Pengantar relativitas umum
Relativitas umum adalah teori dari gravitasi yang dikembangkan oleh Albert Einstein antara tahun 1907 dan 1915. Menurut relativitas umum, efek gravitasi teramati antara beberapa massa merupakan hasil dari pembengkokan mereka dari ruang-waktu.
Pada awal abad ke-20, hukum-hukum Newton tentang gravitasi universal telah diterima selama lebih dari dua ratus tahun sebagai penjelasan valid dari gaya gravitasi antar massa. Dalam model Newton, gravitasi adalah hasil dari kekuatan tarik antara benda-benda besar. Meskipun bahkan Newton bermasalah dengan sifat alami gaya tersebut yang tidak diketahui, kerangka dasar ini sangat sukses dalam menggambarkan gerak.
Percobaan dan pengamatan menunjukkan bahwa deskripsi Einstein mengenai gravitasi memperhitungan beberapa efek yang tidak dapat dijelaskan oleh hukum Newton, seperti anomali menit dalam orbit dari 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 waktu gravitasi. Banyak dari prediksi ini telah dikonfirmasi oleh percobaan atau pengamatan, yang paling baru adalah gelombang gravitasi.
Relativitas umum telah berkembang menjadi alat penting dalam astrofisika modern. Teori ini memberikan dasar untuk pemahaman lubang hitam, daerah ruang di mana efek gravitasi begitu kuat sehingga bahkan cahaya tidak dapat lolos. Gravitasi yang begitu kuat dianggap menjadi penyebab atas radiasi intensi yang dipancarkan oleh beberapa tipe objek astronomi (seperti inti galaksi aktif atau mikrokuasar). Relativitas umum juga merupakan bagian dari kerangka standar model kosmologi Ledakan Dahsyat.
Meskipun relativitas umum bukan hanya teori relativistik satu-satunya, teori ini adalah teori paling sederhana yang konsisten dengan data eksperimen. Namun demikian, sejumlah pertanyaan tetap terbuka, yang paling mendasar adalah bagaimana relativitas umum dapat digabungkan dengan hukum fisika kuantum untuk menghasilkan teori gravitasi kuantum yang lengkap dan konsisten.
Pada bulan September 1905, Albert Einstein menerbitkan teorinya mengenai relativitas khusus, yang menggabungkan hukum Newton tentang gerak dengan elektrodinamika (interaksi antara benda dengan muatan listrik). Relativitas khusus memperkenalkan kerangka kerja baru untuk ilmu fisika dengan mengusulkan konsep-konsep baru tentang ruang dan waktu. Beberapa teori fisika yang kemudian diterima inkonsisten dengan kerangka itu; contohnya adalah teori Newton tentang gravitasi, yang menggambarkan saling tarik yang dialami oleh tubuh karena massa mereka.
Beberapa fisikawan, termasuk Einstein, mencari sebuah teori yang dapat menggabungkan hukum gravitasi Newton dan relativitas khusus. Hanya teori Einstein terbukti konsisten dengan eksperimen dan pengamatan. Untuk memahami ide-ide dasar teori, maka mengikuti pikiran Einstein antara 1907 dan 1915, dari yang eksperimen pemikiran sederhana yang melibatkan pengamat jatuh bebas ke teori gravitasi geometriknya.
Seseorang dalam elevator yang jatuh bebas akan mengalami kehilangan bobot; benda melayang tak bergerak atau melayang pada kecepatan konstan. Karena segala sesuatu di lift jatuh bersama-sama, tidak ada efek gravitasi dapat diamati. Dengan cara ini, pengalaman dari seorang pengamat yang jatuh bebas tidak dapat dibedakan dari orang-orang dari pengamat di luar angkasa, jauh dari sumber gravitasi yang signifikan. Pengamat tersebut adalah yang diistimewakan ("inersia") yang dijelaskan Einstein dalam teorinya relativitas khusus: pengamat untuk siapa cahaya bergerak sepanjang garis lurus dengan kecepatan konstan.
Secara kasar, prinsip ini menyatakan bahwa seseorang dalam lift yang jatuh bebas tidak bisa mengatakan bahwa mereka sedang jatuh bebas. Setiap percobaan dalam keadaan lingkungan jatuh bebas memiliki hasil yang sama seperti pengamat pada saat diam atau bergerak di angkasa secara seragam, jauh dari semua sumber gravitasi.
Sebagian besar efek gravitasi hilang pada jatuh bebas, tetapi efek yang terlihat sama seperti gravitasi tersebut dapat "diproduksi" oleh kerangka acuan yang dipercepat. Seorang pengamat di sebuah ruangan tertutup tidak bisa mengatakan yang mana dari berikut ini benar:
Sebaliknya, efek teramati pada kerangka acuan yang dipercepat juga harus diamati dalam medan gravitasi dengan kekuatan yang setara. Prinsip ini memungkinkan Einstein untuk memprediksi beberapa efek novel gravitasi pada tahun 1907, seperti yang dijelaskan dalam bagian berikutnya.