[Buku Bahasa Indonesia stephen hawking] Grand Design
BAB 5 : TEORI SEGALA SESUATU
“Hal yang paling tidak dapat dipahami tentang alam semesta adalah bahwa ia dapat dipahami.”
—ALBERT EINSTEIN
ALAM SEMESTA DAPAT DIPAHAMI karena ia diatur oleh hukum-hukum ilmiah; artinya, perilakunya dapat dimodelkan. Tetapi apakah hukum-hukum atau model-model itu? Gaya pertama yang dideskripsikan dalam bahasa matematika adalah gravitasi. Hukum gravitasi Newton, yang diterbitkan pada tahun 1687, menyatakan bahwa setiap objek di alam semesta menarik setiap objek lainnya dengan gaya yang sebanding dengan massanya. Hukum ini memberi kesan yang besar terhadap kehidupan intelektual pada zamannya karena untuk pertama kalinya ia menunjukkan bahwa setidaknya satu aspek alam semesta dapat dimodelkan secara akurat, dan ia menetapkan perangkat matematika untuk melakukannya. Gagasan bahwa ada hukum-hukum alam menimbulkan persoalan yang mirip dengan yang menyebabkan Galileo dihukum karena bidah sekitar lima puluh tahun sebelumnya.
Misalnya, Alkitab menceritakan kisah Yosua yang berdoa agar matahari dan bulan berhenti dalam lintasannya sehingga ia memiliki tambahan waktu siang hari untuk menyelesaikan pertempuran melawan orang Amori di Kanaan. Menurut Kitab Yosua, matahari berhenti selama sekitar satu hari. Kini kita tahu bahwa hal itu berarti bumi berhenti berotasi. Jika bumi berhenti, menurut hukum Newton segala sesuatu yang tidak terikat akan tetap bergerak dengan kecepatan awal bumi (1.100 mil per jam di khatulistiwa)—harga yang mahal untuk sekadar menunda matahari terbenam. Semua ini tidak mengganggu Newton sendiri, karena, seperti telah kita katakan, Newton percaya bahwa Tuhan dapat dan memang campur tangan dalam cara kerja alam semesta.
Aspek berikutnya dari alam semesta yang ditemukan hukumnya atau modelnya adalah gaya listrik dan magnet. Gaya-gaya ini berperilaku seperti gravitasi, dengan perbedaan penting bahwa dua muatan listrik atau dua magnet sejenis saling tolak-menolak, sedangkan muatan atau magnet yang berbeda jenis saling tarik-menarik. Gaya listrik dan magnet jauh lebih kuat daripada gravitasi, tetapi kita biasanya tidak menyadarinya dalam kehidupan sehari-hari karena suatu benda makroskopis mengandung hampir jumlah muatan listrik positif dan negatif yang sama. Ini berarti bahwa gaya listrik dan magnet antara dua benda makroskopis hampir saling meniadakan, berbeda dengan gaya gravitasi yang semuanya saling menambah.
Gagasan kita saat ini tentang listrik dan magnetisme berkembang selama sekitar seratus tahun dari pertengahan abad ke-18 hingga pertengahan abad ke-19, ketika para fisikawan di beberapa negara melakukan studi eksperimental rinci tentang gaya listrik dan magnet. Salah satu penemuan terpenting adalah bahwa gaya listrik dan magnet saling berhubungan: Muatan listrik yang bergerak menimbulkan gaya pada magnet, dan magnet yang bergerak menimbulkan gaya pada muatan listrik.
Orang pertama yang menyadari adanya hubungan ini adalah fisikawan Denmark Hans Christian Ørsted. Saat menyiapkan kuliah yang akan ia sampaikan di universitas pada tahun 1820, Ørsted memperhatikan bahwa arus listrik dari baterai yang ia gunakan membelokkan jarum kompas di dekatnya. Ia segera menyadari bahwa listrik yang bergerak menciptakan gaya magnet, dan ia mencetuskan istilah “elektromagnetisme.” Beberapa tahun kemudian ilmuwan Inggris Michael Faraday beralasan bahwa—dalam istilah modern—jika arus listrik dapat menyebabkan medan magnet, maka medan magnet seharusnya dapat menghasilkan arus listrik. Ia mendemonstrasikan efek tersebut pada tahun 1831. Empat belas tahun kemudian Faraday juga menemukan hubungan antara elektromagnetisme dan cahaya ketika ia menunjukkan bahwa kemagnetan yang kuat dapat memengaruhi sifat cahaya terpolarisasi.
Faraday memiliki sedikit pendidikan formal. Ia lahir dari keluarga pandai besi yang miskin di dekat London dan meninggalkan sekolah pada usia tiga belas tahun untuk bekerja sebagai pesuruh dan penjilid buku di sebuah toko buku. Di sana, selama bertahun-tahun, ia mempelajari sains dengan membaca buku-buku yang seharusnya ia rawat, serta melakukan eksperimen sederhana dan murah pada waktu luangnya. Akhirnya ia memperoleh pekerjaan sebagai asisten di laboratorium kimiawan besar Sir Humphry Davy. Faraday bertahan selama empat puluh lima tahun berikutnya dan, setelah kematian Davy, menggantikannya. Faraday mengalami kesulitan dengan matematika dan tidak pernah banyak mempelajarinya, sehingga baginya sulit untuk menyusun gambaran teoretis tentang fenomena elektromagnetik aneh yang ia amati di laboratoriumnya. Namun demikian, ia berhasil melakukannya.
Salah satu inovasi intelektual terbesar Faraday adalah gagasan tentang medan gaya. Dewasa ini, berkat buku dan film tentang makhluk asing bermata besar dan pesawat luar angkasa mereka, kebanyakan orang akrab dengan istilah tersebut, jadi mungkin ia seharusnya mendapat royalti. Namun pada abad-abad antara Newton dan Faraday, salah satu misteri besar fisika adalah bahwa hukum-hukumnya tampak menunjukkan bahwa gaya bekerja melintasi ruang kosong yang memisahkan objek-objek yang berinteraksi. Faraday tidak menyukai gagasan itu. Ia percaya bahwa untuk menggerakkan suatu objek, sesuatu harus bersentuhan dengannya. Karena itu ia membayangkan ruang antara muatan listrik dan magnet dipenuhi oleh tabung-tabung tak terlihat yang secara fisik melakukan dorongan dan tarikan. Faraday menyebut tabung-tabung itu sebagai medan gaya. Cara yang baik untuk memvisualisasikan medan gaya adalah dengan melakukan demonstrasi kelas di mana sebuah pelat kaca ditempatkan di atas magnet batang dan serbuk besi ditaburkan di atas kaca tersebut. Dengan beberapa ketukan untuk mengatasi gesekan, serbuk besi akan bergerak seolah-olah didorong oleh kekuatan tak terlihat dan menyusun diri dalam pola lengkungan yang membentang dari satu kutub magnet ke kutub lainnya. Pola itu adalah peta dari gaya magnet tak terlihat yang meresap ke dalam ruang. Kini kita percaya bahwa semua gaya ditransmisikan oleh medan, sehingga ini merupakan konsep penting dalam fisika modern—serta dalam fiksi ilmiah.
Selama beberapa dekade pemahaman kita tentang elektromagnetisme tetap terhenti, tidak lebih dari sekadar pengetahuan tentang beberapa hukum empiris: petunjuk bahwa listrik dan magnetisme berkaitan erat meskipun secara misterius; gagasan bahwa keduanya memiliki semacam hubungan dengan cahaya; dan konsep medan yang masih embrionik. Setidaknya ada sebelas teori elektromagnetisme, dan semuanya cacat. Kemudian, selama beberapa tahun pada dekade 1860-an, fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell mengembangkan pemikiran Faraday ke dalam kerangka matematika yang menjelaskan hubungan yang intim dan misterius antara listrik, magnetisme, dan cahaya.
Hasilnya adalah seperangkat persamaan yang menggambarkan gaya listrik dan magnet sebagai manifestasi dari entitas fisik yang sama, yaitu medan elektromagnetik. Maxwell telah menyatukan listrik dan magnetisme menjadi satu gaya. Lebih jauh lagi, ia menunjukkan bahwa medan elektromagnetik dapat merambat melalui ruang sebagai gelombang. Kecepatan gelombang tersebut ditentukan oleh suatu bilangan yang muncul dalam persamaannya, yang ia hitung dari data eksperimental yang telah diukur beberapa tahun sebelumnya. Dengan takjub ia mendapati bahwa kecepatan yang ia hitung sama dengan kecepatan cahaya, yang saat itu telah diketahui secara eksperimental dengan ketelitian 1 persen. Ia telah menemukan bahwa cahaya itu sendiri adalah gelombang elektromagnetik!
Kini persamaan yang menggambarkan medan listrik dan magnet disebut persamaan Maxwell. Sedikit orang yang pernah mendengarnya, tetapi mungkin itulah persamaan yang paling penting secara komersial yang kita miliki. Tidak hanya mengatur cara kerja segala sesuatu mulai dari peralatan rumah tangga hingga komputer, tetapi juga menggambarkan gelombang selain cahaya, seperti gelombang mikro, gelombang radio, cahaya inframerah, dan sinar-X. Semua ini berbeda dari cahaya tampak hanya dalam satu hal—panjang gelombangnya. Gelombang radio memiliki panjang gelombang satu meter atau lebih, sedangkan cahaya tampak memiliki panjang gelombang beberapa per sepuluh juta meter, dan sinar-X memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dari seper seratus juta meter.
Matahari kita memancarkan radiasi pada semua panjang gelombang, tetapi radiasinya paling kuat pada panjang gelombang yang dapat kita lihat. Mungkin bukan kebetulan bahwa panjang gelombang yang dapat kita lihat dengan mata telanjang adalah yang paling kuat dipancarkan matahari: kemungkinan besar mata kita berevolusi dengan kemampuan mendeteksi radiasi elektromagnetik dalam rentang itu justru karena itulah rentang radiasi yang paling tersedia bagi mereka. Jika suatu saat kita bertemu makhluk dari planet lain, mereka mungkin memiliki kemampuan untuk “melihat” radiasi pada panjang gelombang yang paling kuat dipancarkan oleh matahari mereka sendiri, yang dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti karakteristik debu dan gas di atmosfer planet mereka yang menghalangi cahaya. Jadi makhluk asing yang berevolusi di lingkungan sinar-X mungkin akan memiliki karier yang baik di bidang keamanan bandara.
Comments (0)