuk bulat, melengkung, bola dunia misalnya. Luangkan waktu sebentar dan lihat gambarnya. Garis mana yang terlihat lurus? Garis lintang atau garis bujur? Meskipun garis latitudinal mungkin tampak lurus, mereka tidak. Mengapa? Karena mereka berputar, dan garis lurus, menurut definisi mereka sendiri, tidak berubah.

Jadi, garis lurus pada bidang tidak persis sama pada bidang atau permukaan melengkung.

Penting untuk membuat perbedaan mental garis lurus pada permukaan geometri yang berbeda.

Dengan pengamatan sebelumnya dalam pikiran, mari kita coba membayangkan garis lurus pada permukaan melengkung. Untuk kesederhanaan, mari gunakan kerucut sebagai permukaan melengkung kami. Perlu diingat bahwa saluran tidak boleh berpaling. Punya gambar di kepala Anda? Kemungkinan besar Anda tidak melakukannya. Alih-alih mengambil selembar kertas dengan garis lurus digambar di atasnya dan lipat kertas menjadi kerucut. Seharusnya terlihat seperti pada gambar di bawah ini.

Cone Geodesics, Sumber: Wolfram

Lihat sekarang? Seperti apa garis lurus kita sekarang? Kami memiliki garis lurus pada bidang koordinat, tetapi pada kerucut, tidak ada garis lurus. Ya, garis lurus jelas ada pada kerucut karena yang kami lakukan hanyalah melipat kertas, tetapi begitu dilipat menjadi kerucut, garis itu tidak lagi menyerupai garis lurus.

Izinkan saya memperkenalkan Anda pada Geodesics. Garis lurus pada permukaan melengkung adalah geodesik. Ini berarti bahwa setiap garis lurus ketika diplot pada permukaan melengkung, tetap lurus tetapi tidak terlihat lurus.

Geodesik ruang-waktu

Sekarang setelah kita memahami konsep ruang-waktu dan geodesi, memahami gravitasi berada dalam jangkauan kita. Kami mulai dengan memvisualisasikan beberapa grafik. Bayangkan grafik ruang vs waktu, seperti grafik pada gambar di atas. Sekarang pikirkan tentang apa yang dilambangkan garis lurus pada grafik ruang-waktu. Ini mewakili gerakan objek seiring waktu. Garis mewakili jumlah semua peristiwa individu dalam ruang dan waktu.

Grafik Spasi vs Waktu

Dalam grafik ini, biarkan koordinat y menggambarkan perubahan melalui ruang dan koordinat x mewakili perubahan waktu. Grafik ini kemudian berfungsi sebagai diagram ruang-waktu untuk objek stasioner.

Sekarang, apa yang akan terjadi jika Anda mengambil grafik ini dan melipatnya menjadi kerucut?

Hasilnya, seperti yang diharapkan, akan sangat mirip dengan pengamatan kerucut kami sebelumnya.

Jadi, apa artinya ini?

Jika kita melihat garis pada kerucut, kita melihat bahwa peristiwa ruang-waktu telah diubah. Kami melihat garis secara bertahap menurun. Objek statis dalam ruang-waktu datar mempertahankan posisi spasialnya melalui waktu, seperti yang terlihat pada grafik yang tidak dilipat. Tetapi seperti yang terlihat pada grafik yang dilipat menjadi kerucut, objek statis dalam ruang-waktu melengkung jatuh melalui ruang, seiring waktu. Lihat intinya? Objek dan skenario adalah satu dan sama dalam kedua kasus, semua yang telah berubah adalah geometri ruang-waktu, bentuknya, kelengkungannya. Pengamatan terakhir adalah gejala dari apa yang kita sebut gravitasi.

Oleh karena itu, ada kemungkinan bahwa gravitasi bukanlah kekuatan misterius, tetapi hanya lengkungan ruang-waktu yang melengkung. Ini akan menjelaskan bagaimana dan mengapa segala sesuatu jatuh, tanpa mengasumsikan adanya kekuatan, dorongan, atau tarikan.

Sebuah objek, statis atau bergerak, tampaknya tertarik pada beberapa objek lain bukan karena ada gaya yang disebut gravitasi, tetapi karena objek-objek itu hanya mengikuti geodesik ruang-waktu mereka. Garis lurus dalam ruang-waktu melengkung.

Kesimpulan

Semua yang saya bahas dalam artikel sejauh ini hanyalah eksperimen pemikiran untuk Einstein. Ini membuatnya sadar bahwa apel jatuh pada Newton, bukan karena ditarik oleh bumi, tetapi karena selalu mengikuti geodesik ruang-waktunya.

Ini menimbulkan pertanyaan lain. Bagaimana dan mengapa ruang melengkung? Einstein muncul dengan teori bahwa massa membengkokkan ruang-waktu. Digambarkan dalam persamaan yang mungkin paling elegan, dikenal sebagai Persamaan Lapangan.

Persamaan Lapangan Einstein

Beginilah Relativitas Umum lahir dan telah melewati setiap tes hingga saat ini. Einstein mendefinisikan ulang gravitasi dengan benar, yang, di sepanjang sejarah manusia telah membingungkan para ilmuwan.

Sadarilah, bahwa dalam ruang-waktu yang datar, segala sesuatu tidak akan jatuh, tidak akan ada waktu. Tetapi karena matahari dan bumi, dan segala sesuatu yang lain di alam semesta, ruang-waktu melengkung, memunculkan apa yang kita lihat sebagai gravitasi dan pengalaman sebagai waktu.

Gravitasi bukanlah suatu kekuatan, itu adalah ruang-waktu.