Siapa pun yang tidak
terguncang akal budinya oleh teori kuantum tidak memahaminya (Niels Bohr)
Semua benda di sekitar
kita - orang, hewan, tanaman, mobil, pesawat terbang, rumah, pohon, gelas,
senduk, air, awan, gas - dibentuk oleh potongan-potongan sangat kecil dari
materi. Lalu, apakah materi paling kecil itu?
Di masa awal penelitian tentang
materi paling kecil, para ilmuwan mengatakan atomlah materi yang paling kecil,
tidak bisa dibagi lagi menjadi lebih kecil. Istilah ilmu fisika modern untuk
materi paling kecil ini adalah partikel atau zarah. Suatu partikel adalah suatu
potongan sangat kecil dari materi yang menjadi suatu bagian dari atom. Ukuran
sangat kecil ini bisa kita bayangkan melalui sebutir pasir atau debu - kecil
sekali, bukan? Tapi partikel sebagai bagian dari atom lebih kecil dari butir pasir
atau debu.
Suatu cabang Ilmu Fisika
yang memelajari partikel-partikel disebut Ilmu Fisika Partikel. Ilmu ini
menemukan kemudian hari bahwa atom ternyata bukanlah potongan materi paling
kecil dalam alam semesta. Ketika atom dibagi-bagi atau dibelah, ilmuwan
menemukan bahwa ia terdiri dari partikel-partikel. Ada di dalamnya partikel
bernama elektron dan inti atom; elektron mengitari inti
atom. Sesudah diteliti lebih dalam, ternyata inti atom masih bisa dibagi
menjadi lebih kecil: proton dan neutron. Ternyata proton dan
neutron dibentuk oleh zarah-zarah yang lebih kecil, disebut kuark-kuark.
Bagian-bagian atau
belahan-belahan yang lebih kecil dari atom tadi dipandang berada subatom, di bawah atom.
Partikel-partikel yang sifatnya adalah di bawah atom lalu disebut partikel-partikel atau zarah-zarah subatomik.
Para fisikawan yang
meneliti partikel-partikel percaya kuark, suatu partikel subatomik, bersifat
mendasar. Artinya, zarah subatomik ini tidak bisa dibagi lagi menjadi lebih
kecil.
Partikel Elementer atau
Fundamental
Struktur materi: Materi
dibentuk oleh partikel-partikel sangat kecil bernama atom-atom. Selanjutnya,
atom dibentuk oleh inti sangat kecil yang dikitari suatu awan partikel bernama
elektron. Inti atom terdiri dari proton dan neutron, masing-masing dibentuk
oleh partikel-partikel lebih kecil yang disebut kuark. Kuark dipercaya bersifat
fundamental, tidak bisa lagi dibelah menjadi partikel yang lebih kecil
Zarah-zarah subatomik yang
oleh ilmuwan dipercaya tidak bisa dibelah lagi menjadi lebih kecil disebut partikel-partikel elementer atau partikel-partikel fundamental.
Partikel-partikel fundamental menyediakan satuan-satuan dasar yang membentuk
semua materi dan energi di alam semesta.
Materi = energi
Frasa "materi dan
energi" menyiratkan suatu gagasan besar dari Albert Einstein. Suatu
persamaan matematiknya yang anggun adalah: E=mc2. Melalui persamaan ini, dia
meramalkan bahwa energi bisa diubah menjadi materi.
Fermion atau boson
Apakah kuark satu-satunya
partikel fundamental yang tidak bisa dibelah lagi? Ternyata tidak. Di samping
kuark, ada tiga partikel fundamental lain: lepton, boson yang menyalurkan forsa, dan boson Higgs.
Penelitian lebih mendalam
dari partikel-partikel elementer menunjukkan bahwa materi - seperti planet,
orang, rumah, hewan, tanaman, dan atom - ternyata bisa dikelompokkan ke dalam
salah satu dari dua kategori partikel subatomik: fermion
atau boson. Yang menetapkan apakah
berbagai jenis materi tergolong pada fermion atau boson adalah perilaku suatu
partikel atau kelompok partikel di dalamnya. Beda antara kedua kategori ini
tidak tampak pada skala besar, seperti pada rumah atau orang, tapi ia punya
implikasi yang jauh dalam dunia atom dan zarah-zarah elementer.
Partikel-partikel elementer dikelompokkan entah sebagai fermion atau boson.
Fermion-fermion fundamental bergabung membentuk atom dan partikel-partikel lain
yang lebih khas. Sementara itu, boson-boson fundamental menyalurkan keempat
forsa fundamental alam semesta antara partikel-partikel dan memberi massa atau
bobot pada partikel-partikel. Secara khusus, zarah-zarah yang menyalurkan
keempat forsa fundamental berpengaruh pada materi dan lawannya, antimateri;
zarah-zarah dengan peranan ini adalah boson-boson yang disebut penyalur
forsa-forsa (force carriers).
Kedua istilah tadi berasal
dari nama dua orang fisikawan tenar abad ke-20. Fermion dinamakan sesuai
sebagian nama Enrico Fermi, fisikawan berdarah Yahudi yang sudah kita kenal
dari suatu tulisan sebelumnya. Boson mengacu pada Bose, nama marga atau kedua
seorang matematikawan India bernama Satyendra Bose.
Fermion-fermion
fundamental yang membentuk materi tergolong pada dua kategori: lepton dan kuark. Setiap lepton dan
kuark punya pasangan antipartikelnya; antipartikel ini punya massa yang sama
dengan pasangannya - lepton dan kuark - tapi muatan listriknya berbeda.
Penggagas teori tentang
kuark adalah Murray Gell-Man, seorang fisikawan AS. Dia membuat riset tentang
interaksi zarah-zarah elementer. Melalui riset ini, dia mengajukan teorinya
tentang kuark. Teori ini mengantarnya untuk meraih Hadiah Nobel dalam Ilmu
Fisika pada tahun 1969.
Meskipun demikian, teori
kuark Murray Gell-Mann belum dibuktikan melalui eksperimen ilmiah. Ini baru
dilakukan tahun 1969 oleh tiga orang fisikawan: Jerome Friedman dan Henry
Kendall dari Amerika Serikat serta Richard Taylor dari Kanada. Eksperimen
mereka menunjukkan bahwa proton punya struktur internal. Eksperimen tersebut
mengantar mereka untuk meraih Hadiah Nobel Ilmu Fisika tahun 1990.
Leon Lederman dari AS dan
koleganya menemukan suatu generasi ketiga kuark pada tahun 1977. Partikel
fundamental ini mereka namakan kuark bottom.
Para fisikawan percaya
masih ada lagi sejenis boson fundamental lain yang mereka namakan boson Higgs. Boson Higgs memberi
massa pada materi dan antimateri. Tapi mereka sejauh ini belum menemukan boson
Higgs.
Kata "Higgs"
mengacu pada nama keluarga seorang fisikawan asal Inggris: Peter Higgs. Dialah
yang mengajukan teori tentang adanya boson itu pada tahun 1964, kemudian boson
Higgs dijadikan suatu istilah ilmu fisika kuantum sebagai suatu tanda
penghormatan baginya.
Tahun 1983, suatu partikel
penyalur forsa nuklir lemah ditemukan oleh Carlo Rubbia, seorang fisikawan asal
Italia, dan koleganya. Partikel ini dinamakan boson
W dan Z. Rubbia dan Simon Van der Meer, seorang fisikawan dari
Belanda, meraih bersama-sama Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1984 karena
karya mereka tentang penemuan boson W dan Z.
Neutrino, muon, dan tau
Penelitian-penelitian
makin jauh menemukan lagi bahwa lepton masih ada berbagai jenisnya. Jenis-jenis
ini diberi nama-nama khas dan generasinya.
Bagaimanakah lepton
generasi pertama dibentuk? Melalui rerasan (decay) atomik.
Ketika mereras, atom-atom secara radioaktif terkadang memancarkan suatu
elektron dalam suatu proses yang disebut rerasan beta.
Rerasan beta dikaji dan
para ilmuwan menemukan suatu partikel fundamental baru yang mereka namakan neutrino elektron. Ia ternyata
suatu jenis lepton tanpa muatan listrik. Jenis neutrino ini adalah juga
generasi pertama lepton. Atom melepaskan neutrino bersama elektron ketika
melepaskan rerasan beta.
Para fisikawan lalu
menemukan lagi suatu partikel yang mirip elektron dan proton. Tapi ia lebih
berat dari elektron dan lebih ringan dari suatu proton. Partikel ini disebut muon, generasi kedua lepton yang bermuatan
listrik.
Penemu muon pada tahun
1947 adalah Carl Anderson dan Seth Neddermeyer, dua orang fisikawan. Ini
indikasi pertama suatu jenis lepton yang baru.
Penemuan muon mengantar
para fisikawan pada penemuan sejenis lepton yang baru yang disebut neutrino muon pada tahun 1962.
Ternyata, muon punya mitra yang secara listrik netral terhadapnya. Itulah neutrino muon. Jenis neutrino ini
punya massa yang sangat kecil atau tanpa massa. Muon neutrino dilepaskan ketika
suatu muon mereras. Muon dan neutrinonya dipandang generasi kedua lepton.
Dua orang fisikawan AS
yang lain, Martin Perl dan Frederick Reines, bersama koleganya menemukan tau, suatu lepton generasi ketiga
yang bermuatan listrik. Seperti neutrino muon, tau punya suatu mitra netral
secara listrik bernama neutrino tau.
Neutrino tau punya massa yang sangat kecil. Karena penemuannya, Perl dan Reines
kemudian meraih Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1995.
Fermion, asas ekslusi, dan
neutrino elektron
Wolfang Pauli, seorang
fisikawan AS berdarah Yahudi kelahiran Austria, berjasa dalam merumuskan suatu
aturan ilmu fisika. Ilmu ini lalu menolong merumuskan fermion-fermion.
Dia juga menunjukkan bahwa
setiap elektron unik. Unik dalam arti tidak satupun dari dua elektron bisa
punya sifat dan lokasi yang sama.
Wolfgang Pauli terkenal
juga karena suatu gagasan besarnya dalam ilmu fisika kuantum. Itulah asas ekslusi. Asas ini menjelaskan
mengapa semua elektron dalam atom-atom punya jumlah energi yang agak berbeda.
Asas ini belum dikukuhkan secara matematik.
Pembuktiannya kemudian
dilakukan oleh Enrico Fermi dan Paul Dirac, seorang fisikawan Inggris. Mereka
berdua mengembangkan persamaan matematik yang memerikan perilaku elektron.
Persamaan mereka menyediakan bukti matematik dari asas ekslusi. Karena berjasa
dalam menemukan asas ekslusi, Wolfgang Pauli meraih Hadiah Nobel untuk Ilmu
Fisika tahun 1945.
Para fisikawan lalu
menyebut partikel-partikel yang mematuhi asas ekslusi sebagai fermion-fermion.
Contoh-contoh fermion mencakup proton, neutron, dan kuark.
Awal abad ke-20, para
ilmuwan memelajari rerasan beta. Mereka memerhatikan bahwa jumlah massa dan
energi sebelum rerasan itu lebih besar dari jumlah massa dan energi yang ada
sesudah rerasan itu. Untuk menghitung energi yang hilang itu, Wolfgang Pauli
mengusulkan tahun 1928 bahwa ada suatu partikel baru.
Hipotetisnya terbukti
betul. Partikel itu sekarang dikenal dengan sebutan neutrino
listrik.Ia tanpa muatan listrik dan tanpa muatan warna.
Hampir 30 tahun sesudah
Pauli pertama kali mengusulkan adanya partikel tadi, dua orang fisikawan AS
menemukan neutrino itu pertama kali tahun 1956. Mereka adalah Frederick Reines
dan Clyde Cowen. Reines berbagi Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1995
dengan seorang fisikawan lain untuk eksperimennya.
Partikel yang tidak mematuhi
asas ekslusi
Foton atau partikel cahaya
tergolong pada beberapa partikel yang tidak mematuhi asas eksklusi. Dua foton
atau lebih bisa punya ciri yang persis sama.
Ciri tadi dinyatakan
Albert Einstein dan Satyendra Bose. Mereka berdua mengembangkan seperangkat
persamaan matematik yang memerikan perilaku partikel yang tidak mematuhi asas
ekslusi.
Zarah antimateri
Dalam alam semesta, ada
materi dan lawannya, antimateri. Akan tetapi, materi masa kini lebih banyak dari
antimateri. Mengapa ada kepincangan ini, para ilmuwan belum menemukan jawaban
yang tuntas. Ada materi dan antimateri berarti ada partikel dan antipartikel.
Paul Dirac meramalkan pada
tahun 1928 bahwa ada antipartikel, yang bergabung membentuk antimateri.
Antipartikel punya massa yang sama dengan pasangan partikel normalnya, tapi
punya beberapa jumlah yang berlawanan, seperti muatan listrik dan muatan warna.
Semua fermion punya
antipartikel-antipartikel. Partikel anti dari suatu elektron disebut positron dan partikel anti dari
proton disebut antiproton. Antiproton terdiri dari
antikuark.
Penemu positron adalah
Carl Anderson. Dia mengukuhkan teori Paul Dirac tentang pasangan antipartikel
dan antimateri, yaitu partikel dan materi. Karena penemuannya, Anderson berbagi
Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1936.
Penyatuan dua forsa dan model
baku
Berbeda dengan
fisikawan-fisikawan tadi, Steven Weinberg dan Sheldon Glashow dari AS serta
Abdus Salam dari Pakistan berhasil menyatukan forsa elektromagnetik dan nuklir
lemah pada tahun 1967. Karena hasil risetnya, ketiga fisikawan ini berbagi
Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1979.
Mereka bertiga pun
terkenal dalam ilmu fisika modern karena teori mereka yang dikenal sebagai model baku (standard model) ilmu fisika tentang
zarah-zarah. Teori ini adalah hasil pengembangannya secara matematik tentang
hakekat dan perilaku partikel-partikel elementer.
Teori mereka sangat
memajukan pemahaman tentang partikel-partikel fundamental dan forsa-forsa di
alam semesta.
Realitas Kuantum yang Aneh
Niels Bohr, salah seorang
ilmuwan kunci di balik ilmu fisika kuantum modern, mengatakan, "Siapa pun
yang tidak terguncang akal budinya oleh teori kuantum tidak memahaminya."
Pernyataannya menyiratkan realitas aneh dunia kuantum, realitas yang sering
menantang logika sehari-hari kita.
Bagaimanakah kita memahami
keanehan dunia kuantum? Bisa melalui tiga eksperimen yang disebut eksperimen
melalui celah ganda, eksperimen dengan bola lampu listrik, dan eksperimen
dengan kucing Schroedinger.
Eksperimen celah ganda
Ini yang paling mudah dari
ketiga-tiganya. Percobaan ini melibatkan penyinaran seberkas cahaya melalui dua
celah yang sama ukurannya dan sejajar. Di belakang kedua celah itu terbentang
layar. Kemudian, suatu foton tunggal atau partikel cahaya ditembak melalui
salah satu celah. Anehnya, foton tunggal itu menyela dirinya sendiri pada
layar, seakan-akan ia bergerak melewati kedua celah itu secara serentak.
Eksperimen dengan bola lampu
listrik
Bayangkan kawat pijar
sebuah bola lampu listrik yang memancarkan suatu foton. Pancaran foton
tampaknya mengikuti suatu arah yang acak. Bagaimana bisa ada peluang untuk
menemukan foton itu pada suatu titik tertentu? Akan tampak sejenis gelombang.
Gelombang ini mirip suatu riak yang ditimbulkan sebuah batu kerikil yang
dijatuhkan ke dalam suatu kolam air; mirip riak ini, pancaran foton tadi akan
menjalar ke luar dari kawat pijar itu.
Keanehan kuantum terjadi
ketika Anda membuat pengamatan. Begitu Anda melihat ke arah foton-foton, fungsi
gelombang-gelombangnya ambruk menjadi suatu titik tunggal. Titik tunggal itulah
realitas sesungguhnya dari foton-foton itu!
Tidak ada komentar:
Posting Komentar