Apa Penyebab Gravitasi di Bumi?

Kebanyakan orang, berorientasi ilmiah atau sebaliknya, memiliki setidaknya gagasan samar bahwa beberapa kuantitas atau konsep yang disebut "gravitasi" adalah yang membuat objek, termasuk diri mereka sendiri, tertambat ke Bumi. Mereka memahami bahwa ini adalah berkah secara umum, tetapi kurang begitu dalam situasi tertentu – katakanlah, ketika bertengger di cabang pohon dan sedikit tidak yakin bagaimana kembali ke tanah tanpa cedera, atau ketika mencoba membuat rekor pribadi baru dalam acara seperti lompat tinggi atau tiang kubah.

Mungkin sulit untuk menghargai gagasan gravitasi itu sendiri sampai melihat apa yang terjadi ketika pengaruhnya berkurang atau dilenyapkan, seperti saat menonton cuplikan astronot di stasiun luar angkasa yang mengorbit planet jauh dari Bumi permukaan. Dan sebenarnya, fisikawan memiliki sedikit gagasan tentang apa yang pada akhirnya "menyebabkan" gravitasi, lebih dari yang dapat mereka katakan kepada siapa pun dari kita mengapa alam semesta ada sejak awal. Namun, fisikawan telah menghasilkan persamaan yang menggambarkan apa yang dilakukan gravitasi dengan sangat baik, tidak hanya di Bumi tetapi di seluruh kosmos.

Lebih dari 2.000 tahun yang lalu, para pemikir Yunani kuno muncul dengan banyak ide yang sebagian besar bertahan dalam ujian waktu dan bertahan hingga modernitas. Mereka melihat bahwa benda-benda yang jauh seperti planet dan bintang (jarak sebenarnya dari Bumi yang, tentu saja, tidak mungkin dicapai oleh pengamat). mengetahui), pada dasarnya, secara fisik terikat satu sama lain meskipun mungkin tidak memiliki apa pun seperti kabel atau tali yang menghubungkannya bersama. Tanpa teori-teori lain, orang-orang Yunani mengusulkan bahwa pergerakan matahari, bulan, bintang-bintang dan planet-planet didikte oleh keinginan para dewa. (Faktanya, semua planet pada masa itu tahu bahwa dinamai menurut nama dewa.) Meskipun teori ini rapi dan tegas, teori ini tidak dapat diuji, dan karena itu tidak lebih dari sekadar pengganti yang lebih memuaskan dan ketat secara ilmiah penjelasan.

Baru sekitar 300 sampai 400 tahun yang lalu para astronom seperti Tycho Brahe dan Galileo Galilei mengakui bahwa, bertentangan dengan Alkitab. Ajaran tersebut kemudian mendekati usia 15 abad, Bumi dan planet-planet berputar mengelilingi matahari, bukan Bumi yang berada di pusat tata surya. alam semesta. Ini membuka jalan bagi eksplorasi gravitasi seperti yang dipahami saat ini.

Salah satu cara untuk memikirkan gaya tarik gravitasi antar objek, diungkapkan oleh fisikawan teoretis Jacob Bekenstein dalam sebuah karangan untuk CalTech, adalah sebagai "gaya jarak jauh yang dilakukan oleh benda-benda netral secara elektrik satu sama lain karena kandungan materinya." Itu adalah, sementara benda mungkin mengalami gaya sebagai akibat dari perbedaan muatan elektrostatik, gravitasi malah menghasilkan gaya karena massa. Secara teknis, Anda dan komputer, ponsel, atau tablet yang Anda baca ini mengerahkan gaya gravitasi gravitational satu sama lain, tetapi Anda dan perangkat berkemampuan Internet Anda sangat kecil sehingga kekuatan ini hampir tidak terdeteksi. Jelas, untuk objek pada skala planet, bintang, seluruh galaksi dan bahkan gugusan galaksi, itu adalah cerita yang berbeda.

Isaac Newton (1642-1727), dikreditkan sebagai salah satu pemikir matematika paling cemerlang dalam sejarah dan salah satu penemu bidang kalkulus, mengusulkan bahwa gaya gravitasi antara dua benda berbanding lurus dengan produk massa mereka dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara mereka. Ini mengambil bentuk persamaan:

dimana F_berat adalah gaya gravitasi dalam newton, m₁ dan saya₂ adalah massa benda dalam kilogram, r adalah jarak yang memisahkan benda dalam meter dan nilai konstanta proporsionalitas G adalah 6,67 × 10^-11 (N m²)/kg².

Sementara persamaan ini bekerja dengan sangat baik untuk keperluan sehari-hari, nilainya berkurang ketika benda-benda di pertanyaan bersifat relativistik, yaitu, dijelaskan oleh massa dan kecepatan jauh di luar manusia biasa pengalaman. Di sinilah teori gravitasi Einstein masuk.

Pada tahun 1905, Albert Einstein, yang namanya mungkin paling dikenal dalam sejarah sains dan paling identik dengan prestasi tingkat jenius, menerbitkan teori relativitas khususnya. Di antara efek lain yang ada pada tubuh pengetahuan fisika yang ada, itu mempertanyakan asumsi yang dibangun ke dalam teori Newton konsep gravitasi, yaitu bahwa gravitasi pada dasarnya beroperasi secara instan di antara benda-benda terlepas dari luasnya pemisahan. Setelah perhitungan Einstein menetapkan bahwa kecepatan cahaya, 3 × 10⁸ m/s atau sekitar 186.000 mil per detik, menempatkan batas atas pada seberapa cepat sesuatu dapat disebarkan melalui ruang, ide-ide Newton tiba-tiba tampak rentan, setidaknya dalam kasus tertentu. Dengan kata lain, sementara teori gravitasi Newton terus tampil mengagumkan di hampir semua konteks yang bisa dibayangkan, itu jelas bukan deskripsi gravitasi yang benar secara universal.

Einstein menghabiskan 10 tahun berikutnya merumuskan teori lain, yang akan mendamaikan gravitasi dasar Newton Newton kerangka dengan batas atas kecepatan cahaya yang dipaksakan, atau tampaknya dipaksakan, pada semua proses di alam semesta. Hasilnya, yang diperkenalkan Einstein pada tahun 1915, adalah teori relativitas umum. Kemenangan teori ini, yang menjadi dasar dari semua teori gravitasi hingga saat ini, adalah bahwa itu membingkai konsep gravitasi sebagai manifestasi dari kelengkungan ruang-waktu, bukan sebagai gaya per se. Ide ini tidak sepenuhnya baru; matematikawan Georg Bernhard Riemann telah menghasilkan ide-ide terkait pada tahun 1854. Tetapi Einstein telah mengubah teori gravitasi dari sesuatu yang murni berakar pada kekuatan fisik menjadi lebih teori berbasis geometri: Ini mengusulkan dimensi keempat de facto, waktu, untuk menemani tiga dimensi spasial yang sudah akrab.

Salah satu implikasi dari teori relativitas umum Einstein adalah bahwa gravitasi beroperasi secara independen dari massa atau komposisi fisik objek. Artinya, antara lain, sebuah bola meriam dan kelereng yang dijatuhkan dari puncak gedung pencakar langit akan jatuh ke tanah pada pukul kecepatan yang sama, dipercepat ke tingkat yang sama persis oleh gaya gravitasi meskipun yang satu jauh lebih masif daripada yang lain. (Penting untuk dicatat demi kelengkapan bahwa ini secara teknis hanya berlaku dalam ruang hampa, di mana hambatan udara tidak menjadi masalah. Sehelai bulu jelas jatuh lebih lambat daripada peluru, tetapi dalam ruang hampa, ini tidak akan terjadi.) Aspek ide Einstein ini cukup dapat diuji. Tapi bagaimana dengan situasi relativistik?

Pada Juli 2018, tim astronom internasional menyimpulkan studi tentang sistem bintang tiga yang berjarak 4.200 tahun cahaya dari Bumi. Satu tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh cahaya dalam satu tahun (sekitar enam triliun mil), ini berarti para astronom di Bumi mengamati fenomena penyingkapan cahaya yang sebenarnya terjadi pada sekitar 2.200 SM. Sistem yang tidak biasa ini terdiri dari dua bintang kecil yang padat – satu a "pulsar" berputar pada porosnya 366 kali per detik, dan yang lainnya adalah katai putih – mengorbit satu sama lain dengan periode yang sangat singkat yaitu 1,6 hari. Pasangan ini pada gilirannya mengorbit bintang katai putih yang lebih jauh setiap 327 hari. Singkatnya, satu-satunya deskripsi gravitasi yang dapat menjelaskan gerakan ingar-bingar timbal balik dari tiga bintang di sini sistem yang sangat tidak biasa adalah teori relativitas umum Einstein - dan persamaannya, pada kenyataannya, sesuai dengan situasinya sempurna.