Mengapa Objek Jatuh ke Bumi? - Sains untuk Semua

Lepaskan sebiji epal, dan ia jatuh ke tanah. Perkara ini begitu biasa sehingga mudah dilupakan betapa ia sebenarnya satu persoalan mendalam: mengapa objek tertarik ke arah Bumi, dan bukannya kekal pegun atau bergerak ke arah lain? Sejarah sains memberikan sekurang-kurangnya dua jawapan, pada tahap kedalaman yang berbeza.

Jawapan pertama: graviti sebagai daya tarikan

Isaac Newton pada abad ke-17 mencadangkan bahawa setiap jasad berjisim menarik setiap jasad lain melalui satu daya, graviti, yang kekuatannya berkadar terus dengan hasil darab jisim kedua-dua jasad dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara pusat mereka. Formula ini terbukti sangat berkuasa: ia berjaya menerangkan orbit planet, pasang surut laut, dan lintasan peluru meriam dengan ketepatan luar biasa untuk zamannya, dan masih digunakan secara meluas hari ini untuk kebanyakan tujuan praktikal, daripada mengira orbit satelit hingga membina jambatan.

Nota Istilahgraviti menurut Newton: Dalam rangka kerja Newton, graviti ialah daya tarikan antara dua jasad berjisim, yang kekuatannya berkadar terus dengan hasil darab jisim kedua-dua jasad dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara mereka.

Jawapan kedua: graviti sebagai lengkungan ruang dan masa

Pada awal abad ke-20, Albert Einstein mencadangkan penjelasan yang sama sekali berbeza melalui teori Relativiti Am: jirim dan tenaga melengkungkan ruang dan masa di sekelilingnya, dan apa yang kita alami sebagai "graviti" sebenarnya ialah objek lain bergerak mengikut lengkungan itu (lintasan semula jadi yang disebut geodesik), bukan ditarik oleh sebarang daya jarak jauh. Analogi yang sering digunakan ialah bola berat diletakkan di atas kain elastik yang diregangkan: kain itu melengkung di sekeliling bola, dan objek lebih kecil yang bergolek berdekatan akan mengikut lengkungan itu seolah-olah tertarik ke arah bola tersebut.

Analogi lengkungan ruang-masa: jasad berjisim melengkungkan grid di sekelilingnya, objek lain mengikut lengkungan itu (geodesik).

Had AnalogiAnalogi kain elastik berguna untuk membayangkan lengkungan, tetapi ia mempunyai had: kain itu sendiri bergantung kepada graviti (Bumi menarik bola ke bawah) untuk berfungsi sebagai analogi, sedangkan Relativiti Am menerangkan ruang-masa empat dimensi tanpa bergantung kepada graviti "luar" yang lain. Jangan anggap analogi ini sebagai gambaran literal bagaimana ruang-masa sebenarnya melengkung.

Kedua-dua teori memberikan ramalan yang hampir sama untuk kebanyakan situasi harian, itulah sebabnya fizik Newton kekal berguna dan diajar secara meluas. Perbezaan antara keduanya hanya menjadi ketara dalam keadaan graviti sangat kuat (berhampiran lohong hitam, contohnya) atau apabila diperlukan ketepatan sangat tinggi, seperti dalam sistem GPS satelit, yang perlu membetulkan jamnya termasuk kesan Relativiti Khas dan Relativiti Am supaya kedudukan yang dikira di Bumi tepat.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Bagaimana kita tahu?

Pemerhatian
Orbit planet Utarid menunjukkan sedikit anomali: orientasi bentuk elipsnya (titik terdekat dengan Matahari, perihelion) beransur beranjak dari satu orbit ke orbit seterusnya, iaitu presesi perihelion, pada kadar yang tidak dapat diterangkan sepenuhnya oleh formula graviti Newton, walaupun selepas mengambil kira tarikan planet-planet lain.
Bukti
Pada tahun 1919, satu ekspedisi yang diketuai Arthur Eddington mengukur kedudukan bintang berhampiran Matahari semasa gerhana matahari penuh, dan mendapati cahaya bintang itu terpesong oleh graviti Matahari pada kadar yang lebih hampir kepada ramalan Relativiti Am berbanding ramalan Newtonian yang lebih kecil — walaupun ketepatan penuh ukuran asal ini kemudiannya turut dibincangkan dan diperhalusi oleh penyelidik lain.
Inferens
Kedua-dua pemerhatian ini (presesi Utarid dan pesongan cahaya) menunjukkan graviti Newton, walaupun penghampiran yang sangat berguna dan tepat untuk kebanyakan situasi, tidak merangkumi semua kesan relativistik yang turut wujud dalam alam sebenar.
Model
Relativiti Am memberikan ramalan yang sepadan dengan kedua-dua pemerhatian ini, dan sejak itu telah disahkan berulang kali melalui pelbagai ujian lain, termasuk pengesanan gelombang graviti secara langsung pada 2015 oleh LIGO.
Batasan
Relativiti Am sendiri masih belum berjaya disatukan sepenuhnya dengan mekanik kuantum, rangka kerja yang menerangkan zarah subatom, menjadikan teori graviti kuantum yang lengkap salah satu cabaran terbesar fizik teori masa kini.

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 3

Kenapa fizik Newton masih digunakan secara meluas walaupun Relativiti Am lebih tepat?