Kerelatifan am

Pengolahan kegravitian

Dalam teori ini, ruang-masa diperlakukan sebagai manifold Lorentz 4 dimensi yang dilengkungi dengan kehadiran jisim, tenaga, dan momentum (atau ketegangan tenaga). Hubunga antara ketegangan tenaga dengan lengkungan ruang-masa dikawal oleh persamaan medan Einstein. Pergerakan objek dipengaruhi oleh geometri ruang-masa (pergerakan inersia) yang berlaku sepanjang laluan khusus yang dipanggil ala-masa dan nol geodesik ruang masa.
Satu daripada pentakrifan kerelatifa am adalah idea yang 'daya' kegravitian digantikan ole geometri. Dalam kerelatifan am, fenomena dalam mekanik klasik termasuklah tindakan daya graviti (seperti jatuh bebas, pergerakan orbital, trajektori kapal angkasa) diambil ke dalam kerelatifan am untuk mewakili pergerakan inersia dalam ruang masa yang melengkung. Jadi, apa yang kita berdiri di atas permukaan Bumi yang dikatakan kesan 'daya graviti' merupaka hasil kita mengalami pecutan fizik berterusan yang disebabkan oleh kerintagan mekanik permukaan yang kita pijak ini.

Matematik kerelatifan am

Disebabkan jangkaan bahawa ruang-masa adalah lengkung, geometri Riemann (sejenis geometri bukan Euclid) harus dipergunakan. Pada dasarnya, ruang-masa tidak mematuhi peraturan-peraturan geometri Euclid yang "akal" tetapi sebaliknya, objek-objek yang mula-mulanya melintasi ruang-masa secara selari (iaitu halaju-halajunya tidak berbeza pada tertib pertama dalam pemisahannya) kemudian bergerak dengan pola yang tidak selari. Kesan ini digelarkan sisihan geodesik, dan dipergunakan oleh kerelatifan am sebagai satu alternatif untuk graviti. Umpamanya, dua orang di atas Bumi yang menuju ke arah utara daripada kedudukan-kedudukan permulaan yang berbeza di khatulistiwa bergerak dalam laluan-laluan yang selari, tetapi di kutub utara, kedua-dua laluan itu akan bersilang-silang. Serupa juga, dua buah bola yang pada mula-mulanya dalam keadaan rehat terhadap dan di atas permukaan Bumi (yang merupakan laluan-laluan selari disebabkan keadaan rehat antara satu sama lain) mempunyai komponen penumpu halaju relatif ketika kedua-dua bola ini memecut ke arah pusat Bumi disebabkan jatuh bebas yang kemudian. (Lagi satu cara untuk melihat fenomena ini adalah untuk melihat bagaimana sebuah bola tunggal yang bergerak dengan pola bak waktu semata-mata yang selari dengan pusat Bumi kemudian bergerak ke arah pusat Bumi melalui gerakan geodesik.)
Keperluan-keperluan matematik kerelatifan am diubah suai lagi oleh prinsip-prinsip yang lain. Ketakvarianan Lorentz tempatan memerlukan bahawa manifold-manifold yang dihuraikan oleh kerelatifan am mengambil bentuk empat dimensi serta Lorentz, dan bukannya bentuk Reiemann. Selain itu, prinsip kovarians am memerlukan bahawa matematiknya diungkapkan melalui kalkulus tensor. Kalkulus tensor membenarkan sesuatu manifold yang dipetakan oleh sistem koordinat dilengkapi dengan tensor metrik ruang-masa yang memerihalkan selang tokokan (ruang-masa) antara koordinat-koordinat supaya kedua-dua gerakan persamaan geodesik dan tensor kelengkungkan ruang-masa dapat ditentukan.

Pecutan koordinat lawan pecutan fizikal

Salah satu sumber kekeliruan yang terbesar mengenai kerelatifan am berasal daripada keperluan untuk membezakan pemecutan-pemecutan koordinat dan fizikal.
Dalam mekanik klasik, pemetaan ruang dengan sistem koordinat Cartes lebih diutamakan. Gerakan inersia kemudian terjadi sekiranya sesiapa melintasi ruang ini pada kadar koordinat yang tekal merujuk terhadap masa. Sebarang perubahan pada kadar janjang ini pasti disebabkan oleh sesuatu daya dan oleh itu, pemecutan fizikal dan pemecutan koordinat adalah sama sahaja dalam mekanik klasik. Adalah penting untuk memerhatikan bahawa dalam kerelatifan khas, jenis sistem koordinat Cartes yang sama juga digunakan, dengan masa ditambahkan sebagai dimensi keempat dan ditakrifkan bagi seorang pemerhati melalui penggunaan kaedah penyegerakan Einstein. Oleh itu, pemecutan fizikal dan koordinat adalah secocok juga dalam kerelatifan khas, walaupun magnitud-magnitudnya mungkin berbeza.
Dalam kerelatifan am, keistimewaan ruang-masa yang rata serta keupayaan untuk memilih sistem koordinat hilang (disebabkan ruang-masa kelengkungan tegasan-tenaga, serta prinsip kovarians am). Oleh itu, pemecutan-pemecutan koordinat dan fizikal akan berbeza. Sebagai contoh, cubalah menggunakan satu sistem koordinat jejari dalam mekanik klasik. Dalam sistem ini, sebuah objek bergerak secara inersia yang melewati (bukan melintasi) titik asal akan kebanyakan kalinya didapati bergerak ke dalam, kemudian secara tangen merujuk terhadap titik asal, dan akhirnya ke luar, walaupun objek itu sebenarnya bergerak pada garis yang lulus. Ini merupakan sebuah contoh untuk objek bergerak secara inersia yang mengalami pemecutan koordinat, dan cara bagaimana pemecutan koordinat ini berubah ketika objek itu bergerak diberikan oleh persamaan-persamaan geodesik untuk manifold dan sistem koordinat yang digunakan.
Lagi sebuah contoh langsung ialah kes bagi seorang yang berdiri di atas Bumi dalam keadaan rehat merujuk terhadap koordinat-koordinat permukaan Bumi (garus lintang, garis bujur, dan aras tinggi), tetapi sedang mengalami pemecutan fizikal yang berterusan disebabkan rintangan mekanik permukaan Bumi yang mengekalkannya daripada jatuh bebas.

Status kini

Kerelatifan am muncul sebagai model kegrativitian dan kosmologi yang sangat berjaya, setakat ini melulusi banyak ujian pemerhatian dan uji kaji yang jelas. Walau bagaimanapun, terdapat petunjuk kuat yang teori ini tidak lengkap. Masalah graviti kuantum dan soal hakikat ketunggalan ruang masa kekal terbuka. Data pemerhatian yang diambil sebagai bukti tenaga gelap dan jirim gelap dapat menandakan keperluan fizik baru. Walaupun diambil seperti begitu, kerelatifan am kaya dengan kebarangkalian untuk penjelajahan jauh. Relativis matematik mencari untuk memahami semula jadi ketunggalan dan sifat asas persamaan Einstein, manakala relativis berangka menjalani simulasi komputer yang semakin berkuasa (seperti yang menghuraikan lohong hitam yang bercantum). Pada bulan Februari 2016, ia diumumkan bahawa kewujudan gelombang graviti dikesan langsung oleh kumpulan LIGO Lanjutan pada 14 September 2015. Seabad selepas memperkenalkannya, kerelatifan am kekal menjadi kawasan penyelidikan yang sangat aktif.

Nota

Dalam kerelatifan am, terma "kegravitian" (bermakna kecenderungan objek besar untuk memecut kepada satu sama lain) digunakan berbanding "graviti" memandangkan graviti melalui takrifnya adalah daya yang menyebabkan kegravitian.