Pengantar
Dalam fisika Newtonian, ruang dan waktu memiliki identitas independen mereka sendiri, dan tidak ada yang pernah mencampuradukkannya. Dengan teori relativitas, yang disatukan pada awal abad ke-20, pembicaraan tentang ruang-waktu menjadi hampir tak terhindarkan. Dalam relativitas, tidak lagi benar bahwa ruang dan waktu memiliki makna objektif yang terpisah. Apa yang benar-benar ada adalah ruang-waktu, dan mengirisnya menjadi ruang dan waktu hanyalah konvensi manusia yang berguna.
Salah satu alasan utama mengapa relativitas memiliki reputasi sulit untuk dipahami adalah bahwa intuisi kita melatih kita untuk memikirkan ruang dan waktu sebagai hal yang terpisah. Kami mengalami objek yang memiliki luas di "ruang", dan itu tampak seperti fakta yang cukup objektif. Pada akhirnya itu cukup bagi kita karena kita umumnya melakukan perjalanan melalui ruang dengan kecepatan yang jauh lebih rendah daripada kecepatan cahaya, jadi fisika pra-relativistik bekerja.
Tetapi ketidaksesuaian antara intuisi dan teori ini membuat lompatan ke perspektif ruang-waktu agak menakutkan. Lebih buruk lagi, presentasi relativitas sering kali mengambil pendekatan dari bawah ke atas — mereka memulai dengan konsepsi ruang dan waktu kita sehari-hari dan mengubahnya dalam konteks relativitas yang baru.
Kita akan menjadi sedikit berbeda. Rute kita menuju relativitas khusus mungkin dianggap sebagai top-down, menganggap serius gagasan ruang-waktu terpadu sejak awal dan melihat apa yang tersirat di dalamnya. Kita harus meregangkan otak kita sedikit, tetapi hasilnya akan menjadi pemahaman yang jauh lebih dalam tentang perspektif relativistik di alam semesta kita.
Perkembangan relativitas biasanya dikaitkan dengan Albert Einstein, tetapi ia menyediakan batu penjuru untuk bangunan teoretis yang telah dibangun sejak James Clerk Maxwell menyatukan listrik dan magnet menjadi satu teori elektromagnetisme pada tahun 1860-an. Teori Maxwell menjelaskan apa itu cahaya—gelombang berosilasi dalam medan elektromagnetik—dan tampaknya memiliki arti khusus pada kecepatan perjalanan cahaya. Gagasan tentang medan yang ada dengan sendirinya tidak sepenuhnya intuitif bagi para ilmuwan pada saat itu, dan wajar untuk bertanya-tanya apa yang sebenarnya "melambai" dalam gelombang cahaya.
Berbagai fisikawan menyelidiki kemungkinan bahwa cahaya merambat melalui media yang mereka sebut luminiferous ether. Tetapi tidak ada yang bisa menemukan bukti untuk eter semacam itu, jadi mereka terpaksa menemukan alasan yang semakin rumit mengapa zat ini tidak terdeteksi. Kontribusi Einstein pada tahun 1905 adalah untuk menunjukkan bahwa eter telah menjadi sama sekali tidak diperlukan, dan bahwa kita dapat lebih memahami hukum fisika tanpanya. Yang harus kami lakukan hanyalah menerima konsepsi ruang dan waktu yang sama sekali baru. (Oke, itu banyak, tapi ternyata sangat berharga.)
Teori Einstein kemudian dikenal sebagai teori relativitas khusus, atau hanya relativitas khusus. Dalam makalah dasarnya, “Tentang Elektrodinamika Benda Bergerak, ” dia berpendapat untuk cara berpikir baru tentang panjang dan durasi. Dia menjelaskan peran khusus kecepatan cahaya dengan menyatakan bahwa ada batas kecepatan absolut di alam semesta — kecepatan di mana cahaya kebetulan bergerak ketika bergerak melalui ruang kosong — dan bahwa setiap orang akan mengukur kecepatan itu menjadi sama, tidak peduli bagaimana mereka bergerak. Untuk membuatnya berhasil, dia harus mengubah gagasan konvensional kita tentang waktu dan ruang.
Tapi dia tidak melangkah lebih jauh dengan menganjurkan penggabungan ruang dan waktu menjadi satu kesatuan ruang-waktu. Langkah itu diserahkan kepada mantan profesor universitasnya, Hermann Minkowski, pada awal abad ke-20. Arena relativitas khusus sekarang dikenal sebagai ruang-waktu Minkowski.
Setelah Anda memiliki gagasan untuk memikirkan ruang-waktu sebagai rangkaian kesatuan empat dimensi, Anda dapat mulai mengajukan pertanyaan tentang bentuknya. Apakah ruang-waktu datar atau melengkung, statis atau dinamis, terbatas atau tak terbatas? Ruang-waktu Minkowski itu datar, statis, dan tak terbatas.
Einstein bekerja selama satu dekade untuk memahami bagaimana gaya gravitasi dapat dimasukkan ke dalam teorinya. Terobosan terakhirnya adalah menyadari bahwa ruang-waktu bisa dinamis dan melengkung, dan bahwa efek dari lengkungan itu adalah apa yang Anda dan saya alami sebagai "gravitasi." Buah dari inspirasi ini adalah apa yang sekarang kita sebut relativitas umum.
Jadi relativitas khusus adalah teori ruang-waktu yang tetap dan datar, tanpa gravitasi; relativitas umum adalah teori ruang-waktu dinamis, di mana kelengkungan menimbulkan gravitasi. Keduanya dianggap sebagai teori "klasik" meskipun mereka menggantikan beberapa prinsip mekanika Newton. Bagi fisikawan, klasik tidak berarti "non-relativistik"; itu berarti "non-kuantum." Semua prinsip fisika klasik sepenuhnya utuh dalam konteks relativistik.
Kita harus rela melepaskan kesukaan pra-relativitas kita akan keterpisahan ruang dan waktu, dan membiarkannya larut ke dalam arena kesatuan ruang-waktu. Cara terbaik untuk mencapainya adalah dengan berpikir lebih hati-hati tentang apa yang kita maksud dengan "waktu". Dan cara terbaik untuk melakukannya adalah dengan mengingat kembali, sekali lagi, bagaimana kita berpikir tentang ruang.
Pertimbangkan dua lokasi di luar angkasa, seperti rumah Anda dan restoran favorit Anda. Berapakah jarak antara mereka?
Yah, itu tergantung, Anda langsung berpikir. Ada jarak “seperti burung gagak terbang”, jika kita dapat membayangkan mengambil jalur garis lurus sempurna antara dua titik. Tetapi ada juga jarak yang akan Anda tempuh dalam perjalanan dunia nyata, di mana mungkin Anda dibatasi untuk mengambil jalan umum dan trotoar, menghindari bangunan dan rintangan lain di sepanjang jalan. Rute yang Anda ambil akan selalu lebih panjang daripada jarak saat burung gagak terbang, karena garis lurus adalah jarak terpendek antara dua titik.
Sekarang perhatikan dua peristiwa dalam ruang-waktu. Dalam jargon teknis teori relativitas, "peristiwa" hanyalah satu titik di alam semesta, yang ditentukan oleh lokasi di ruang dan waktu. Satu peristiwa, sebut saja A, mungkin “di rumah jam 6 sore,” dan peristiwa B mungkin “di restoran jam 7 malam” Simpan dua peristiwa ini dalam pikiran Anda, dan pikirkan tentang perjalanan antara A dan B. Anda tidak bisa terburu-buru untuk sampai ke B lebih cepat; jika Anda tiba di restoran pukul 6:45, Anda harus duduk-duduk dan menunggu sampai jam 7 malam untuk mencapai acara di ruang-waktu yang kami beri label B.
Sekarang kita dapat bertanya pada diri sendiri, seperti yang kita lakukan untuk jarak spasial antara rumah dan restoran, berapa banyak waktu yang berlalu antara dua peristiwa ini.
Anda mungkin berpikir ini adalah pertanyaan jebakan. Jika satu acara pada jam 6 sore dan yang lainnya pada jam 7 malam, ada satu jam di antara mereka, bukan?
Tidak secepat itu, kata Einstein. Dalam konsepsi Newtonian kuno tentang dunia, tentu saja. Waktu adalah mutlak dan universal, dan jika waktu antara dua peristiwa adalah satu jam, hanya itu yang bisa dikatakan.
Relativitas menceritakan kisah yang berbeda. Sekarang ada dua pengertian berbeda tentang apa yang dimaksud dengan "waktu." Salah satu pengertian waktu adalah sebagai koordinat ruang-waktu. Ruang-waktu adalah kontinum empat dimensi, dan jika kita ingin menentukan lokasi di dalamnya, lebih mudah untuk melampirkan nomor yang disebut "waktu" ke setiap titik di dalamnya. Itu umumnya apa yang ada dalam pikiran kita ketika kita memikirkan "6 sore" dan "7 malam" Itu adalah nilai koordinat pada ruang-waktu, label yang membantu kita menemukan peristiwa. Semua orang seharusnya mengerti apa yang kami maksud ketika kami mengatakan "bertemu di restoran jam 7 malam"
Tetapi, kata relativitas, sama seperti jarak saat burung gagak terbang umumnya berbeda dari jarak yang sebenarnya Anda tempuh antara dua titik di ruang angkasa, durasi waktu yang Anda alami umumnya tidak akan sama dengan waktu koordinat universal. Anda mengalami sejumlah waktu yang dapat diukur dengan jam yang Anda bawa dalam perjalanan. Ini adalah waktu yang tepat di sepanjang jalan. Dan durasi yang diukur dengan jam, seperti jarak yang ditempuh yang diukur dengan odometer pada mobil Anda, akan bergantung pada jalur yang Anda ambil.
Itulah salah satu aspek dari apa artinya mengatakan bahwa "waktu itu relatif." Kita dapat memikirkan baik tentang waktu bersama dalam hal koordinat ruang-waktu dan tentang waktu pribadi yang kita alami secara individu di sepanjang jalan kita. Dan waktu seperti ruang — kedua gagasan itu tidak perlu bertepatan. (Seperti yang telah ditunjukkan oleh sejarawan Peter Galison, bukanlah suatu kebetulan bahwa Einstein bekerja di kantor paten Swiss pada saat perjalanan kereta cepat memaksa orang Eropa untuk memikirkan jam berapa sekarang di kota-kota lain di seluruh benua, sehingga bangunan lebih baik jam menjadi perbatasan teknologi yang penting.)
Namun, pasti ada beberapa cara di mana waktu tidak seperti ruang, jika tidak, kita hanya akan berbicara tentang ruang empat dimensi, daripada memilih waktu sebagai yang pantas diberi label sendiri. Dan kita tidak memikirkan panah waktu di sini — untuk saat ini, kita berada di dunia sederhana dengan sedikit bagian yang bergerak, di mana entropi dan ireversibilitas bukanlah hal yang harus kita khawatirkan.
Perbedaannya adalah ini: Di ruang angkasa, garis lurus menggambarkan jarak terpendek antara dua titik. Dalam ruang-waktu, sebaliknya, jalur lurus menghasilkan waktu terlama antara dua peristiwa. Pergantian dari jarak terpendek ke waktu terlama itulah yang membedakan waktu dari ruang.
Dengan "jalur lurus" dalam ruang-waktu, yang kami maksud adalah garis lurus di ruang angkasa dan kecepatan perjalanan yang konstan. Dengan kata lain, lintasan inersia, lintasan tanpa percepatan. Perbaiki dua peristiwa dalam ruang-waktu — dua lokasi dalam ruang dan momen yang sesuai dalam waktu. Seorang musafir dapat melakukan perjalanan di antara mereka dalam garis lurus dengan kecepatan konstan (berapa pun kecepatan yang diperlukan agar mereka tiba pada waktu yang tepat), atau mereka dapat meluncur bolak-balik di jalur non-inersia. Rute bolak-balik akan selalu melibatkan lebih banyak jarak spasial, tetapi waktu berlalu yang kurang tepat, daripada versi lurus.
Mengapa seperti itu? Karena fisika mengatakan demikian. Atau, jika Anda lebih suka, karena begitulah alam semesta. Mungkin kita pada akhirnya akan mengungkap beberapa alasan yang lebih dalam mengapa harus seperti ini, tetapi dalam pengetahuan kita saat ini, itu adalah salah satu asumsi dasar yang menjadi dasar kita membangun fisika, bukan kesimpulan yang kita peroleh dari prinsip-prinsip yang lebih dalam. Garis lurus di ruang angkasa adalah jarak terpendek yang mungkin; jalur lurus dalam ruang-waktu adalah waktu terpanjang mungkin.
Mungkin tampak berlawanan dengan intuisi bahwa jalur dengan jarak yang lebih jauh membutuhkan waktu yang kurang tepat. Tidak apa-apa. Jika itu intuitif, Anda tidak perlu menjadi Einstein untuk memunculkan ide itu.
Diadaptasi dari Ide Terbesar di Alam Semesta oleh Sean Carroll, dengan izin dari Dutton, sebuah jejak dari Penguin Publishing Group, sebuah divisi dari Penguin Random House LLC. Hak Cipta © 2022 oleh Sean Carroll.
