CLICK HERE FOR BLOGGER TEMPLATES AND MYSPACE LAYOUTS »

27 November 2008

7. Empat Forsa Fundamental

Albert Einstein punya tiga teori besar dalam ilmu fisika modern. Pertama, teori relativitas khusus; kedua, teori relativitas umum; dan, ketiga, teori medan terpadu. Kedua teori pertama menghasilkan pengembangan bom atom dan teori masa kini tentang lubang-lubang hitam dan Dentuman Besar. Selain itu, kedua teori yang membuat terobosan-terobosan baru dalam ilmu fisika abad ke-20 ini mengakibatkan Einstein dipandang ilmuwan terbesar sesudah Isaac Newton. Teori ketiga bertujuan untuk menyatukan semua hukum ilmu fisika menjadi suatu kerangka kerja yang sederhana. Ia adalah tujuan akhir semua ilmu fisika, teori untuk mengakhiri semua teori.

Akan tetapi, upaya Einstein dan beberapa fisikawan lain sesudah dia untuk merumuskan teori medan terpadu itu tidak berhasil. Selama 30 tahun terakhir dari hidupnya, Einstein sia-sia berupaya merumuskan teori terbesar sepanjang masa itu. Selain dia, beberapa otak terbesar abad ke-20 seperti Werner Heisenberg dan Wolfgang Pauli berjuang untuk merumuskan teori alam semesta yang dimulai Einstein itu. Seperti Einstein, mereka juga angkat tangan.

Muncullah teori Kaluza-Klein yang memberi harapan baru ke arah perumusan teori medan terpadu. Teori ini membahas dimensi kelima yang dipandang bisa memecahkan kebuntuan Einstein dan fisikawan-fisikawan lain dalam merumuskan teori medan terpadu.

Tapi teori mereka akan lebih mudah kita pahami kalau kita dahului dengan menyoroti empat forsa fundamental dalam alam semesta. Sorotan ini ada kaitannya dengan teori Kaluza-Klein tentang dimensi kelima.

Empat Forsa Fundamental dalam Alam

Sejauh ini diketahui bahwa ada empat forsa (force) fundamental dalam alam semesta. Forsa-forsa ini mengendalikan segala sesuatu dalam jagad raya yang diketahui: gravitasi, elektromagnetisme, forsa nuklir kuat, dan forsa nuklir lemah.

Beberapa orang  fisikawan berspekulasi bahwa ada suatu forsa fundamental kelima. Mereka menduga ini sejenis forsa paranormal atau psikis, tapi sejauh ini belum ada bukti yang jelas tentang suatu forsa fundamental kelima.

Gravitasi adalah forsa yang menahan kaki kita pada bumi yang berpusing-pusing. Gravitasi juga mengikat tata surya kita dan galaksi-galaksi. Tanpa gravitasi, kita akan segera terlontar ke ruang angkasa dengan kecepatan sekitar 1.610 kilometer per jam; matahari akan meledak dengan pancaran energi yang menghancurkan; bumi dan planet-planet dalam tata surya kita akan berpusing-pusing ke luar dan memasuki ruang angkasa yang dalam dan membeku; dan galaksi-galaksi akan beterbangan terpisah-pisah dan menjadi ratusan miliar bintang.

t985004a

Jatuh bebas. Benda-benda yang jatuh makin cepat karena ada forsa dari gravitasi Bumi yang berpengaruh pada jatuhnya. Gambar ini menunjukkan kecepatan (Speed) dalam ukuran meter per detik (m/s) yang ditempuh sebuah bola dan seekor kucing. Ia menunjukkan juga  jarak (Distance) dalam hitngan detik (s) yang dialami setiap benda ketika jatuh dalam selang waktu (Time) sepersepuluh dari satu detik selama jatuhnya yang ber jarak dekat.

Elektromagnetisme adalah forsa yang menyinari kota-kota besar dan memberi forsa pada peralatan-peralatan rumah tangga yang memakai listrik milik kita. Selain itu, elektromagnetisme menghasilkan produk-produk sampingan seperti bola lampu, televisi, telepon, komputer, radio, radar, microwave, dan alat pencuci peralatan makan-minum. Tanpa elektromagnetisme, peradaban kita akan mundur ratusan tahun ke belakang, ke dunia primitif yang diterangi lilin dan api unggun.

23c41741

Medan magnet dari suatu magnet permanen. Magnet dikelilingi suatu medan magnetik. Jalur magnetik dari forsa menghubungi satu kutub magnet itu dengan kutub lainnya.

Forsa nuklir kuat memberi forsa pada matahari. Tanpa forsa nuklir kuat, bintang-bintang akan pudar dan langit menjadi gelap. Tanpa matahari, semua yang hidup di bumi akan lenyap ketika samudera-samudera berubah menjadi es padat. Forsa nuklir kuat yang memungkinkan adanya bentuk-bentuk hidup di bumi adalah juga forsa destruktif yang dilepaskan oleh sebuah bom hidrogen. Bom ini bisa dibandingkan dengan sepotong matahari yang diturunkan ke bumi.

Forsa nuklir lemah berperan atas kerusakan radioaktif. Istilah teknis untuk “kerusakan radioaktif” adalah “rerasan radioaktif (radioactive decay).” Forsa nuklir lemah dimanfaatkan dalam rumah sakit modern berbentuk penjejak radioaktif (radioactive tracer) yang dipakai dalam pengobatan nuklir. Misalnya, gambar-gambar berwarna dramatik dari otak yang hidup karena berpikir dan mengalami emosi dimungkinkan oleh kerusakan gula radioaktif di otak.

Forsa Fundamental dan Peradaban Manusia

Penguasaan setiap forsa fundamental ini sudah mengubah setiap peradaban manusia. Misalnya, ketika Newton mencoba memecahkan teori gravitasinya, dia dipaksa mengembangkan suatu ilmu matematika baru dan merumuskan hukum gerak yang terkenal itu. Hukum-hukum mekanika ini kemudian menolong mengantar kita pada Revolusi Industri (pertengahan abad ke-19), yang sudah mengangkat manusia dari pekerjaan yang sangat melelahkan dan kesengsaraan selama ribuan tahun.

Selanjutnya, penguasaan forsa elektromagnetisme oleh James Maxwell pada tahun 1860-an sudah menimbulkan revolusi pada cara hidup kita. Bilamana terjadi padam listrik total, kita terpaksa hidup mirip nenek-moyang kita di abad-abad yang lalu. Masa kini, lebih banyak dari separuh kekayaan sedunia dihubungkan, dengan satu dan lain cara, dengan forsa elektromagnetisme. Peradaban tanpa forsa elektromagnetisme tidak bisa dibayangkan.

Serupa dengan itu, ketika forsa nuklir dilepaskan melalui bom atom, sejarah manusia, untuk pertama kali, dihadapkan pada suatu perangkat pilihan yang menakutkan dan baru. Ini termasuk pemusnahan semua bentuk hidup dari muka bumi. Dengan forsa nuklir, kita akhirnya bisa memahami mesin dahsyat yang ada di dalam matahari dan bintang-bintang. Selain itu, kita bisa melihat sekilas untuk pertama kali akhir kemanusiaan sendiri.

t046008a

Kapal induk bertenaga nuklir, Abraham Lincoln (AS)

Jadi, bilamana para ahli sains menguraikan rahasia-rahasia salah satu dari keempat forsa fundamental, forsa itu tanpa bisa dielakkan mengubah arah peradaban modern. Dalam arti tertentu, beberapa terobosan hebat dalam sejarah sains bisa ditelusuri pada pemahaman berangsur-angsur dari keempat forsa fundamental ini. Beberapa pakar mengatakan bahwa kemajuan sains selama 2000 tahun terakhir bisa diringkaskan oleh penguasaan forsa-forsa fundamental ini.

Adiforsa

Teori tentang gravitasi sebagai salah satu forsa fundamental alam semesta dikembangkan melalui teori relativitas umum Einstein. Ketiga forsa fundamental lain – elektromagnetisme, nuklir kuat, dan nuklir lemah – adalah hasil pengembangan Mekanika Kuantum.

Mengingat pentingnya keempat forsa fundamental ini dalam alam semesta, timbul beberapa pertanyaan yang saling terkait. Apakah teori relativitas umum tentang gravitasi dan teori tentang forsa-forsa dalam Mekanika Kuantum bisa dipadukan? Apakah forsa-forsa itu bisa disatukan menjadi suatu adiforsa (super force)? Apakah forsa-forsa itu manifestasi dari suatu realitas yang lebih dalam?

Mengapa Teori Medan Terpadu Gagal

Teori medan terpadu yang diupayakan Einstein bertujuan untuk menjelaskan semua forsa yang lazim terdapat dalam alam, termasuk cahaya dan gravitasi. Tapi sampai dengan wafatnya, dia tidak mampu menyelesaikan perumusan teori itu.

Sebelumnya, dia berhasil merumuskan teori relativitas umumnya. Teori ini menyatakan bahwa kehadiran materi-energi menetapkan kelengkungan ruangwaktu yang mengelilinginya. Prinsip ini melandasi gerak bintang dan galaksi, lubang hitam, Dentuman Besar, dan barangkali nasib alam semesta itu sendiri.

Meskipun Einstein sudah menemukan prinsip ini, dia kekurangan peralatan matematik yang cukup kuat untuk mengungkapkan asasnya. Dia sia-sia mencari peralatan itu selama tiga tahun dan akhirnya matematikawan Marcel Groussman, sahabat karibnya, menemukan peralatan itu: karya Riemann dan tensor metriknya yang sudah diabaikan para fisikawan selama 60 tahun. (Tensor metrik Riemann berisi kumpulan angka-angka susunan Riemann untuk melakukan berbagai perhitungan matematik.) Dengan peralatan matematik Riemann, Einstein berhasil merumuskan persamaan matematiknya yang pada intinya menyatakan bahwa materi-energi menetapkan kelengkungan ruangwaktu di sekitarnya.

Persamaan ini menunjukkan suatu keanggunan yang belum pernah dilihat sebelumnya dalam ilmu fisika. Pemenang Hadiah Nobel dalam Ilmu Fisika dan berasal dari India, Subrahmanyan Chandrasekhar, pernah menyebut persamaan Einstein ini sebagai “teori paling indah yang pernah ada.”

Seindah apapun teori ini, ia akhirnya tidak mampu memecahkan upaya Einstein selama 30 tahun untuk merumuskan teorinya yang ketiga: teori medan terpadu. Dia menjadi kecewa karena kegagalannya. Sumber frustrasinya adalah susunan persamaannya sendiri. Dia terganggu oleh suatu cacat fundamental dalam rumusan ini. Di satu pihak, dia menyukai susunan geometrik yang indah dari kelengkungan ruangwaktu. Di pihak lain, dia membenci sisi materi-energi dari persamaannya karena sisi ini adalah “suatu campur-baur yang mengerikan dari bentuk-bentuk yang tampaknya acak dan membingungkan, dari partikel subatomik, polimer, dan kristal sampai dengan batu, pohon, planet, dan bintang.” Tapi pada tahun 1920-an dan 1930-an, ketika Einstein tengah mengerjakan teori medan terpadunya, hakekat sesungguhnya dari materi masih tetap suatu misteri yang tidak terpecahkan.

Strategi besar Einstein adalah memberi suatu asal-usul geometrik yang lengkap pada materi. Tapi tanpa lebih banyak petunjuk fisikal dan suatu pemahaman fisikal yang lebih dalam dari materi, strateginya untuk mengubah materi-energi menjadi seindah kelengkungan ruangwaktu menjadi mustahil.

Kita barangkali bisa menunjukkan kesalahan Einstein. Kita ingat bahwa hukum-hukum alam menjadi sederhana dan menyatu dalam dimensi-dimensi yang lebih tinggi. Einstein betul ketika dia menerapkan asas ini dua kali, dalam teori relativitas khusus dan umumnya. Tapi pada upaya ketiga untuk merumuskan teori medan terpadu, dia mengabaikan asas fundamental ini. Sedikit sekali yang diketahui tentang susunan materi atomik dan nuklir pada zamannya. Sebagai akibatnya, tidak jelas bagaimana menggunakan ruang dimensional lebih tinggi sebagai suatu asas pemersatu.

Pemecahan yang melibatkan asas fundamental yang diabaikan Einstein akan datang dari seorang matematikawan tidak terkenal waktu itu. Dia akan menuntun kita pada dimensi kelima.

0 komentar: