Sejarah relativitas umum

Lihat pula: Sejarah relativitas khusus

Relativitas umum adalah teori gravitasi yang dikembangkan oleh Albert Einstein antara tahun 1907 dan 1915, dengan kontribusi oleh banyak ilmuwan lain setelah tahun 1915. Menurut relativitas umum, tarik-menarik gravitasi teramati antar massa merupakan hasil dari distorsi ruang dan waktu oleh massa-massa tersebut.

Sebelum munculnya teori relativitas umum, hukum-hukum Newton tentang gravitasi universal telah diterima selama lebih dari dua ratus tahun sebagai penjelasan yang valid gaya gravitasi antar massa, meskipun Newton sendiri tidak menganggap teori itu sebagai pernyataan akhir sifat gravitasi. Dalam satu abad formulasi Newton, pengamatan astronomi mengungkapkan variasi yang tak dapat dijelaskan antara teori dan pengamatan. Dengan model Newton, gravitasi adalah hasil dari gaya tarik menarik antara benda-benda besar. Meskipun Newton sendiri juga terganggu oleh sifat gaya yang tidak diketahui sifat yang memaksa, kerangka dasarnya sangat baik dalam penggambaran gerak.

Namun, percobaan dan pengamatan menunjukkan bahwa penjelasan Einstein digunakan untuk beberapa efek yang tidak dapat dijelaskan oleh hukum Newton, seperti anomali menit pada orbit Merkurius dan planet-planet lainnya. Relativitas umum juga memprediksi efek novel gravitasi, seperti gelombang gravitasi, lensa gravitasi dan efek gravitasi pada waktu yang dikenal sebagai dilatasi gravitasi waktu. Banyak dari prediksi ini telah dikonfirmasi oleh percobaan atau pengamatan, sementara yang lain adalah subjek dari penelitian yang sedang berlangsung.

Relativitas umum telah berkembang menjadi alat penting dalam astrofisika modern. Ilmu ini memberikan dasar untuk pemahaman lubang hitam, daerah ruang di mana tarikan gravitasi begitu kuat sehingga bahkan cahaya tidak dapat melarikan diri. Gravitasinya yang kuat dianggap menjadi alasan dasar atas radiasi intens yang dipancarkan oleh jenis objek astronomi tertentu (seperti inti galaksi aktif atau microkuasar). Relativitas umum juga merupakan bagian dari kerangka model kosmologi Ledakan Besar.

Munculnya relativitas umum

Investigasi awal

Seperti Einstein kemudian mengatakan, alasan pengembangan relativitas umum adalah preferensi dari gerak inersia dalam relativitas khusus, sedangkan teori mengenai gerak yang ada sebelumnya tidak memuaskan. Jadi, saat masih bekerja di kantor paten pada tahun 1907, Einstein memiliki apa yang ia sebut "pemikiran paling bahagia". Ia menyadari bahwa prinsip relativitas dapat diperluas ke bidang gravitasi.

Akibatnya, pada tahun 1907 (diterbitkan tahun 1908) ia menulis sebuah artikel mengenai akselerasi dalam relativitas khusus. Dalam artikel itu, ia berpendapat bahwa jatuh bebas benar-benar gerak inersia, dan bahwa untuk pengamat yang jatuh bebas, aturan relativitas khusus harus diaplikasikan. Argumen ini disebut prinsip Kesetaraan. Dalam artikel yang sama, Einstein juga meramalkan fenomena dilatasi waktu gravitasi.

Pada tahun 1911, Einstein menerbitkan artikel lain yang mengembangkan artikel tahun 1907. Dalam artikel tersebut, ia memikirkan mengenai kasus boks dipercepat tidak dalam medan gravitasi, dan mencatat bahwa itu tidak bisa dibedakan dari sebuah kotak yang diam duduk masih tidak berubah medan gravitasi. Ia menggunakan relativitas khusus untuk melihat bahwa tingkat jam di atas sebuah kotak mempercepat ke atas akan lebih cepat daripada tingkat jam di bagian bawah. Ia menyimpulkan bahwa harga dari jam tergantung pada posisi mereka dalam medan gravitasi, dan bahwa perbedaan dalam tingkat sebanding dengan potensial gravitasi untuk pendekatan pertama.

Pembelokan cahaya oleh benda masif juga telah diprediksi. Meskipun dengan pendekatan kasar, itu memungkinnya untuk menghitung bahwa lendutan yang terjadi bukan nol. Astronom Jerman Erwin Finlay-Freundlich mempublikasikan tantangan Einstein ke ilmuwan di seluruh dunia. Hal ini mendesak para astronom untuk mendeteksi pembelokan cahaya selama gerhana matahari dan memberikan Einstein keyakinan bahwa teori gravitasi skalar yang dikemukakan oleh Gunnar Nordström salah. Tapi nilai aktual defleksi yang dihitung terlalu kecil karena pendekatan yang ia gunakan tidak bekerja dengan baik untuk hal-hal yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Ketika Einstein menyelesaikan teori relativitas umum sepenuhnya, ia memperbaiki kesalahan ini dan memprediksi benar jumlah pembelokan cahaya oleh matahari.

Eksperimen lain dari Einstein yang terkenal mengenai sifat dari medan gravitasi adalah diska berputar (sebuah varian dari paradoks Ehrenfest). Dia membayangkan seorang pengamat melakukan eksperimen pada meja putar berputar. Dia mencatat bahwa seorang pengamat akan menemukan nilai konstanta π yang berbeda daripada yang diperkirakan oleh geometri Euclidean. Alasannya adalah jari-jari lingkaran dapat diukur dengan penggaris tak berkontraksi, tetapi menurut relativitas khusus, keliling akan tampak lebih panjang karena penggaris akan berkontraksi. Karena Einstein percaya bahwa hukum-hukum fisika bersifat lokal, dijelaskan oleh medan lokal, ia menyimpulkan dari hal ini bahwa ruang-waktu bisa melengkung lokal. Hal ini menyebabkan dia untuk belajar geometri Riemann dan merumuskan relativitas umum dalam bahasa ini.