Sejarah kerelatifan am



Penciptaan kerelatifan am

Penyelidikan awal 
Perkembangan kerelatifan am bermula pada tahun 1907 dengan penerbitan makalah Albert Einstein mengenai pemecutan di bawah kerelatifan khas. Dalam makalah itu, beliau memperdebatkan bahawa jatuh bebas sebenarnya ialah gerakan inersia, dan bagi pemerhati yang jatuh bebas, peraturan-peraturan kerelatifan khas harus digunakan. Hujah ini dipanggil prinsip kesetaraan. Dalam makalah yang sama, Einstein juga meramalkan fenomena dilasi masa kegravitian. Pada tahun 1911, Einstein menerbitkan lagi sebuah makalah yang mengembangkan makalahnya pada tahun 1907. Dalam makalah yang baru ini, beliau meramalkan kesan-kesan tambahan seperti pesongan cahaya oleh sebuah jasad berjisim.

Kovarians am dan hujah lohong 
Sejak 1912, Einstein sedang mencari-carikan sebuah teori yang menerangkan kegravitian sebagai satu fenomena geometri. Atas desakan Levi-Civita, Einstein memeriksa penggunaan kovarians am (yang pada dasarnya merupakan penggunaan tensor kelengkungan) untuk mencipta teori kegravitiannya. Bagaimanapun, pada tahun1913, Einstein menghentikan pendekatan itu, dan menghujahkan bahawa itu tidak tekal berdasarkan "hujah lohong". Pada tahun 1914 dan sebahagian besar 1915, beliau cuba mencipta persamaan-persamaan medan berdasarkan pendekatan yang lain. Ketika pendekatan itu terbukti tidak tekal, Enstein balik semula kepada konsep kovarians dan menemui kecacatan dalam hujah lohong.

Perkembangan Persamaan Medan Einstein 
Ketika Einstein menyedari bahawa kovarians am sebenarnya dapat dipertahankan, beliau dengan cepatnya menyelesaikan pengembangan persamaan-persamaan medan yang dinamakan sempena namanya. Bagaimanapun, Einstein membuat satu kesilapan yang kini telah menjadi masyhur. Persamaan-persamaan medan yang beliau terbitkan pada Oktober 1915 ialah seperti berikut:
 
,

dengan  adalah tensor Ricci, dan  adalah tensor tenaga-momentum. Persamaan ini dapat meramalkan liukan perihelion bukan Newton untuk planet Utarid dan oleh itu, menyebabkan Einstein berasa teruja. Bagaimanapun, tidak lama kemudian, persamaan itu didapati tidak tekal dengan keabadian tenaga-momentum setempat, melainkan alam semesta mempunyai ketumpatan jisim-tenaga-momentum yang tetap. Dengan kata yang lain, udara, batu, serta juga vakum kesemuanya harus mempunyai ketumpatan yang sama! Ketaktekalan ini dengan pencerapan menyebabkan Einstein memeriksakan persamaannya semula. Bagaimanapun, penyelesaiannya amat ketara, dan pada November 1915, Einstein menerbitkan persamaan-persamaan medan yang berikut:

,

dengan R adalah skalar Ricci dan  adalah tensor metrik. Dengan penerbitan persamaan-persamaan medan itu, persoalan yang tinggal adalah hanya untuk menyelesaikan persamaan bagi berbagai-bagai kes dan mentafsirkan penyelesaian itu. Kegiatan ini dan penentusahan uji kaji telah mendominasikan penyeledikan kerelatifan am sejak waktu itu.

Einstein dan Hilbert 

Walaupun Einstein telah diberikan penghargaan untuk menemui persamaan-persamaan medan, adalah David Hilbert, seorang ahli matematik Jerman, yang menerbitkan persamaan itu dalam sebuah makalah sebelum penerbitan makalah Einstein. Ini telah menyebabkan tuduhan-tuduhan  penciplakan terhadap Einstein, dan penegasan bahawa persamaan-persamaan medan itu harus dipanggil "Persamaan-persamaan medan Einstein-Hilbert". Bagaimanapun, Hilbert tidak meneruskan tuntutan keutamaannya, dan penyelidikan terkini menunjukkan bahawa Einstein menyerahkan persamaan-persamaan yang betul sebelum Hilbert membetulkan karya sendiri untuk memasukkan persamaan yang betul. Ini menunjukkan bahawa Einstein adalah yang mengembangkan persamaan medan yang betul lebih dahulu, dan Hilbert mungkin dapat tahu tentang perkara itu kemudian selepas berutus-utus surat dengan Einstein.

Penyelesaian

Penyelesaian Schwarzschild 
Oleh sebab persamaan-persamaan medan adalah tak linear, Einstein mengandaikan bahawa persamaan itu tidak dapat diselesaikan. Bagaimanapun pada tahun 1916 Karl Schwarzschild menemui penyelesaian yang tepat untuk kes ruang-masa simetri sfera yang meliputi sebuah objek berjisim dalam koordinat-koordinat sfera. Kini, penyelesaian itu digelarkan sebagai penyelesaian Schwarzschild. Sejaka masa itu, banyak lagi penyelesaian yang tepat telah ditemui.

Alam semesta berkembang dan pemalar kosmologi 
Pada tahun 1922, Alexander Friedmann menemui satu penyelesaian bahawa alam semesta  boleh berkembang atau mengecut. Kemudian, Georges Lemaître menerbitkan penyelesaian untuk sebuah alam semesta yang berkembang. Bagaimanapun, Einstein tidak percaya akan alam semesta yang berkembang dan oleh itu, beliau menambahkan pemalar kosmologi Λ kepada persamaan-persamaan medannya. Persamaan-persamaan medan yang disemak adalah seperti berikut:

.

Ini membenarkan penciptaan penyelesaian-penyelesaian keadaan mantap, tetapi kesemua itu tidak pernah merupakan penyelesaian yang stabil: sisihan yang paling kecil daripada keadaan yang ideal masih akan menyebabkan alam semesta berkembang atau mengecut. Pada tahun 1929, Edwin Hubble memperoleh bukti untuk idea bahawa alam semesta sedang berkembang. Ini menyebabkan Einstein menggugurkan pemalar kosmologinya, dan merujuk kepada perkara ini sebagai "kesilapan yang terbesar dalam kerjaya saya". Seseorang dapat memerhatikan bahawa ketika itu, penambahan pemalar kosmologi merupakan suatu hipotesis ad hoc yang hanya bertujuan untuk menerangkan satu keputusan, iaitu suatu alam semesta yang statik).

Penyelesaian yang lebih tepat 
Kemajuan dalam penyelesaian persamaan-persamaan medan dan pemahaman penyelesaian-penyelesaian itu masih berlangsung. Penyelesaian untuk sebuah objek simetri sfera bercas telah ditemui oleh Reissner, dan kemudiannya oleh Nordström. Kini, penyelesaian itu digelarkan penyelesaian Reissner-Nordstrom. Aspek luhung hitam untuk penyelesaian Schwarzschild juga menimbulkan perbalahan yang hebat, dan Einstein tidak percaya akannya. Bagaimanapun, pada tahun 1957 (dua tahun selepas kematian Einstein pada tahun 1955), Kruskal menerbitkan bukti untuk luhung hitam yang diperlukan dalam Penyelesaian Schwarzschild. Tambahan pula, penyelesaian untuk sebuah objek berjisim yang berputar diperolehi oleh Kerr pada 1960-an dan digelarkan penyelesaian Kerr. Penyelesaian Kerr-Newman untuk sebuah objek berjisim yang bercas dan berputar diterbitkan beberapa tahun kemudian.

Ujian teori 
Liukan perihelion planet Utarid merupakan bukti yang pertama bahawa kerelatifan am adalah betul. Ekspedisi Eddington pada tahun 1919 yang menentusahkan ramalan Einstein terhadap pesongan cahaya oleh matahari mengukuhkan status kerelatifan sebagai sebuah teori yang mungkin benar. Sejak masa itu, banyak pencerapan telah mengesahkan ketepatan kerelatifan am. Ini termasuk kajian-kajian pulsar dedua, pencerapan isyarat radio yang melintasi matahari, dan juga sistem GPS. Untuk maklumat lanjut, sila lihat rencana Ujian untuk kerelatifan am.

Teori-teori alternatif 
Terdapat berbagai-bagai percubaan untuk mengubahsuaikan kerelatifan am sejak penerbitannya. Yang paling masyhur antaranya ialah teori Brans-Dicke (juga dikenali sebagai teori tensor-skalar), dan teori bimetrik Rosen. Kedua-dua teori ini mencadangkan perubahan untuk persamaan-persaman medan, dan kedua-dua ini mengalami kesulitan yang membenarkan kewujudan sinaran kegravitian dwipolar. Oleh itu, teori Rosen yang asal telah disangkal oleh pencerapan pulsar dedua. Bagi teori Brans-Dicke (yang mempunyai satu parameter boleh tala 
ω supaya ω = ∞ adalah sama sahaja dengan kerelatifan am), hasilnya yang boleh amat berbeza dengan kerelatifan am telah menyebabkan teori ini disekat secara hebat oleh pencerapan-pencerapan tersebut. 

Bagaimanapun, kerelatifan am dan mekanik kuantum (sebuah teori yang telah ditentusahkan lebih banyak kali berbanding dengan kerelatifan am) diketahui tidak tekal. Terdapat banyak tekaan bahawa pengubahsuaian untuk kerelatifan am (tetapi bukan untuk mekanik kuantum) pada skala yang terkecil diperlukan disebabkan kerelatifan am masih belum diuji dengan rapi pada skala yang terkecil. Di dalam kem yang lain, terdapat tekaan bahawa mekanik kuantum perlu diubahsuai (umpamanya, mekanik kuantum biasa mengandaikan latar ruang-masa yang tetap dan datar). Kebanyakan penyelidik mempercayai bahawa kedua-dua teori memerlukan pengubahsuaian.

Lihat juga 
 Pertikaian keutamaan mengenai Einstein dan teori-teori kerelatifan

Nota

Rujukan 
 
 Asal-usul siri kerelatifan am
 * Leo Corry, Jürgen Renn, John Stachel: Belated Decision in the Hilbert-Einstein Priority Dispute" ("Keputusan Terlambat dalam Pertikaian Keutamaan Hilbert-Einstein"), SCIENCE, Jilid 278, 14 November1997 - teks rencana
 Respons Friedwart Winterberg terhadap kertas kerja Cory-Renn-Stachel  sebagaimana yang dicetakkan dalam "Zeitschrift für Naturforschung" 59a, 715-719.

 
Sejarah fizik