Gelombang gravitasi dan geometri ruang-waktu

Ketika berbicara tentang alam semesta kita, sering kali dikatakan bahwa “materi memberi tahu ruang-waktu cara melengkung, dan ruang-waktu yang melengkung memberi tahu materi cara bergerak”. Inilah inti dari teori relativitas umum Albert Einstein yang terkenal, dan menjelaskan bagaimana planet, bintang, dan galaksi bergerak dan memengaruhi ruang di sekitarnya. Meskipun relativitas umum menangkap banyak hal besar di alam semesta kita, relativitas umum bertentangan dengan hal-hal kecil dalam fisika seperti yang dijelaskan oleh mekanika kuantum.

untuk dia Ph.D. risetSewers Heifer menemukan gravitasi di alam semesta kita, dan penelitiannya mempunyai implikasi terhadap medan gelombang gravitasi yang menarik, dan mungkin mempengaruhi bagaimana fisika besar dan kecil diselaraskan di masa depan.

Lebih dari seratus tahun yang lalu, Albert Einstein merevolusi pemahaman kita tentang gravitasi dengan teori relativitas umum.

“Menurut teori Einstein, gravitasi bukanlah suatu gaya tetapi muncul karena geometri kontinum ruang-waktu empat dimensi, atau disingkat ruang-waktu,” kata Heffer. “Hal ini penting untuk munculnya fenomena menakjubkan di alam semesta kita, seperti gelombang gravitasi.”

Benda-benda besar, seperti Matahari atau galaksi, mendistorsi ruang-waktu di sekitarnya, dan kemudian benda-benda lain bergerak sepanjang jalur yang paling lurus – dikenal sebagai geodesi – melalui ruang-waktu yang melengkung ini.

Namun, karena kelengkungan, geodesi ini tidak lurus sama sekali. Dalam kasus planet-planet di tata surya, misalnya, mereka menggambarkan orbit elips mengelilingi matahari. Dengan cara ini, relativitas umum dengan elegan menjelaskan pergerakan planet serta banyak fenomena gravitasi lainnya, mulai dari situasi sehari-hari hingga lubang hitam dan Big Bang. Oleh karena itu, ia tetap menjadi landasan fisika modern.

Benturan teori

Meskipun relativitas umum menggambarkan serangkaian fenomena astrofisika, relativitas umum bertentangan dengan teori dasar fisika lainnya – mekanika kuantum.

“Mekanika kuantum menunjukkan bahwa partikel (seperti elektron atau muon) ada di berbagai keadaan pada waktu yang sama untuk diukur atau diamati,” kata Heffer. “Setelah diukur, mereka secara acak memilih keadaan karena efek misterius yang disebut sebagai ‘runtuhnya fungsi gelombang’.

Dalam mekanika kuantum, fungsi gelombang adalah ekspresi matematika yang menggambarkan posisi dan keadaan suatu partikel, seperti elektron. Kuadrat fungsi gelombang memunculkan sekumpulan probabilitas tentang keberadaan partikel. Semakin besar kuadrat fungsi gelombang di suatu lokasi, semakin besar kemungkinan partikel tersebut berada di lokasi tersebut setelah diamati.

“Semua materi di alam semesta kita tampaknya mematuhi hukum probabilistik mekanika kuantum yang aneh,” kata Heffer. “Hal yang sama juga berlaku untuk semua gaya alam, kecuali gravitasi. Kontradiksi ini menimbulkan paradoks filosofis dan matematis yang mendalam, dan penyelesaian paradoks ini merupakan salah satu tantangan mendasar dalam fisika fundamental saat ini.”

Apakah ekspansi adalah solusinya?

Salah satu pendekatan untuk menyelesaikan konflik antara relativitas umum dan mekanika kuantum adalah dengan memperluas kerangka matematika melampaui relativitas umum.

Dalam matematika, relativitas umum didasarkan pada geometri pseudo-Riemannian, sebuah bahasa matematika yang mampu menggambarkan sebagian besar bentuk khas ruang-waktu.

“Penemuan terbaru menunjukkan bahwa ruangwaktu di alam semesta kita mungkin berada di luar cakupan geometri pseudo-Riemannian dan hanya dapat dijelaskan oleh geometri Fensler, bahasa matematika yang lebih maju,” kata Heifer.

Persamaan lapangan

Untuk mengeksplorasi kemungkinan gravitasi Fensler, Heffer perlu menganalisis dan memecahkan persamaan medan tertentu.

Fisikawan suka menggambarkan segala sesuatu di alam dalam bentuk bidang. Dalam fisika, medan hanyalah sesuatu yang mempunyai nilai di setiap titik dalam ruang dan waktu.

Contoh sederhananya adalah suhu, misalnya; Pada titik waktu tertentu, setiap titik di ruang angkasa memiliki suhu tertentu yang terkait dengannya.

Contoh yang sedikit lebih rumit adalah medan elektromagnetik. Pada titik waktu tertentu, nilai medan elektromagnetik pada suatu titik di ruang angkasa memberi tahu kita arah dan besarnya gaya elektromagnetik yang akan dialami oleh partikel bermuatan, seperti elektron, jika berada di titik tersebut.

Jika berbicara tentang geometri ruang-waktu itu sendiri, ia juga digambarkan dengan sebuah medan, yaitu medan gravitasi. Nilai medan ini pada suatu titik dalam ruangwaktu menunjukkan kepada kita kelengkungan ruangwaktu pada titik tersebut, dan kelengkungan inilah yang diwujudkan dalam gravitasi.

Heffer beralih ke persamaan medan vakum yang dikembangkan oleh Christian Pfeiffer dan Matthias N. R. Wohlfahrt, yang mengatur medan gravitasi di ruang kosong. Dengan kata lain, persamaan ini menggambarkan kemungkinan bentuk geometri ruangwaktu tanpa adanya materi.

“Untuk perkiraan yang baik, ini mencakup seluruh ruang antarbintang antara bintang dan galaksi, serta ruang kosong di sekitar objek seperti Matahari dan Bumi,” jelas Heffer. “Dengan menganalisis persamaan medan secara cermat, beberapa jenis ruang baru- geometri waktu telah diidentifikasi.”

Konfirmasi gelombang gravitasi

Salah satu penemuan menarik dari karya Heffer melibatkan kelas geometri ruang-waktu yang mewakili gelombang gravitasi, yang merupakan riak dalam struktur ruang-waktu yang merambat dengan kecepatan cahaya dan dapat disebabkan oleh tumbukan bintang neutron atau lubang hitam. Misalnya.

Deteksi langsung gelombang gravitasi yang pertama pada tanggal 14 September 2015 menandai dimulainya era baru dalam astronomi, yang memungkinkan para ilmuwan menjelajahi alam semesta dengan cara yang benar-benar baru.

Sejak itu, banyak pengamatan terhadap gelombang gravitasi telah dilakukan. Penelitian Heffer menunjukkan bahwa semua ini konsisten dengan hipotesis bahwa ruang-waktu kita bersifat Venslerian.

Gores permukaannya

Meskipun hasil Heffer menjanjikan, hasil tersebut hanya menggores permukaan dari implikasi persamaan medan gravitasi Fensler.

“Ini masih merupakan bidang yang masih muda, dan masih banyak penelitian yang dilakukan ke arah ini,” kata Heifer. “Saya optimis bahwa hasil kami akan terbukti efektif dalam memperdalam pemahaman kita tentang gravitasi, dan saya berharap hasil tersebut pada akhirnya akan menjelaskan rekonsiliasi gravitasi dan mekanika kuantum.”