Lihat sumber Relativitas umum

{{Relativitas umum|expanded=all}}
[[Berkas:Black Hole Milkyway.jpg|jmpl|260px|Simulasi [[lubang hitam]].]]
'''Relativitas umum''', '''kerelatifan umum''', atau '''kenisbian umum''' ({{lang-en|general relativity}}) juga dikenal sebagai '''teori relativitas umum''' adalah sebuah [[teori]] [[geometri]] mengenai [[gravitasi]] yang diperkenalkan oleh [[Albert Einstein]] pada [[1915]]. Teori ini merupakan penjelasan [[gravitasi]] termutakhir dalam [[fisika]] modern. Ia menyatukan teori Einstein sebelumnya, [[relativitas khusus]], dengan [[hukum gravitasi]] [[Newton]]. Hal ini dilakukan dengan melihat gravitasi bukan sebagai [[gaya]], tetapi lebih sebagai manifestasi dari [[Kelengkungan ruang-waktu|kelengkungan]] [[ruang]] dan [[waktu]]. Utamanya, [[Kelengkungan ruang-waktu|kelengkungan]] ruang waktu berhubungan langsung dengan [[momentum empat]] ([[energi massa]] dan [[momentum]] linear) dari [[materi]] atau [[radiasi]] apa saja yang ada. Hubungan ini digambarkan oleh [[persamaan medan Einstein]].

Banyak prediksi relativitas umum yang berbeda dengan prediksi [[fisika klasik]], utamanya prediksi mengenai berjalannya waktu, geometri ruang, gerak benda pada [[gerak jatuh bebas|jatuh bebas]], dan perambatan [[cahaya]]. Contoh perbedaan ini meliputi [[dilatasi waktu]] gravitasi, [[Pergeseran merah| geseran merah gravitasi]] cahaya, dan [[Shapiro time delay|tunda waktu gravitasi]]. Prediksi-prediksi relativitas umum telah dikonfirmasikan dalam semua [[percobaan]] dan pengamatan fisika. Walaupun relativitas umum bukanlah satu-satunya teori relativistik gravitasi, ia merupakan teori paling sederhana yang konsisten dengan data eksperimen. Namun, masih terdapat banyak pertanyaan yang belum terjawab. Secara mendasar, terdapat pertanyaan bagaimanakah relativitas umum ini dapat digabungkan dengan hukum-hukum [[fisika kuantum]] untuk menciptakan teori [[gravitasi kuantum]] yang lengkap dan swakonsisten.

Teori Einstein memiliki implikasi astrofisika yang penting. Teori ini memprediksikan adanya keberadaan daerah [[lubang hitam]] yang ruang dan waktunya sama sekali tidak terdistorsi, bahkan cahaya pun tidak dapat lolos darinya. Terdapat bukti bahwa [[lubang hitam bintang]] dan jenis-jenis lubang hitam lainnya yang lebih besar bertanggung jawab terhadap [[radiasi]] kuat yang dipancarkan oleh objek-objek astronomi tertentu, seperti [[inti galaksi aktif]] dan [[mikrokuasar]]. Melengkungnya cahaya oleh gravitasi dapat menyebabkan fenomena [[lensa gravitasi|pelensaan gravitasi]]. Relativitas umum juga memprediksikan keberadaan [[gelombang gravitasi]]. Keberadaan gelombang ini telah diukur secara tidak langsung, dan terdapat pula beberapa usaha yang dilakukan untuk mengukurnya secara langsung. Selain itu, relativitas umum adalah dasar dari model kosmologis untuk alam semesta yang terus berkembang.

Relativitas umum menjadi penting ketika kita memandang sebuah sistem dengan [[jari-jari]] jauh lebih kecil daripada massa ataupun massa jauh lebih besar daripada jari-jari. Kasus pertama berlaku pada objek-objek yang mengalami keruntuhan gravitasi seperti [[bintang neutron]] atau sebuah [[lubang hitam]] yang memiliki massa sebanding dengan massa sebuah [[bintang]] (meskipun ada juga lubang hitam yang lebih besar) tetapi dengan radius yang kecil. Kasus kedua berlaku pada [[kosmologi]], yakni jika ruang diisi dengan [[materi]] dengan [[kerapatan]] yang sama dimana-mana, maka jika kita mencuplik ruang tersebut dengan jari-jari yang makin besar dan terus membesar, massa akan bertambah dengan laju yang sebanding dengan ''R''<sup>3</sup>.

== Sejarah ==
{{Main article|Sejarah relativitas umum|Teori gravitasi klasik}}

Segera setelah mempublikasikan teori relativitas khusus tahun 1905, Einstein mulai berpikir bagaimana menggabungkan [[gravitasi]] ke dalam kerangka kerja relativistiknya yang baru. Pada tahun 1907, percobaan sederhana dengan pengamatan jatuh bebas memulai pengamatannya selama 8 tahun berikutnya dalam teori gravitasi relativistik. Setelah berulang kali memperbaiki kesalahan, ia mengumumkan hasil kerjanya ke [[Akademi Sains Prusia]] pada bulan November 1915 dan menjadi apa yang kita kenal sekarang sebagai persamaan medan Einstein. Persamaan ini menunjukkan bagaimana geometri ruang dan waktu dipengaruhi kehadiran materi dan radiasi, dan membentuk inti dari teori relativitas umum Einstein.<ref>{{Harvnb|Pais|1982|loc=ch. 9 to 15}}, {{Harvnb|Janssen|2005}}; an up-to-date collection of current research, including reprints of many of the original articles, is {{Harvnb|Renn|2007}}; an accessible overview can be found in {{Harvnb|Renn|2005|pp=110ff}}. Einstein's original papers are found in [http://einsteinpapers.press.princeton.edu/ Digital Einstein], volumes 4 and 6. An early key article is {{Harvnb|Einstein|1907}}, cf. {{Harvnb|Pais|1982|loc=ch. 9}}. The publication featuring the field equations is {{Harvnb|Einstein|1915}}, cf. {{Harvnb|Pais|1982|loc=ch. 11–15}}</ref>

Persamaan medan Einstein [[nonlinear]] dan sangat sulit diselesaikan. Einstein menggunakan metode pendekatan dalam mengerjakan prediksi awal teori tersebut. Pada tahun 1916, astrofisikawan [[Karl Schwarzschild]] menemukan persamaan eksak untuk persamaan medan Einstein yang kemudian dikenal sebagai [[Metrik Schwarzschild]]. Solusi ini memberikan dasar bagi penjelasan tahap akhir hilangnya gravitasi, dan objek yang kita kenal saat ini sebagai lubang hitam. Pada tahun yang sama, dilakukan langkah untuk menggeneralisasi penyelesaian Schwarzschild terhadap benda bermuatan listrik, yang kemudian dihasilkan [[penyelesaian Reissner–Nordström]], saat ini dihubungkan dengan [[Lubang hitam bermuatan|lubang hitam bermuatan listrik]].<ref>{{Harvnb|Schwarzschild|1916a}}, {{Harvnb|Schwarzschild|1916b}} and {{Harvnb|Reissner|1916}} (later complemented in {{Harvnb|Nordström|1918}})</ref>

== Dari mekanika klasik menuju relativitas umum ==
Relativitas umum dapat dipahami dengan baik dengan mengevaluasi kemiripannya beserta perbedaannya dari [[fisika klasik]]. Langkah pertama adalah realisasi bahwa mekanika klasik dan hukum gravitasi Newton mengizinkan adanya deskripsi geometri. Kombinasi deskripsi ini dengan hukum-hukum relativitas khusus akan membawa kita kepada penurunan heuristik relativitas umum.<ref>The following exposition re-traces that of {{Harvnb|Ehlers|1973|loc=section 1}}.</ref>

=== Geometri gravitasi Newton ===
Dasar dari [[mekanika klasik]] adalah gagasan bahwa gerak benda dapat dideskripsikan sebagai kombinasi gerak bebas (atau gerak inersia) dengan penyimpangan dari gerak bebas ini. Penyimpangan ini disebabkan oleh gaya-gaya luar yang bekerja pada benda sesuai dengan hukum kedua Newton, yang menyatakan bahwa total keseluruhan [[gaya]] yang bekerja pada sebuah benda adalah sama dengan [[massa]] (inersia) benda tersebut dikalikan dengan [[percepatan]]nya.<ref>See, for instance, {{Harvnb|Arnold|1989|loc=chapter 1}}.</ref> Gerak inersia yang dihasilkan berhubungan dengan geometri [[ruang]] dan waktu, yakni dalam standar [[kerangka acuan]] mekanika klasik, benda yang berada dalam keadaan jatuh bebas bergerak searah garis lurus dengan kecepatan konstan. Dalam bahasa fisika modern, lintasan benda bersifat [[geodesik]], yaitu [[garis dunia]] yang lurus dalam [[ruang waktu]].<ref>See {{Harvnb|Ehlers|1973|loc=pp. 5f.}}.</ref>

[[Berkas:Elevator gravity.svg|jmpl|ka|272px|Bola yang jatuh menuju lantai roket yang dipercepat (kiri) dan bola yang jatuh menuju [[Bumi]] (kanan)]]

Sebaliknya, seseorang dapat mengharapkan bahwa seketika berhasil diidentifikasi dengan memantau gerak benda sebenarnya dan mempertimbangkan gaya-gaya luar (seperti gaya [[elektromagnetik]] dan [[gesekan]]), gerak inersia dapat digunakan untuk menentukan geometri ruang dan juga [[waktu]]. Namun, akan terdapat ambiguitas ketika [[gravitasi]] diperhitungkan ke dalamnya. Menurut [[hukum gravitasi Newton]], terdapat apa yang disebut sebagai universalitas jatuh bebas, yaitu bahwa lintasan suatu benda yang jatuh bebas bergantung hanya pada posisi dan kecepatan awalnya, dan bukannya bergantung pada sifat-sifat bahan penyusunnya.<ref>See {{Harvnb|Will|1993|loc=section 2.4}} or {{Harvnb|Will|2006|loc=section 2}}.</ref> Versi yang lebih sederhana dapat dilihat pada percobaan elevator Einstein, yang digambarkan pada gambar di samping. Untuk seorang pengamat dalam ruang tertutup yang kecil, adalah tidak mungkin untuk menentukan apakah ruang itu berada dalam keadaan diam dalam suatu medan gravitasi ataukah ia berada di dalam roket yang dipercepat hanya dengan memetakan lintasan bola jatuh tersebut.<ref>Cf. {{Harvnb|Wheeler|1990|loc=chapter 2}}; similar accounts can be found in most other popular-science books on general relativity.</ref>

Disebabkan oleh universalitas jatuh bebas, tiada perbedaan terpantau yang dapat dipantau antara gerak inersial dengan gerak yang berada di bawah pengaruh gaya gravitasi. Ini kemudian mengarahkan kita pada suatu definisi gerak inersia yang baru, yaitu gerak inersia objek jatuh bebas yang berada di bawah pengaruh gaya gravitasi. Jenis gerak ini juga menentukan geometri ruang dan waktu. Gerak ini adalah gerak [[geodesik]] yang diasosiasikan dengan [[koneksi (matematika)|koneksi]] tertentu yang bergantung pada [[gradien]] [[potensial gravitasi]]. Ruang, dalam konstruksi ini, masih memiliki [[geometri Euklides]] yang seperti biasanya, namun ruang ''waktu'' secara keseluruhan menjadi lebih rumit. Seperti yang dapat ditunjukkan dengan menggunakan eksperimen pemikiran sederhana yang menelusuri lintasan partikel-partikel pengujian yang sedang jatuh bebas, hasil dari pemasukan vektor-vektor ruang waktu yang menandakan kecepatan suatu partikel akan bervariasi sesuai dengan lintasan partikel. Secara matematis, kita katakan bahwa koneksi Newton tidaklah terintegralkan. Dari hal ini, seseorang dapat mendeduksi bahwa [[ruang waktu]] adalah melengkung. Akibatnya adalah perumusan geometri gravitasi Newton yang hanya menggunakan konsep kovarian.<ref>See {{Harvnb|Ehlers|1973|loc=section 1.2}}, {{Harvnb|Havas|1964}}, and {{Harvnb|Künzle|1972}}. Eksperimen pemikiran ini pertama kali dideskripsikan di dalam {{Harvnb|Heckmann|Schücking|1959}}.</ref> Dalam deskripsi geometri ini, [[efek pasang surut]] - yaitu percepatan relatif benda yang jatuh bebas - berhubungan dengan turunan koneksi, menunjukkan bagaiman geometri yang dimodifikasikan ini diakibatkan oleh keberadaan massa.<ref>See {{Harvnb|Ehlers|1973|loc=pp. 10f.}}.</ref>

=== Generalisasi relativistik ===
Geometri gravitasi Newton pada dasarnya didasarkan pada mekanika klasik. Ia hanyalah kasus khusus dari mekanika [[relativitas khusus]].<ref>Good introductions are, in order of increasing presupposed knowledge of mathematics, {{Harvnb|Giulini|2005}}, {{Harvnb|Mermin|2005}}, and {{Harvnb|Rindler|1991}}; for accounts of precision experiments, cf. part IV of {{Harvnb|Ehlers|Lämmerzahl|2006}}</ref> Dalam bahasa [[simetri]]: ketika gravitasi dapat diabaikan, fisika yang berlaku bersifat [[invariansi Lorentz|invarian Lorentz]] pada relativitas khusus daripada [[invariansi Galileo|invarian Galileo]] pada mekanika klasik. Perbedaan antara keduanya menjadi signifikan apabila kecepatan terlibat di dalamnya mendekati [[kecepatan cahaya]] dan berenergi tinggi.<ref>An in-depth comparison between the two symmetry groups can be found in {{Harvnb|Giulini|2006a}}</ref>

[[Berkas:Light cone.svg|jmpl|kiri|[[Kerucut cahaya]]]]
Menggunakan simetri Lorentz, struktur-struktur tambahan mulai berperan penting. Struktur-struktur tambahan ini dijelaskan menggunakan sekumpulan kerucut cahaya. Kerucut cahaya mendefinisikan struktur sebab-akibat: untuk setiap peristiwa A, terdapat sekumpulan peristiwa yang menurut prinsipnya dapat memengaruhi ataupun dipengaruhi oleh A melalui sinyal maupun interaksi yang tidak seperlunya merambat lebih cepat daripada cahaya (misalnya pada peristiwa B pada gambar) beserta sekumpulan peristiwa yang tidak memungkinkan memperngaruhi atau dipengaruhi oleh A (seperti pada peristiwa C pada gambar). Sekumpulan peristiwa ini tak bergantung pada pengamat.<ref>{{Harvnb|Rindler|1991|loc=sec. 22}}, {{Harvnb|Synge|1972|loc=ch. 1 and 2}}</ref> Bersamaan dengan garis dunia partikel jatuh bebas, kerucut cahaya dapat digunakan untuk merekonstruksi metrik semi-Riemann ruang waktu.

Relativitas khusus dideskripsikan tanpa keberadaan percepatan, sehingganya ia hanya cocok dijadikan sebagai model fisika di mana percepatan dapat di abaikan, dalam hal ini percepatan gravitasi. Ketika gravitasi terlibat di dalamnya, dengan berasumsi pada universalitas jatuh bebas, maka tiada [[kerangka inersia]] global apapun. Yang ada adalah kerangka inersia hampiran yang bergerak sepanjang partikel yang jatuh bebas. Menggunakan bahasa ruang waktu: garis lurus bak-waktu yang menentukan kerangka inersial tanpa gravitasi dideformasi menjadi garis yang melengkung relatif terhadap satu sama lainnya, mensugestikan bahwa pemasukan gravitasi memerlukan perubahan pada geometri ruang waktu.<ref>{{Harvnb|Ehlers|1973|loc=sec. 1.4}}, {{Harvnb|Schutz|1985|loc=sec. 5.1}}</ref>

Secara ''a apriori'', tidaklah jelas apakah kerangka lokal baru dalam peristiwa jatuh bebas bertepatan dengan kerangka acuan di mana hukum-hukum relativitas khusus berlaku. Teori relativitas khusus didasarkan pada perambatan cahaya (sehingganya berkaitan dengan [[elektromagnetisme]]) dan dapat memiliki sekumpulan kerangka acuan yang berbeda. Namun menggunakan bermacam-macam asumsi mengenai kerangka relativitas khusus (misalnya dalam keadaan jatuh bebas), kita dapat menurunkan prediksi yang berbeda mengenai [[geseran merah gravitasional]], yakni bagaimana frekuensi cahaya dapat bergeser seiring dengan merambatnya cahaya melalui medan gravitasi. Berdasarkan hasil pengukuran aktual, kerangka acuan jatuh bebas tersebut adalah kerangka yang mana cahaya merambat sebagaimana yang ada dalam teori relativitas khusus.<ref>{{Harvnb|Ehlers|1973|pp=17ff}}; penurunan ini dapat ditemukan di {{Harvnb|Mermin|2005|loc=ch. 12}}.</ref> Generalisasi pernyataan bahwa hukum-hukum relativitas khusus berlaku sebagai pendekatan yang cukup baik dalam kerangka acuan yang sedang jatuh bebas (dan tidak berotasi), dikenal sebagai [[Prinsip Kesetaraan|Prinsip kesetaraan Einstein]]. Prinsip ini sangat krusial dalam pengeneralisasian hukum-hukum fisika relativitas khusus agar gravitasi dapat dilibatkan.<ref>{{Harvnb|Rindler|2001|loc=sec. 1.13}}; {{Harvnb|Wheeler|1990|loc=ch. 2}}; Terdapat beberapa perbedaan antara konsep awal Einstein dengan konesep modern yang digunakan dalam penurunan relativitas umum, lihat {{Harvnb|Norton|1985}}</ref>

Hasil data percobaan yang sama juga menunjukkan bahwa waktu yang diukur oleh jam yang berada dalam medan gravitasi ([[waktu wajar]]) tidak mengikuti hukum-hukum relativitas khusus. Dalam bahasa geometri ruang-waktu, waktu wajar tidak terukur oleh [[metrik Minkowski]]. Dalam skala kecil, semua kerangka acuan yang berada dalam keadaan jatuh bebas adalah setara dan mendekati metrik Minkowski. [[Tensor metrik]] yang menentukan geometri, yakni bagaimana panjang dan sudut ukur, bukanlah metrik Minkowski relativitas khusus, melainkan generalisasi yang dikenal sebagai metrik semi- atau [[pseudo-Riemann]]. Lebih jauh lagi, tiap-tiap metrik Riemann secara alaminya memiliki satu jenis koneksi khusus, yaitu [[koneksi Levi-Civita]]. Koneksi inilah yang memenuhi prinsip kesetaraan dan membuat ruang secara lokal bermetrik Minkowski.<ref>{{Harvnb|Ehlers|1973|loc=sec 1.4}}. Apabila kita memilih koneksi yang berbeda dengan [[tensor torsi|torsi]] bukan nol, akan didapatkan teori yang dikenal sebagai [[teori Einstein-Cartan]].</ref>

== Referensi ==
{{reflist}}

{{wikibooks|Soal-Soal Fisika|Relativitas}}
{{Cabang-fisika}}

{{Authority control}}

[[Kategori:Relativitas]]
[[Kategori:Kosmologi]]
[[Kategori:Teori oleh Albert Einstein]]