Teori Relativitas Umum Einstein Menyingkap Kosmos
Teori Relativitas Umum Einstein Menyingkap Kosmos, Pikiran Albert Einstein menemukan kembali ruang dan waktu, meramalkan alam semesta yang begitu aneh dan megah sehingga menantang batas imajinasi manusia. Ide yang lahir di kantor paten Swiss yang berkembang menjadi teori dewasa di Berlin menghasilkan gambaran baru yang radikal tentang kosmos, yang berakar pada pemahaman baru yang lebih dalam tentang gravitasi.
Di luar adalah gagasan Newton, yang telah berkuasa selama hampir dua abad, tentang massa yang tampaknya saling tarik-menarik. Sebaliknya, Einstein menyajikan ruang dan waktu sebagai kain terpadu yang terdistorsi oleh massa dan energi. Objek melengkungkan kain ruangwaktu seperti beban yang bertumpu pada trampolin, dan kelengkungan kain memandu gerakannya. Dengan wawasan ini, gravitasi dijelaskan.
Einstein mempresentasikan teori relativitas umumnya pada akhir tahun 1915 dalam serangkaian kuliah di Berlin. Tetapi baru setelah gerhana matahari pada tahun 1919 semua orang memperhatikan. Teorinya meramalkan bahwa objek masif – katakanlah, matahari – dapat mengubah ruangwaktu di dekatnya hingga membelokkan cahaya dari jalur garis lurusnya. Bintang-bintang yang jauh akan muncul tidak persis seperti yang diharapkan. Foto-foto yang diambil selama gerhana membuktikan bahwa pergeseran posisi sesuai dengan prediksi Einstein. “Semua lampu miring di langit; orang-orang sains kurang lebih agog, ”kata sebuah tajuk New York Times.
Bahkan satu dekade kemudian, sebuah cerita dalam Science News Letter, pendahulu Science News, menulis tentang “Kerusuhan untuk memahami teori Einstein” (SN: 2/1/30, hal. 79). Rupanya polisi tambahan harus dipanggil untuk mengendalikan kerumunan 4.500 orang yang “mendobrak gerbang besi dan menganiaya satu sama lain” di Museum Sejarah Alam Amerika di New York City untuk mendengar penjelasan tentang relativitas umum.
Pada tahun 1931, fisikawan Albert A. Michelson, orang Amerika pertama yang memenangkan Hadiah Nobel di bidang sains, menyebut teori tersebut sebagai “revolusi dalam pemikiran ilmiah yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam sejarah sains”.
Tetapi untuk semua kekuatan ramalan yang kami puji pada Einstein hari ini, dia adalah seorang peramal yang enggan. Kita sekarang tahu bahwa relativitas umum menawarkan lebih dari yang diinginkan atau mampu dilihat Einstein. “Itu adalah cara yang sangat berbeda dalam memandang alam semesta,” kata astrofisikawan David Spergel dari Institut Flatiron Yayasan Simons di thebigvantheory New York City, “dan itu memiliki beberapa implikasi liar yang tidak ingin diterima oleh Einstein sendiri.” Terlebih lagi, kata Spergel (anggota Dewan Kehormatan Society for Science, penerbit Science News), “aspek paling liar dari relativitas umum ternyata benar.”
Apa yang selama ini menyamar sebagai tempat yang sunyi, statis, dan terbatas justru merupakan arena yang dinamis dan terus berkembang yang diisi dengan kerusuhannya sendiri dari hewan-hewan pembengkok ruang. Galaksi berkumpul dalam superkluster dengan skala yang jauh lebih besar dari apa pun yang dianggap para ahli sebelum abad ke-20. Di dalam galaksi-galaksi itu tidak hanya terdapat bintang dan planet, tetapi juga kebun binatang objek-objek eksotis yang menggambarkan kecenderungan relativitas umum untuk keanehan, termasuk bintang neutron, yang mengemas massa bintang gemuk ke dalam ukuran kota, dan lubang hitam, yang memutarbalikkan ruangwaktu sangat kuat sehingga tidak ada cahaya yang bisa lolos. Dan ketika raksasa ini bertabrakan, mereka mengguncang ruangwaktu, meledakkan energi dalam jumlah yang sangat besar. Kosmos kita penuh kekerasan, berkembang dan penuh dengan kemungkinan seperti fiksi ilmiah yang benar-benar muncul dari relativitas umum.
“Relativitas umum membuka panggung besar hal-hal untuk kita lihat dan coba dan mainkan,” kata astrofisikawan Saul Perlmutter dari University of California, Berkeley. Dia menunjuk pada gagasan bahwa alam semesta berubah secara dramatis selama masa hidupnya – “gagasan seumur hidup tentang alam semesta adalah konsep yang aneh” – dan gagasan bahwa kosmos mengembang, ditambah pemikiran bahwa ia bisa runtuh dan muncul. akhir, dan bahkan mungkin ada alam semesta lain. “Kamu akan menyadari bahwa dunia bisa jadi jauh lebih menarik bahkan dari yang kita pernah bayangkan sebelumnya.”
Gambaran yang meluas
Persamaan relativitas umum Einstein adalah mata air dari mana pandangan kita saat ini tentang kosmos mengalir. Bahwa teori terus memberikan begitu banyak pertanyaan kaya adalah bagian dari apa yang membuatnya “luar biasa,” kata David Spergel, astrofisikawan di Institut Flatiron Yayasan Simons di New York City. Selama abad terakhir, kami telah mendeteksi binatang kosmik yang tidak dapat dibayangkan.
Baca Juga : 10 Teori Ilmiah Paling Revolusioner di Bidang Sains
Kami juga telah mempelajari beberapa fakta penting tentang kosmos kita: Alam semesta mengembang, dan dengan laju yang semakin cepat. Alam semesta dimulai dengan ledakan 13,8 miliar tahun yang lalu. Dan bentuk misterius dari materi dan energi sedang membentuk kosmos dengan cara yang tidak terduga dan sebagian besar tidak diketahui. Baca tentang beberapa pencapaian dalam gambaran kami yang berkembang, termasuk kontribusi Vera Rubin.
Relativitas umum telah menjadi dasar untuk pemahaman kosmos saat ini. Namun gambaran saat ini masih jauh dari lengkap. Masih banyak pertanyaan yang tersisa tentang materi dan gaya misterius, tentang awal dan akhir alam semesta, tentang bagaimana ilmu pengetahuan tentang benda-benda besar terhubung dengan mekanika kuantum, ilmu yang sangat kecil. Beberapa astronom percaya bahwa rute yang menjanjikan untuk menjawab beberapa dari hal-hal yang tidak diketahui itu adalah fitur relativitas umum lainnya yang awalnya kurang dihargai – kekuatan cahaya yang bengkok untuk memperbesar fitur-fitur kosmos.
Ilmuwan saat ini terus mencari dan mendorong relativitas umum untuk menemukan petunjuk tentang apa yang mungkin mereka lewatkan. Relativitas umum sekarang sedang diuji ke tingkat presisi yang sebelumnya tidak mungkin, kata astrofisikawan Priyamvada Natarajan dari Universitas Yale. “Relativitas umum memperluas pandangan kosmik kita, kemudian memberi kita fokus yang lebih tajam pada kosmos, dan kemudian membalik tabel di atasnya dan berkata, ‘sekarang kita bisa mengujinya dengan lebih kuat.’” Pengujian inilah yang mungkin akan mengungkap masalah dengan teori yang mungkin menunjukkan jalan ke gambaran yang lebih lengkap.
Jadi, lebih dari satu abad setelah relativitas umum diluncurkan, ada banyak hal yang perlu diramalkan. Alam semesta mungkin menjadi lebih liar lagi.
Ravenous beasts
Lebih dari satu abad setelah Einstein meluncurkan relativitas umum, para ilmuwan memperoleh konfirmasi visual dari salah satu binatangnya yang paling mengesankan. Pada tahun 2019, jaringan teleskop global mengungkapkan ruangwaktu yang melengkung secara massal dengan semangat sedemikian rupa sehingga tidak ada, bahkan cahaya, yang dapat lolos dari jeratnya. Teleskop Event Horizon merilis gambar pertama lubang hitam, di pusat galaksi M87 (SN: 4/27/19, p. 6).
“Kekuatan sebuah gambar itu kuat,” kata Kazunori Akiyama, seorang astrofisikawan di MIT Haystack Observatory di Westford, Mass., Yang memimpin salah satu tim yang membuat gambar itu. “Saya agak berharap kita bisa melihat sesuatu yang eksotis,” kata Akiyama. Tapi setelah melihat gambar pertama, “Ya Tuhan,” kenangnya berpikir, “itu sangat cocok dengan harapan kita tentang relativitas umum.”
Untuk waktu yang lama, lubang hitam hanyalah keingintahuan matematis belaka. Bukti bahwa mereka benar-benar tinggal di luar angkasa tidak mulai masuk hingga paruh kedua abad ke-20. Itu adalah cerita umum dalam sejarah fisika. Keanehan dalam persamaan beberapa ahli teori menunjuk pada fenomena yang sebelumnya tidak diketahui, yang memulai pencarian bukti. Setelah datanya dapat diperoleh, dan jika fisikawan sedikit beruntung, pencarian memberikan jalan untuk penemuan.
Dalam kasus lubang hitam, fisikawan Jerman Karl Schwarzschild menemukan solusi persamaan Einstein di dekat satu massa bola, seperti planet atau bintang, pada tahun 1916, tak lama setelah Einstein mengusulkan relativitas umum. Matematika Schwarzschild mengungkapkan bagaimana kelengkungan ruang waktu akan berbeda di sekitar bintang dengan massa yang sama tetapi ukurannya semakin kecil – dengan kata lain, bintang yang semakin kompak. Dari matematika muncul batasan seberapa kecil sebuah massa dapat diremas. Kemudian pada tahun 1930-an, J. Robert Oppenheimer dan Hartland Snyder menggambarkan apa yang akan terjadi jika sebuah bintang masif runtuh karena berat gravitasinya sendiri menyusut melewati ukuran kritis itu – sekarang dikenal sebagai “jari-jari Schwarzschild” – mencapai titik dari mana cahayanya tidak pernah bisa menghubungi kami. Namun, Einstein – dan kebanyakan lainnya – meragukan bahwa apa yang sekarang kita sebut lubang hitam masuk akal dalam kenyataan.
Istilah “lubang hitam” pertama kali muncul di media cetak di Science News Letter. Itu dalam cerita tahun 1964 oleh Ann Ewing, yang meliput pertemuan di Cleveland dari Asosiasi Amerika untuk Kemajuan Ilmu Pengetahuan (SN: 1/18/64, hal. 39). Itu juga tentang waktu yang mengisyaratkan yang mendukung realitas lubang hitam mulai masuk.
Hanya beberapa bulan kemudian, Ewing melaporkan penemuan quasar – menggambarkannya dalam Science News Letter sebagai “sumber cahaya dan gelombang radio yang paling jauh, paling terang, paling ganas, terberat dan paling membingungkan” (SN: 8/15/64, hal.106). Meskipun tidak terkait dengan lubang hitam pada saat itu, quasar mengisyaratkan beberapa pembangkit tenaga kosmik yang dibutuhkan untuk menyediakan energi semacam itu. Penggunaan astronomi sinar-X pada tahun 1960-an mengungkapkan fitur-fitur baru kosmos, termasuk suar terang yang bisa datang dari lubang hitam yang membelah bintang pendamping. Dan gerakan bintang dan awan gas di dekat pusat galaksi menunjukkan sesuatu yang sangat padat yang bersembunyi di dalamnya.
Lubang hitam menonjol di antara makhluk kosmik lainnya karena betapa ekstremnya mereka. Yang terbesar adalah milyaran kali massa matahari, dan ketika mereka merobek sebuah bintang, mereka dapat memuntahkan partikel dengan energi 200 triliun elektron volt. Itu kira-kira 30 kali energi proton yang mengelilingi akselerator partikel terbesar dan terkuat di dunia, Large Hadron Collider.
Sebagai bukti yang dibangun pada tahun 1990-an dan hingga saat ini, para ilmuwan menyadari bahwa makhluk besar ini tidak hanya ada, tetapi juga membantu membentuk kosmos. “Objek-objek yang diprediksi relativitas umum ini, yaitu keingintahuan matematis, menjadi nyata, kemudian menjadi marginal. Sekarang mereka menjadi pusat, ”kata Natarajan.
Kita sekarang tahu lubang hitam supermasif berada di pusat sebagian besar, jika tidak semua galaksi, di mana mereka menghasilkan arus keluar energi yang memengaruhi bagaimana dan di mana bintang-bintang terbentuk. “Di pusat galaksi, mereka mendefinisikan segalanya,” katanya.
Baca Juga : Filsafat Kosmologi, Masalah Kritis dalam Filsafat Astronomi dan Kosmologi
Meskipun konfirmasi visualnya baru-baru ini, rasanya lubang hitam telah lama dikenal. Mereka adalah metafora masuk untuk setiap ruang yang tidak diketahui, jurang yang dalam, usaha apa pun yang menghabiskan semua upaya kita sambil memberi sedikit sebagai imbalan.
Lubang hitam yang sebenarnya, tentu saja, telah memberikan banyak hal: jawaban tentang kosmos kita ditambah pertanyaan baru untuk direnungkan, keajaiban dan hiburan bagi para fanatik luar angkasa, album yang hilang dari Weezer, banyak episode Doctor Who, film blockbuster Hollywood, Interstellar.
Bagi fisikawan Nicolas Yunes dari University of Illinois di Urbana-Champaign, lubang hitam dan raksasa kosmik lainnya terus membuat takjub. “Hanya memikirkan dimensi benda-benda ini, seberapa besar, seberapa berat mereka, seberapa padat mereka,” katanya, “itu benar-benar menakjubkan.”