[BUKU BAHASA INDONESIA] A BRIEF HISTORY OF TIME - STEPHEN HAWKING
Semua partikel yang dikenal di alam semesta dapat dibagi menjadi dua kelompok: partikel dengan spin ½, yang membentuk materi di alam semesta, dan partikel dengan spin 0, 1, dan 2, yang, seperti akan kita lihat, menimbulkan gaya-gaya di antara partikel-partikel materi.
Partikel-partikel materi mematuhi apa yang disebut prinsip larangan Pauli. Prinsip ini ditemukan pada tahun 1925 oleh fisikawan Austria, Wolfgang Pauli—yang karenanya menerima Hadiah Nobel pada tahun 1945. Ia merupakan arketipe fisikawan teoretis: konon dikatakan bahwa bahkan kehadirannya di kota yang sama sudah cukup untuk membuat eksperimen menjadi gagal! Prinsip larangan Pauli menyatakan bahwa dua partikel yang serupa tidak dapat berada dalam keadaan yang sama; artinya, keduanya tidak dapat memiliki posisi dan kecepatan yang sama sekaligus, dalam batas-batas yang ditentukan oleh prinsip ketidakpastian.
Prinsip larangan ini sangatlah penting karena menjelaskan mengapa partikel-partikel materi tidak runtuh ke dalam keadaan dengan kerapatan yang sangat tinggi di bawah pengaruh gaya-gaya yang dihasilkan oleh partikel spin 0, 1, dan 2: jika partikel-partikel materi memiliki posisi yang hampir sama, mereka harus memiliki kecepatan yang berbeda, yang berarti mereka tidak akan tetap berada pada posisi yang sama untuk waktu yang lama. Seandainya dunia diciptakan tanpa prinsip larangan, quark tidak akan membentuk proton dan neutron yang terpisah dan terdefinisi dengan jelas. Demikian pula, bersama elektron, mereka tidak akan membentuk atom-atom yang terpisah dan terdefinisi dengan jelas. Semuanya akan runtuh membentuk “sup” padat yang kurang lebih seragam.
Pemahaman yang tepat mengenai elektron dan partikel-partikel spin ½ lainnya baru diperoleh pada tahun 1928, ketika sebuah teori diajukan oleh Paul Dirac, yang kemudian terpilih menduduki Lucasian Professorship of Mathematics di Cambridge (jabatan yang pernah dipegang oleh Newton dan kini saya pegang). Teori Dirac merupakan teori pertama yang konsisten baik dengan mekanika kuantum maupun teori relativitas khusus. Teori ini menjelaskan secara matematis mengapa elektron memiliki spin ½; yakni, mengapa ia tidak tampak sama jika diputar satu putaran penuh, tetapi tampak sama jika diputar dua putaran penuh.
Teori tersebut juga meramalkan bahwa elektron harus memiliki pasangan: anti-elektron, atau positron. Penemuan positron pada tahun 1932 mengukuhkan teori Dirac dan membuatnya dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1933. Kini kita mengetahui bahwa setiap partikel memiliki antipartikel, yang dengannya ia dapat saling memusnahkan. (Dalam hal partikel pembawa gaya, antipartikelnya sama dengan partikel itu sendiri.) Mungkin saja terdapat seluruh anti-dunia dan anti-manusia yang tersusun dari antipartikel. Namun, jika Anda bertemu dengan anti-diri Anda, jangan berjabat tangan! Kalian berdua akan lenyap dalam kilatan cahaya yang dahsyat.
Pertanyaan mengenai mengapa tampaknya terdapat jauh lebih banyak partikel daripada antipartikel di sekitar kita sangatlah penting, dan saya akan kembali membahasnya nanti dalam bab ini.
Dalam mekanika kuantum, gaya atau interaksi di antara partikel-partikel materi dianggap dibawa oleh partikel-partikel dengan spin bilangan bulat—0, 1, atau 2. Yang terjadi adalah sebuah partikel materi, seperti elektron atau quark, memancarkan partikel pembawa gaya. Tolakan balik dari pancaran ini mengubah kecepatan partikel materi tersebut. Partikel pembawa gaya itu kemudian bertumbukan dengan partikel materi lain dan diserap. Tumbukan ini mengubah kecepatan partikel kedua, seolah-olah terdapat gaya antara kedua partikel materi tersebut.
Sifat penting partikel pembawa gaya adalah bahwa mereka tidak mematuhi prinsip larangan. Ini berarti tidak ada batas jumlah partikel yang dapat dipertukarkan, sehingga mereka dapat menimbulkan gaya yang kuat. Namun, jika partikel pembawa gaya memiliki massa besar, akan sulit untuk menghasilkan dan mempertukarkannya pada jarak jauh. Maka gaya yang dibawanya hanya akan memiliki jangkauan pendek. Sebaliknya, jika partikel pembawa gaya tidak memiliki massa, gaya tersebut akan berjangkauan jauh.
Partikel pembawa gaya yang dipertukarkan di antara partikel materi disebut partikel virtual karena, tidak seperti partikel “nyata”, mereka tidak dapat dideteksi secara langsung oleh detektor partikel. Namun kita mengetahui keberadaan mereka karena mereka menimbulkan efek yang dapat diukur: mereka menghasilkan gaya di antara partikel-partikel materi. Partikel dengan spin 0, 1, atau 2 juga dapat ada sebagai partikel nyata dalam keadaan tertentu, ketika mereka dapat dideteksi secara langsung. Dalam hal ini, mereka tampak bagi kita sebagai apa yang oleh fisikawan klasik disebut gelombang, seperti gelombang cahaya atau gelombang gravitasi. Mereka kadang-kadang dapat dipancarkan ketika partikel-partikel materi saling berinteraksi melalui pertukaran partikel pembawa gaya virtual. (Sebagai contoh, gaya tolak listrik antara dua elektron disebabkan oleh pertukaran foton virtual, yang tidak pernah dapat dideteksi secara langsung; tetapi jika satu elektron bergerak melewati yang lain, foton nyata dapat dipancarkan, yang kita deteksi sebagai gelombang cahaya.)
Partikel pembawa gaya dapat dikelompokkan ke dalam empat kategori menurut kekuatan gaya yang mereka bawa dan partikel yang mereka pengaruhi. Perlu ditekankan bahwa pembagian ke dalam empat kelas ini adalah buatan manusia; pembagian ini memudahkan penyusunan teori-teori parsial, tetapi mungkin tidak mencerminkan sesuatu yang lebih mendasar. Pada akhirnya, sebagian besar fisikawan berharap menemukan suatu teori terpadu yang akan menjelaskan keempat gaya tersebut sebagai aspek-aspek berbeda dari satu gaya tunggal. Memang, banyak yang mengatakan bahwa inilah tujuan utama fisika dewasa ini. Baru-baru ini, upaya-upaya yang berhasil telah dilakukan untuk menyatukan tiga dari empat kategori gaya tersebut—dan akan saya jelaskan dalam bab ini. Pertanyaan mengenai penyatuan kategori yang tersisa, yakni gravitasi, akan kita tunda hingga nanti.
Kategori pertama adalah gaya gravitasi. Gaya ini bersifat universal, artinya setiap partikel merasakan gaya gravitasi sesuai dengan massa atau energinya. Gravitasi sejauh ini merupakan yang terlemah di antara keempat gaya; ia begitu lemah sehingga kita tidak akan menyadarinya sama sekali jika bukan karena dua sifat istimewanya: ia dapat bekerja pada jarak yang sangat jauh, dan ia selalu bersifat tarik-menarik.
Ini berarti bahwa gaya gravitasi yang sangat lemah antara partikel-partikel individu dalam dua benda besar, seperti bumi dan matahari, dapat terakumulasi menjadi gaya yang signifikan. Tiga gaya lainnya memiliki jangkauan pendek atau kadang bersifat tarik-menarik dan kadang tolak-menolak, sehingga cenderung saling meniadakan. Dalam cara pandang mekanika kuantum terhadap medan gravitasi, gaya antara dua partikel materi digambarkan sebagai dibawa oleh partikel spin 2 yang disebut graviton. Partikel ini tidak memiliki massa, sehingga gaya yang dibawanya berjangkauan jauh.
Gaya gravitasi antara matahari dan bumi dianggap berasal dari pertukaran graviton antara partikel-partikel penyusun kedua benda tersebut. Meskipun partikel yang dipertukarkan bersifat virtual, mereka jelas menghasilkan efek yang dapat diukur—yakni membuat bumi mengorbit matahari! Graviton nyata membentuk apa yang oleh fisikawan klasik disebut gelombang gravitasi, yang sangat lemah—dan begitu sulit dideteksi sehingga belum pernah diamati.
Kategori berikutnya adalah gaya elektromagnetik, yang berinteraksi dengan partikel bermuatan listrik seperti elektron dan quark, tetapi tidak dengan partikel tak bermuatan seperti graviton. Gaya ini jauh lebih kuat daripada gravitasi: gaya elektromagnetik antara dua elektron sekitar sejuta juta juta juta juta juta juta (1 dengan empat puluh dua nol di belakangnya) kali lebih besar daripada gaya gravitasi.
Namun terdapat dua jenis muatan listrik, positif dan negatif. Gaya antara dua muatan positif bersifat tolak-menolak, demikian pula antara dua muatan negatif; tetapi antara muatan positif dan negatif gaya tersebut bersifat tarik-menarik. Benda besar seperti bumi atau matahari mengandung jumlah muatan positif dan negatif yang hampir sama. Karena itu gaya tarik dan tolak antara partikel-partikel individu hampir saling meniadakan, sehingga hanya tersisa sedikit gaya elektromagnetik bersih. Namun pada skala kecil atom dan molekul, gaya elektromagnetiklah yang mendominasi.
Tarikan elektromagnetik antara elektron bermuatan negatif dan proton bermuatan positif dalam inti menyebabkan elektron mengorbit inti atom, sebagaimana tarikan gravitasi menyebabkan bumi mengorbit matahari. Tarikan elektromagnetik ini digambarkan sebagai akibat pertukaran sejumlah besar partikel spin 1 tak bermassa yang disebut foton. Sekali lagi, foton yang dipertukarkan adalah partikel virtual. Namun ketika elektron berpindah dari satu orbit yang diizinkan ke orbit lain yang lebih dekat ke inti, energi dilepaskan dan foton nyata dipancarkan—yang dapat diamati sebagai cahaya tampak oleh mata manusia, jika memiliki panjang gelombang yang tepat, atau oleh detektor foton seperti film fotografi. Sebaliknya, jika foton nyata bertumbukan dengan atom, ia dapat memindahkan elektron dari orbit yang lebih dekat ke inti ke orbit yang lebih jauh. Energi foton tersebut digunakan, sehingga ia pun terserap.
Kategori ketiga disebut gaya nuklir lemah, yang bertanggung jawab atas radioaktivitas dan bekerja pada semua partikel materi spin ½, tetapi tidak pada partikel spin 0, 1, atau 2 seperti foton dan graviton. Gaya nuklir lemah belum dipahami dengan baik hingga tahun 1967, ketika Abdus Salam di Imperial College, London, dan Steven Weinberg di Harvard masing-masing mengajukan teori yang menyatukan interaksi ini dengan gaya elektromagnetik, sebagaimana Maxwell telah menyatukan listrik dan magnetisme sekitar seratus tahun sebelumnya.
Mereka mengusulkan bahwa selain foton, terdapat tiga partikel spin 1 lainnya, yang secara kolektif dikenal sebagai boson vektor bermassa, yang membawa gaya lemah. Partikel-partikel ini disebut W+ (dibaca W plus), W− (dibaca W minus), dan Zº (dibaca Z nol), masing-masing dengan massa sekitar 100 GeV (GeV berarti gigaelektron-volt, atau seribu juta elektron volt). Teori Weinberg-Salam menunjukkan sifat yang dikenal sebagai pemecahan simetri spontan. Ini berarti bahwa partikel-partikel yang pada energi rendah tampak sepenuhnya berbeda sebenarnya merupakan jenis partikel yang sama, hanya dalam keadaan yang berbeda.
Pada energi tinggi semua partikel tersebut berperilaku serupa. Efeknya mirip dengan perilaku bola roulette pada roda roulette. Pada energi tinggi (ketika roda diputar cepat), bola pada dasarnya berperilaku dengan satu cara saja—ia berputar mengelilingi roda. Namun ketika roda melambat, energi bola berkurang, dan akhirnya bola jatuh ke salah satu dari tiga puluh tujuh slot pada roda. Dengan kata lain, pada energi rendah terdapat tiga puluh tujuh keadaan berbeda di mana bola dapat berada. Jika karena suatu alasan kita hanya dapat mengamati bola pada energi rendah, kita akan mengira ada tiga puluh tujuh jenis bola yang berbeda!
Dalam teori Weinberg-Salam, pada energi jauh lebih besar dari 100 GeV, ketiga partikel baru dan foton akan berperilaku serupa. Namun pada energi partikel yang lebih rendah, yang terjadi dalam kebanyakan situasi normal, simetri di antara partikel-partikel ini terpecah. W+, W−, dan Zº memperoleh massa besar, sehingga gaya yang mereka bawa memiliki jangkauan sangat pendek. Pada saat Salam dan Weinberg mengusulkan teori mereka, hanya sedikit orang yang mempercayainya, dan akselerator partikel belum cukup kuat untuk mencapai energi 100 GeV yang diperlukan guna menghasilkan partikel nyata W+, W−, atau Zº.
Namun selama sekitar sepuluh tahun berikutnya, prediksi lain dari teori tersebut pada energi rendah begitu sesuai dengan eksperimen sehingga pada tahun 1979 Salam dan Weinberg dianugerahi Hadiah Nobel Fisika, bersama Sheldon Glashow dari Harvard, yang juga mengusulkan teori penyatuan serupa antara gaya elektromagnetik dan gaya nuklir lemah. Komite Nobel terhindar dari rasa malu karena kesalahan penilaian setelah pada tahun 1983 di CERN (European Centre for Nuclear Research) ditemukan tiga pasangan bermassa dari foton dengan massa dan sifat lain yang tepat seperti diprediksi. Carlo Rubbia, yang memimpin tim ratusan fisikawan dalam penemuan tersebut, menerima Hadiah Nobel pada tahun 1984 bersama Simon van der Meer, insinyur CERN yang mengembangkan sistem penyimpanan antimateri yang digunakan. (Sangat sulit membuat terobosan dalam fisika eksperimental dewasa ini kecuali Anda sudah berada di puncak!)
Kategori keempat adalah gaya nuklir kuat, yang mengikat quark bersama-sama dalam proton dan neutron, serta mengikat proton dan neutron bersama-sama dalam inti atom. Gaya ini diyakini dibawa oleh partikel spin 1 lain yang disebut gluon, yang hanya berinteraksi dengan dirinya sendiri dan dengan quark. Gaya nuklir kuat memiliki sifat aneh yang disebut kurungan: ia selalu mengikat partikel menjadi kombinasi yang tidak memiliki warna.
Tidak mungkin terdapat satu quark tunggal karena ia akan memiliki warna (merah, hijau, atau biru). Sebaliknya, quark merah harus bergabung dengan quark hijau dan biru melalui “tali” gluon (merah + hijau + biru = putih). Triplet semacam ini membentuk proton atau neutron. Kemungkinan lain adalah pasangan yang terdiri dari quark dan antiquark (merah + anti-merah, hijau + anti-hijau, atau biru + anti-biru = putih). Kombinasi ini membentuk partikel yang dikenal sebagai meson, yang tidak stabil karena quark dan antiquark dapat saling memusnahkan, menghasilkan elektron dan partikel lain.
Demikian pula, kurungan mencegah adanya satu gluon tunggal, karena gluon juga memiliki warna. Sebaliknya, harus ada kumpulan gluon yang warnanya berjumlah putih. Kumpulan semacam itu membentuk partikel tidak stabil yang disebut glueball.
Fakta bahwa kurungan mencegah pengamatan quark atau gluon terisolasi mungkin tampak menjadikan seluruh gagasan tentang quark dan gluon sebagai partikel agak bersifat metafisik. Namun terdapat sifat lain dari gaya nuklir kuat yang disebut kebebasan asimtotik, yang membuat konsep quark dan gluon menjadi terdefinisi dengan baik. Pada energi normal, gaya nuklir kuat memang sangat kuat dan mengikat quark dengan erat. Namun eksperimen dengan akselerator partikel besar menunjukkan bahwa pada energi tinggi gaya kuat menjadi jauh lebih lemah, dan quark serta gluon berperilaku hampir seperti partikel bebas
Comments (1)
bacaan berkualitas ini.....
0 0 15-Oct-2019 04:58:58