[BUKU BAHASA INDONESIA] A BRIEF HISTORY OF TIME - STEPHEN HAWKING

BAB 5 : PARTIKEL ELEMENTER DAN GAYA-GAYA ALAM

Aristoteles meyakini bahwa seluruh materi di alam semesta tersusun atas empat unsur dasar—tanah, udara, api, dan air. Unsur-unsur ini dipengaruhi oleh dua gaya: gravitasi, yakni kecenderungan tanah dan air untuk tenggelam, dan levitas, yakni kecenderungan udara dan api untuk naik. Pembagian isi alam semesta ke dalam materi dan gaya ini masih digunakan hingga kini.

Aristoteles percaya bahwa materi bersifat kontinu, yakni bahwa seseorang dapat membagi sepotong materi menjadi bagian-bagian yang semakin kecil tanpa batas; tidak pernah akan ditemukan butiran materi yang tidak dapat dibagi lagi. Namun beberapa orang Yunani, seperti Demokritos, berpendapat bahwa materi pada hakikatnya berbentuk butiran dan bahwa segala sesuatu tersusun atas sejumlah besar atom dengan berbagai jenis. (Kata atom dalam bahasa Yunani berarti “tak terbagi”.)

Selama berabad-abad perdebatan ini berlangsung tanpa bukti nyata dari kedua pihak, tetapi pada tahun 1803 ahli kimia dan fisikawan Inggris John Dalton menunjukkan bahwa kenyataan bahwa senyawa kimia selalu bergabung dalam perbandingan tertentu dapat dijelaskan melalui pengelompokan atom-atom untuk membentuk satuan yang disebut molekul. Namun demikian, perdebatan antara kedua mazhab pemikiran ini baru benar-benar diputuskan berpihak pada kaum atomis pada awal abad ini. Salah satu bukti fisik penting diberikan oleh Einstein. Dalam makalah yang ditulisnya pada tahun 1905, beberapa minggu sebelum makalah terkenalnya tentang relativitas khusus, Einstein menunjukkan bahwa apa yang disebut gerak Brown—gerakan tak teratur dan acak dari partikel-partikel debu kecil yang tersuspensi dalam cairan—dapat dijelaskan sebagai akibat tumbukan atom-atom cairan dengan partikel debu tersebut.

Pada saat itu telah muncul kecurigaan bahwa atom-atom tersebut ternyata tidak benar-benar tak terbagi. Beberapa tahun sebelumnya, seorang anggota Trinity College, Cambridge, J. J. Thomson, telah menunjukkan keberadaan suatu partikel materi yang disebut elektron, yang massanya kurang dari seperseribu massa atom paling ringan. Ia menggunakan suatu perangkat yang menyerupai tabung gambar televisi modern: filamen logam yang dipanaskan hingga merah memancarkan elektron, dan karena elektron bermuatan listrik negatif, medan listrik dapat digunakan untuk mempercepatnya menuju layar yang dilapisi fosfor. Ketika elektron-elektron itu menumbuk layar, kilatan cahaya pun dihasilkan.

Segera disadari bahwa elektron-elektron ini pasti berasal dari dalam atom itu sendiri, dan pada tahun 1911 fisikawan Selandia Baru Ernest Rutherford akhirnya menunjukkan bahwa atom-atom materi memang memiliki struktur internal: atom tersusun atas inti yang sangat kecil dan bermuatan positif, di sekelilingnya sejumlah elektron mengorbit. Ia menyimpulkan hal ini dengan menganalisis cara partikel alfa—partikel bermuatan positif yang dipancarkan oleh atom radioaktif—dibelokkan ketika bertumbukan dengan atom.

Pada awalnya diperkirakan bahwa inti atom tersusun atas elektron dan sejumlah partikel bermuatan positif yang disebut proton, dari kata Yunani yang berarti “pertama,” karena diyakini sebagai satuan dasar pembentuk materi. Namun pada tahun 1932, rekan Rutherford di Cambridge, James Chadwick, menemukan bahwa inti mengandung partikel lain yang disebut neutron, yang massanya hampir sama dengan proton tetapi tidak memiliki muatan listrik. Chadwick menerima Hadiah Nobel atas penemuannya dan terpilih sebagai Master Gonville and Caius College, Cambridge (kolej tempat saya kini menjadi anggota). Ia kemudian mengundurkan diri dari jabatan Master karena perselisihan dengan para Fellow. Telah terjadi pertikaian sengit di kolej tersebut sejak sekelompok Fellow muda yang kembali setelah perang memilih mencopot banyak Fellow lama dari jabatan yang telah lama mereka pegang. Hal ini terjadi sebelum masa saya; saya bergabung dengan kolej pada tahun 1965 pada penghujung masa kepahitan itu, ketika perselisihan serupa memaksa Master peraih Nobel lainnya, Sir Nevill Mott, untuk mengundurkan diri.

Hingga sekitar tiga puluh tahun yang lalu, proton dan neutron dianggap sebagai partikel “elementer”, tetapi eksperimen di mana proton ditumbukkan dengan proton lain atau dengan elektron pada kecepatan tinggi menunjukkan bahwa keduanya sebenarnya tersusun atas partikel yang lebih kecil. Partikel-partikel ini dinamai quark oleh fisikawan Caltech Murray Gell-Mann, yang menerima Hadiah Nobel pada tahun 1969 atas karyanya. Asal-usul nama tersebut berasal dari kutipan enigmatik karya James Joyce: “Three quarks for Muster Mark!” Kata quark seharusnya diucapkan seperti quart, tetapi dengan huruf k di akhir menggantikan t, meskipun biasanya diucapkan berima dengan lark.

Terdapat sejumlah jenis quark yang berbeda: ada enam “rasa,” yang kita sebut up, down, strange, charmed, bottom, dan top. Tiga rasa pertama telah dikenal sejak tahun 1960-an, tetapi quark charmed baru ditemukan pada tahun 1974, bottom pada tahun 1977, dan top pada tahun 1995. Setiap rasa hadir dalam tiga “warna,” yakni merah, hijau, dan biru. (Perlu ditekankan bahwa istilah-istilah ini hanyalah label: quark jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya tampak sehingga tidak memiliki warna dalam pengertian biasa. Hanya saja fisikawan modern tampaknya memiliki cara yang lebih imajinatif dalam menamai partikel dan fenomena baru—mereka tidak lagi membatasi diri pada bahasa Yunani!)

Distributor pusat penjualan segala alat listrik tenaga surya. Toko online jual listrik tenaga matahari. Produsen Produk solar sel murah.www.tokosolarcell.net . daftar Paket harga penjualan listrik tenaga matahari

Sebuah proton atau neutron tersusun atas tiga quark, masing-masing satu dari setiap warna. Proton mengandung dua quark up dan satu quark down; neutron mengandung dua quark down dan satu quark up. Kita dapat menciptakan partikel yang tersusun dari quark lainnya (strange, charmed, bottom, dan top), tetapi semuanya memiliki massa jauh lebih besar dan meluruh sangat cepat menjadi proton dan neutron.

Kini kita mengetahui bahwa baik atom maupun proton dan neutron di dalamnya tidaklah tak terbagi. Maka pertanyaannya adalah: apakah partikel elementer sejati, blok bangunan dasar dari segala sesuatu? Karena panjang gelombang cahaya jauh lebih besar daripada ukuran atom, kita tidak dapat berharap untuk “melihat” bagian-bagian atom dengan cara biasa. Kita memerlukan sesuatu dengan panjang gelombang yang jauh lebih kecil. Seperti telah kita lihat pada bab sebelumnya, mekanika kuantum menyatakan bahwa semua partikel pada hakikatnya adalah gelombang, dan semakin tinggi energi suatu partikel, semakin kecil panjang gelombang dari gelombang yang bersesuaian.

Dengan demikian, jawaban terbaik yang dapat kita berikan atas pertanyaan ini bergantung pada seberapa tinggi energi partikel yang kita miliki, karena hal itu menentukan pada skala panjang sekecil apa kita dapat mengamati. Energi partikel ini biasanya diukur dalam satuan yang disebut elektron volt. (Dalam eksperimen Thomson dengan elektron, kita melihat bahwa ia menggunakan medan listrik untuk mempercepat elektron. Energi yang diperoleh elektron dari medan listrik satu volt disebut satu elektron volt.)

Pada abad kesembilan belas, ketika satu-satunya energi partikel yang diketahui dan dapat digunakan hanyalah energi rendah beberapa elektron volt yang dihasilkan oleh reaksi kimia seperti pembakaran, atom dianggap sebagai satuan terkecil. Dalam eksperimen Rutherford, partikel alfa memiliki energi jutaan elektron volt. Baru-baru ini, kita telah belajar menggunakan medan elektromagnetik untuk memberi partikel energi mula-mula jutaan, kemudian ribuan juta elektron volt. Dengan demikian kita mengetahui bahwa partikel-partikel yang dianggap “elementer” tiga puluh tahun yang lalu sebenarnya tersusun atas partikel yang lebih kecil.

Mungkinkah, ketika kita mencapai energi yang lebih tinggi lagi, partikel-partikel ini pada gilirannya akan ditemukan tersusun atas partikel yang lebih kecil lagi? Hal ini tentu saja mungkin, tetapi kita memiliki beberapa alasan teoretis untuk percaya bahwa kita telah, atau sangat dekat dengan, pengetahuan tentang blok bangunan terakhir alam.

Dengan menggunakan dualitas gelombang/partikel yang dibahas pada bab sebelumnya, segala sesuatu di alam semesta, termasuk cahaya dan gravitasi, dapat dijelaskan dalam kerangka partikel. Partikel-partikel ini memiliki suatu sifat yang disebut spin. Salah satu cara untuk membayangkan spin adalah dengan menganggap partikel sebagai gasing kecil yang berputar pada suatu sumbu. Namun gambaran ini dapat menyesatkan, karena mekanika kuantum menyatakan bahwa partikel tidak memiliki sumbu yang terdefinisi dengan baik. Yang sesungguhnya dinyatakan oleh spin suatu partikel adalah bagaimana partikel itu tampak dari berbagai arah.

Partikel dengan spin 0 seperti titik: ia tampak sama dari setiap arah. Sebaliknya, partikel dengan spin 1 seperti panah: ia tampak berbeda dari arah yang berbeda. Hanya jika diputar satu putaran penuh (360 derajat) partikel itu tampak sama kembali. Partikel dengan spin 2 seperti panah berkepala dua: ia tampak sama jika diputar setengah putaran (180 derajat). Demikian pula, partikel dengan spin yang lebih tinggi tampak sama jika diputar melalui pecahan yang lebih kecil dari satu putaran penuh.

Semua ini tampak cukup sederhana, tetapi fakta yang mencengangkan adalah bahwa ada partikel yang tidak tampak sama jika diputar hanya satu putaran penuh: Anda harus memutarnya melalui dua putaran penuh! Partikel semacam itu dikatakan memiliki spin ½.