Diagram kelengkungan ruang-waktu yang kuat di dekat cakrawala peristiwa lubang hitam. Semakin dekat Anda dengan benda masif, semakin banyak ruang yang melengkung. Akibatnya, Anda menemukan diri Anda berada di tempat yang bahkan cahaya pun tidak bisa lepas: di dalam cakrawala peristiwa.
Kebanyakan orang, memikirkan tentang Semesta, membayangkan objek material yang terletak pada jarak kosmik yang sangat jauh satu sama lain. Di bawah pengaruh gravitasinya sendiri, materi runtuh, membentuk struktur kosmik seperti galaksi. Awan gas, runtuh, memunculkan bintang dan planet. Bintang memancarkan cahaya dengan membakar bahan bakar dalam reaksi fusi nuklir. Cahaya ini bergerak ke seluruh alam semesta, menerangi segala sesuatu yang datang. Namun, alam semesta bukan hanya tentang objek-objek di dalamnya. Ada juga struktur ruang-waktu, yang bermain dengan aturannya sendiri - dengan aturan teori relativitas umum (GR). Kain ruang-waktu melengkung di hadapan materi dan energi, sedangkan kelengkungan kain ruang-waktu menentukan bagaimana materi dan energi bergerak. Tapi apa, khususnya, ruang-waktu adalah sesuatu yang "nyata",atau hanya alat hitung? Pembaca bertanya kepada kami tentang ini:
Apa sebenarnya ruangwaktu itu? Apakah itu nyata seperti atom, atau apakah itu konstruksi matematika yang digunakan untuk menggambarkan bagaimana massa "menghasilkan" gravitasi?
Pertanyaan bagus, dan topiknya cukup sulit untuk dipikirkan. Terlebih lagi, sebelum kemunculan Einstein, pemahaman kita tentang alam semesta sangat berbeda dengan yang sekarang. Mari kita kembali ke masa lalu Alam Semesta yang jauh, ketika kita belum memiliki konsep ruang-waktu, dan kita akan terus maju hingga saat ini.
Pada semua skala, dari makroskopis hingga subatom, ukuran partikel fundamental memainkan peran kecil dalam menentukan ukuran akhir struktur komposit. Apakah bahan penyusun materi ini benar-benar partikel titik fundamental masih belum diketahui. Namun, kami memahami struktur Alam Semesta dari skala kosmik raksasa hingga skala subatomik yang sangat kecil. Misalnya, tubuh manusia mengandung sekitar 1.028 atom.
Pada tingkat fundamental, kami telah lama menduga bahwa jika Anda mengambil benda apa pun di Semesta dan mulai membaginya menjadi bagian-bagian komponen yang lebih kecil dan lebih kecil, Anda akhirnya dapat mencapai sesuatu yang tak terpisahkan. Kata “atom” secara harfiah berarti “tak terpisahkan,” dari bahasa Yunani ἄτομος. Penyebutan pertama ide ini terjadi 2400 tahun yang lalu, di Democritus... Namun, kemungkinan besar ide tersebut telah ditemukan lebih awal. Entitas tak terpisahkan seperti itu benar-benar ada - mereka dikenal sebagai partikel kuantum. Terlepas dari kenyataan bahwa kita telah menyebut unsur-unsur atom tabel periodik, partikel subatomik - kuark, gluon dan elektron (serta partikel-partikel yang tidak ada dalam atom sama sekali) benar-benar tidak dapat dibagi.
Semua kuanta ini mengikat bersama dan membentuk semua struktur penyusun Alam Semesta yang kita kenal sekarang - dari proton dan atom hingga molekul dan manusia. Dan semua kuanta ini, terlepas dari jenisnya - materi atau antimateri, apakah mereka bermassa atau tidak, fundamental atau komposit, subatomik atau kosmik - ada dalam kerangka Semesta yang sama seperti kita.
Jika Anda mengetahui semua aturan yang mengatur pergerakan suatu benda dalam ruang-waktu, serta kondisi awal dan semua gaya yang bekerja antara benda dan bagian sistem lainnya, Anda dapat memprediksi bagaimana benda itu akan bergerak melalui ruang dan waktu. Tetapi lokasi suatu objek tidak dapat ditentukan secara tepat tanpa menambahkan yang temporal ke koordinat spasial.
Dan ini penting, karena jika Anda ingin semua hal di alam semesta melakukan sesuatu satu sama lain - berinteraksi, terhubung, membentuk struktur, mentransfer energi - Anda perlu memiliki cara untuk melakukannya. Bayangkan sebuah drama yang semua karakternya ditulis, para aktornya siap memainkannya, kostumnya disiapkan, semua dialognya ditulis dan dipelajari. Satu-satunya hal yang hilang adalah hal yang sangat penting - pemandangannya.
Apa peran adegan dalam fisika?
Sebelum Einstein muncul, panggung telah disiapkan oleh Newton. Semua "aktor" Alam Semesta dapat digambarkan dengan serangkaian koordinat - lokasi di ruang tiga dimensi dan momen dalam waktu. Itu seperti kisi Cartesian - struktur tiga dimensi dengan sumbu x, y, dan z, di mana setiap benda dapat memiliki impuls yang menggambarkan bagaimana ia bergerak melalui ruang sebagai fungsi waktu. Waktu sendiri dianggap linier, berjalan dengan kecepatan konstan. Dalam pandangan Newton, ruang dan waktu adalah mutlak.
Kita sering menganggap ruang sebagai kisi tiga dimensi, meskipun ini adalah penyederhanaan yang berlebihan yang bergantung pada kerangka acuan. Faktanya, ruang-waktu melengkung di hadapan materi dan energi, dan jarak di dalamnya tidak tetap, tetapi berubah dengan perluasan atau kontraksi alam semesta.
Namun, penemuan radioaktivitas pada akhir abad ke-19 menimbulkan keraguan atas gambaran Newton tentang dunia. Mempelajari bahwa atom dapat memancarkan partikel subatom yang bergerak dengan kecepatan cahaya, kami menyadari sesuatu yang menakjubkan: ketika sebuah partikel bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya, ia merasakan ruang dan waktu dengan cara yang sama sekali berbeda dari benda yang bergerak lambat atau pada kecepatan cahaya. beristirahat.
Partikel tidak stabil, yang membusuk dengan sangat cepat saat diam, hidup lebih lama, semakin dekat kecepatannya dengan kecepatan cahaya. Partikel-partikel ini menempuh jarak yang lebih jauh dari yang seharusnya, berdasarkan kecepatan dan masa hidupnya. Dan ketika mencoba menghitung energi atau momentum partikel yang bergerak, pengamat yang berbeda (bergerak dengan kecepatan yang berbeda relatif terhadapnya) menerima nilai yang tidak bersamaan.
Ternyata ada yang salah dengan konsep ruang-waktu Newton. Pada kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya, waktu memanjang, jarak berkontraksi, dan energi serta momentum bergantung pada kerangka acuan. Artinya, persepsi Anda tentang alam semesta bergantung pada cara Anda bergerak.
Sebuah jam cahaya, di mana proton dipantulkan dari dua cermin, dapat menghitung waktu untuk setiap pengamat. Dan meskipun kedua pengamat mungkin tidak setuju tentang berapa lama waktu berlalu antara dua momen, mereka dapat menyetujui hukum fisika dan konstanta alam semesta, khususnya kecepatan cahaya. Untuk pengamat yang tidak bergerak, waktu berjalan seperti biasa, dan untuk orang yang bergerak cepat, jam akan berjalan lebih lambat daripada pengamat yang diam.
Einstein bertanggung jawab atas terobosan luar biasa dalam konsep realitas, yang menggambarkan kuantitas mana yang tidak berubah saat pengamat bergerak, dan mana yang bergantung pada kerangka acuan. Misalnya, kecepatan cahaya untuk semua pengamat sama, seperti massa diam dari sejumlah materi. Namun jarak antara dua titik sangat bergantung pada pergerakan Anda di sepanjang garis yang menghubungkannya. Kecepatan berjalan arloji Anda juga bergantung pada gerakan Anda.
Ruang dan waktu ternyata tidak mutlak, seperti yang dipikirkan Newton, dan dipersepsikan oleh pengamat yang berbeda dengan cara yang berbeda. Mereka ternyata relatif, itulah sebabnya teori ini disebut "teori relativitas". Selain itu, ada hubungan yang pasti antara persepsi ruang dan waktu oleh pengamat tertentu. Beberapa tahun setelah publikasi Einstein tentang teori relativitas khusus (STR), teori ini diturunkan oleh mantan profesornya Hermann Minkowski. Dia menyimpulkan struktur matematika tunggal yang mencakup ruang dan waktu: ruang-waktu. Seperti yang ditulisnya sendiri,
Mulai sekarang, waktu itu sendiri dan ruang dengan sendirinya menjadi fiksi kosong, dan hanya kesatuan mereka yang memiliki peluang untuk kenyataan.
Saat ini ruangwaktu ini masih digunakan secara luas, jika gravitasi dapat diabaikan: Ruang Minkowski .
Kerucut cahaya, permukaan tiga dimensi yang terdiri dari semua kemungkinan sinar cahaya yang datang dan pergi dari satu titik ruang-waktu. Semakin banyak Anda melewati ruang angkasa, semakin sedikit Anda melewatkan waktu, dan sebaliknya. Hari ini, Anda hanya dapat dipengaruhi oleh apa yang ada di kerucut cahaya di masa lalu. Di masa depan, Anda hanya akan dapat melihat hal-hal yang terkandung dalam kerucut cahaya masa depan Anda. Ini adalah ilustrasi ruang Minkowski datar, bukan ruang relativitas umum yang melengkung.
Tapi ada gravitasi di alam semesta nyata. Gaya ini tidak langsung bekerja melintasi hamparan angkasa yang sangat luas. Ini merambat dengan kecepatan yang sama seperti semua quanta tak bermassa: dengan kecepatan cahaya. Semua aturan yang dirumuskan dalam SRT tetap dapat diterapkan, tetapi untuk memasukkan gravitasi dalam gambar, diperlukan sesuatu yang lebih: gagasan tentang keberadaan ruang-waktu kelengkungannya sendiri, tergantung pada keberadaan materi dan energi di dalamnya.
Di satu sisi, sederhana: jika Anda menempatkan aktor di atas panggung, panggung harus mampu menopang bobot mereka. Jika aktornya besar dan adegannya tidak kasar secara sempurna, itu akan berubah bentuk jika kehadiran mereka.
Fenomena yang sama terjadi pada ruang-waktu: kehadiran materi dan energi membelokkannya, dan lengkungan ini memengaruhi jarak (ruang) dan kecepatan jam (waktu). Apalagi, pengaruh ini ternyata agak kompleks. Jika kita menghitung pengaruh materi dan energi pada ruang-waktu, maka efek spasial dan temporal terkait. Garis kisi tiga dimensi, yang kami wakili dalam SRT, melengkung dalam GRT.
Munculnya massa dalam kisi tiga dimensi yang kosong menyebabkan garis-garisnya melengkung dengan cara tertentu. Mereka tampaknya ditarik ke arah massa.
Ruang-waktu dapat dianggap sebagai alat komputasi murni, dan berhenti di situ. Dalam matematika, bahkan ruangwaktu dapat dijelaskan dengan tensor metrik. Formalisme ini memungkinkan Anda menghitung, seperti bidang, garis, busur, jarak, dll. bisa ada di dalamnya dengan cara tertentu yang dijelaskan dengan tepat. Ruang dapat berbentuk datar atau melengkung sewenang-wenang, terbatas atau tidak terbatas, terbuka atau tertutup, dan terdiri dari sejumlah dimensi. Dalam relativitas umum, tensor metrik adalah empat dimensi (dengan tiga dimensi spasial dan satu waktu), dan kelengkungan ruang-waktu ditentukan oleh materi, energi, dan tegangan internalnya.
Sederhananya, kelengkungan ruang waktu ditentukan oleh isi alam semesta. Dan kemudian Anda dapat mengambil kelengkungan ruangwaktu dan memprediksi bagaimana materi dan energi akan bergerak dan berubah seiring waktu. Aturan relativitas umum memungkinkan kita untuk memprediksi bagaimana materi, cahaya, antimateri, neutrino, dan bahkan gelombang gravitasi akan bergerak melalui alam semesta. Semua prediksi ini sangat sesuai dengan pengamatan dan pengukuran kami.
Sinyal dari peristiwa GW190521 terkait dengan kemunculan gelombang gravitasi, direkam oleh tiga detektor. Durasi sinyal sekitar 13 ms, tetapi ini mewakili energi yang setara untuk mengubah 8 massa matahari menjadi energi murni melalui persamaan Einstein E = mc 2 .
Yang tidak kami ukur adalah ruang-waktu itu sendiri. Kita dapat mengukur jarak dan interval waktu - tetapi ini semua adalah penginderaan tidak langsung dari ruangwaktu yang mendasarinya. Kita dapat mengukur segala sesuatu yang berinteraksi dengan kita - tubuh, instrumen, detektor - namun, interaksi hanya terjadi ketika ada dua objek pada titik yang sama dalam ruang-waktu, ketika sebuah "peristiwa" terdaftar saat mereka bertemu.
Kita bisa mengukur semua efek lengkung ruangwaktu terhadap materi dan energi alam semesta, yaitu:
- Pergeseran merah radiasi yang dihasilkan oleh perluasan Semesta;
- Pembengkokan cahaya karena adanya massa di latar depan;
- Masuknya kerangka acuan inersia dengan adanya benda yang berputar;
- - , ;
- , , ;
Dan juga banyak pengaruh lainnya. Namun, dari fakta bahwa kita hanya dapat mengukur efek ruang-waktu pada materi dan energi Semesta, tetapi tidak ruang-waktu itu sendiri, maka ruang-waktu berperilaku dengan cara yang tidak dapat dibedakan dari alat kalkulasi sederhana.
Gravitasi kuantum mencoba menggabungkan relativitas umum Einstein dengan mekanika kuantum. Koreksi kuantum untuk gravitasi klasik ditunjukkan dalam bentuk diagram lingkaran, seperti yang ditunjukkan pada gambar berwarna putih. Jika Model Standar diperluas untuk memasukkan gravitasi, kesimetrian yang menggambarkan CPT (simetri Lorentz) hanya bisa menjadi perkiraan, dan pelanggarannya mungkin muncul. Namun, sejauh ini tidak ada pelanggaran serupa yang diamati dalam eksperimen.
Tetapi ini tidak berarti bahwa ruang-waktu bukanlah entitas fisik yang nyata. Dengan mengamati para aktor yang memainkan sebuah drama, Anda memiliki hak untuk menyebut tempat di mana drama tersebut berlangsung, sebuah "panggung", baik itu lapangan, platform, tanah kosong, dll. Bahkan jika lakon dilakukan dalam ruang tanpa bobot, Anda dapat dengan mudah memperhatikan bahwa kerangka acuan yang jatuh bebas digunakan sebagai pemandangan.
Di alam semesta fisik, sejauh yang kita ketahui, keberadaan objek dan interaksi di antara mereka tidak mungkin terjadi tanpa ruang-waktu. Di mana ada ruang-waktu, hukum fisika bekerja, dan ada medan kuantum fundamental yang mendasari segalanya. Dalam arti tertentu, "tidak ada" adalah ruang-waktu hampa, dan berbicara tentang apa yang terjadi tanpa adanya ruang-waktu tidak masuk akal - setidaknya dari sudut pandang fisika. Tidak masuk akal untuk membicarakan “dimana”, yang berada di luar batas ruang, dan “kapan”, yang berada di luar batas waktu. Mungkin sesuatu seperti itu ada, tetapi kami tidak memiliki konsep fisik tentang entitas ini.
Animasi interaksi ruang-waktu dengan massa yang bergerak melewatinya. Terlihat dari situ bahwa ruang-waktu bukan hanya sejenis kain. Semua ruang tiga dimensi melengkung dengan adanya massa dan energi. Beberapa massa yang berputar mengelilingi satu sama lain menghasilkan gelombang gravitasi.
Hal yang paling menarik adalah kita masih memiliki banyak pertanyaan yang belum terjawab tentang sifat ruang-waktu. Apakah ruang dan waktu kuantum dan diskrit, terbagi menjadi wilayah yang tak terlihat, atau apakah mereka berkelanjutan? Apakah gravitasi adalah interaksi kuantum, seperti semua gaya lain yang diketahui, atau apakah itu jaringan klasik berkelanjutan yang membentang hingga ke skala Planck?? Jika ruang-waktu berbeda dari apa yang dikatakan relativitas umum kepada kita, lalu bagaimana tepatnya, dan bagaimana kita dapat mendeteksinya?
Tetapi, terlepas dari segala sesuatu yang memungkinkan ruang-waktu untuk kita prediksi dan ketahui, itu bukanlah entitas nyata yang sama dengan atom. Dalam beberapa hal, tidak mungkin untuk "mendeteksi" ruang-waktu secara langsung - Anda hanya dapat mendeteksi kuanta materi dan energi individu yang ada di ruang-waktu Anda. Kami mendeskripsikan ruang-waktu dalam bentuk relativitas umum Einstein, dan itu berhasil memprediksi serta menjelaskan semua fenomena fisik yang pernah kami temukan dan ukur. Namun, pertanyaan tentang apa itu, dan apakah itu nyata atau tidak, tetap terbuka untuk sains modern.