Category: Fisika

Sejarah Penemuan Quark

On By pramoedyasolarisIn FisikaLeave a comment
image from wikipedia

Pada tahun 1961 Gell-Mann dan Ne’eman memperkenalkan sebuah skema yang dikenal sebagai simetri SU(3). Skema tersebut digunakan untuk mengurutkan hadron dengan cara menyertakan partikel-partikel berspin sama ke dalam sebuah grup. Hal ini dapat diibaratkan dengan apa yang dilakukan Mendeleev terhadap unsur kimia, bahwasanya yang dilakukan Gell-Mann dan Ne’eman adalah membuat semacam tabel periodik untuk hadron yang kemudian diberi nama the Eightfold Way (Riordan, 1992).

Pada masa itu pola yang ada pada the Eightfold Way belum bisa dijelaskan. Baru pada tahun 1964 lah the Eightfold Way mulai dapat dimengerti, yakni saat Gell-Mann dan Zweig mengajukan bahwa semua hadron sejatinya terdiri atas penyusun yang lebih elementer (Griffith, 2008). Perlu diketahui bahwa Gell-Mann dan Zweig memiliki gagasan tersebut secara terpisah. Zweig mengemukakan gagasannya dalam karya ilmiah yang tidak pernah ia terbitkan, di situ ia merujuk partikel elementer yang dimaksud dengan sebutan “aces” (Fritzsch, 2010; Han, 1999). Sementara itu, Gell-Mann memberikan sebutan “quarks” pada partikel elementer yang dimaksud. Sebutan itu Gell-Mann ambil dari sebuah novel karya James Joyce yang berjudul ‘Finnegans Wake’ – “three quarks for Muster Mark” (Close, Marten & Sutton, 2004). Semenjak itu nama quarks melekat pada partikel elementer penyusun hadron.

Dengan hadirnya konsep quarks, maka semua baryon dianggap tersusun atas tiga buah quark dan anti-materinya tersusun atas tiga buah anti-quark, sedangkan meson dianggap tersusun atas sebuah quark dan sebuah anti-quark. Guna menjelaskan the Eighfold Way Gell-Mann membagi quark ke dalam tiga jenis dan menyebutnya sebagai quark ‘up’, quark ‘down’ dan quark ‘strange’ (Han, 1999).

Hal yang selanjutnya menarik perhatian adalah hakikat meson yang secara intrinsik tidak stabil ketika dipandang sebagai struktur gabungan dari sebuah quark dan sebuah anti-quark. Sebab berdasarkan definisi dikotomi materi-anti-materi itu sendiri ketika materi berinteraksi dengan anti-materi maka keduanya akan mengalami anihilasi. Jadi berdasarkan definisi tersebut, quark yang diletakkan di dalam ruangan terkungkung bersama dengan anti-quark tentunya akan mengakibatkan terjadinya anihilasi. Namun hal itu masuk akal mengingat masa hidup meson yang teramat singkat, dalam orde nanodetik (Han, 1999).

Tak berhenti di situ, jika ditelisik lebih jauh maka akan ditemui sifat-sifat dari quark yang terkesan nyeleneh, berbeda dari partikel-partikel elementer sebelumnya. Pertama, masalah bilangan baryon. Diketahui bilangan baryon untuk semua baryon adalah +1 dan bilangan baryon untuk anti-baryon adalah -1. Melalui prinsip yang sama, aturan zero-sum (jumlahan nol) untuk bilangan baryon menyaratkan bahwa jumlahan bilangan baryon sebelum dan sesudah reaksi haruslah sama. Menurut model quark yang diusung Gell-Mann-Zweig, baryon tersusun atas tiga buah quark, dengan demikian bilangan baryon dari quark haruslah tepat 1/3, di mana dalam konteks ini pecahan semacam itu belum pernah ditemui sebelumnya (Han, 1999).

Karakteristik pecahan dari quark bahkan tampak lebih nyeleneh pada muatan listriknya. Berdasarkan beberapa kombinasi yang mungkin dari konfigurasi tiga buah quark – misalnya uuu, uud, udd, dan ddd, di mana u adalah up dan d adalah down – model Gell-Mann-Zweig menetapkan kombinasi uud untuk proton dan udd untuk netron. Berangkat dari pemodelan tersebut maka jumlahan muatan listrik untuk dua buah quark up dan sebuah quark down haruslah bernilai +1 (muatan listrik proton), sedangkan jumlahan muatan listrik untuk sebuah quark up dan dua buah quark down haruslah bernilai 0 (muatan listrik netron). Dengan begitu muatan listrik quark up haruslah +2/3 dan muatan listrik quark down haruslah -1/3(Han, 1999; Riordan, 1992). Sementara untuk strangeness, quark up maupun quark down memiliki bilangan strange S=0, dan quark strange memiliki bilangan strange S=-1 (Griffith, 2008).

Meskipun beberapa hal berhasil dijelaskan, namun masih ada yang mengganjal terkait quark. Pasalnya, dari pengamatan yang telah dilakukan, quark belum pernah ditemui dalam keadaan tunggal. Kegagalan eksperimen dalam menghasilkan quark yang terisolasi menyebarkan skeptisisme akan model quark di kalangan para ilmuwan. Beberapa mencoba mengobati kekecewaan mereka dengan mengusulkan apa yang disebut sebagai quark confinement (Griffith, 2008).Hingga pada akhir tahun 60an, rentetan eksperimen penghamburan  yang dilaksanakan para ilmuwan dari Massachusetts Institute of technology (MIT) dan Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) mulai membuahkan hasil berupa bukti langsung akan keberadaan quark (Close, Marten & Sutton, 2004; Riordan, 1992). Eksperimen yang dilakukan pada dasarnya serupa dengan eksperimen penghamburan Rutherford. Pada eksperimennya, Rutherford menembakkan partikel alfa ke inti atom guna menyelidiki bagian dalam dari inti atom. Dalam kasus ini maka interior dari sebuah proton dapat diketahui dengan cara menembak proton dengan benda lain seperti elektron bertenaga tinggi ataupun pendaran neutrino sebagaimana yang dilakukan CERN. Hasilnya secara mengejutkan mirip dengan eksperimen Rutherford, yaitu sebagian besar partikel yang ditembakkan dapat lewat melalui proton, sedangkan sejumlah kecil partikel terpantul kembali dengan keras. Ini berarti muatan proton terkonsentrasi pada gumpalan kecil di dalamnya, dan bukti menunjukkan adanya tiga gumpalan, alih-alih satu (Griffith, 2008).

Kendala berikutnya yang dihadapi ketika berurusan dengan model quark adalah adanya pelanggaran larangan Pauli, di mana larangan tersebut menyatakan bahwa partikel berspin tengahan tidak boleh memiliki bilangan kuantum yang semuanya sama. Sementara, contoh kasus, pada delta plus plus terdapat tiga buah quark yang identik, yakni uuu, yang bilangan kuantumnya semuanya sama sehingga berlawanan dengan larangan Pauli. Dilema tersebut akhirnya teratasi oleh usulan Greenberg. Ia mengusulkan bahwa quark tidak hanya terdiri dari dua flavour (rasa), melainkan tiga. Flavour ke-tiga ini kemudian oleh Gell-Mann disebut colour (warna) dan terdiri atas tiga warna red (merah), green (hijau), dan blue (biru) (Griffith, 2008). Warna-warna tadi tidak memiliki nilai yang eksak dan sama sekali tidak menggambarkan sifat fisik berupa warna sungguhan. Partikel-partikel yang bermunculan di alam dianggap tidak berwarna atau netral. Tidak berwarna maksudnya jumlahan warnanya kalau tidak nol berarti ketiga warna muncul secara bersamaan. Untuk meson jumlahan warnanya nol, karena keberadaan quark dan anti-quark saling menghilangkan warnanya, sedangkan untuk baryon ketiga warna muncul semua. Dengan demikian model quark mematuhi larangan Pauli. Di samping itu, penggunaan istilah warna juga terdengar masuk akal, karena ketika semua warna bercampur secara merata maka ketiga warna tadi tampak putih, tak berwarna (Griffith, 2008; Han, 1999).

Selanjutnya, dikarenakan lepton mengikuti pola tertentu, beberapa karya ilmiah menyarankan adanya quark ke-empat. Tidak banyak fisikawan yang menanggapinya secara serius. Sheldon Glashow dan James Bjorken menjuluki quark usulan ini dengan istilah ‘charm’. Keberadaan quark charm ini baru terbukti ketika ditemukan partikel “J/psi” melalui eksperimen Samuel Ting dan Burton Richter yang diselenggarakan secara terpisah, di mana partikel J/psi ini sebenarnya merupakan pasangan quark charm  dan anti-quark charm. Penemuan ini dikenal sebagai the November Revolution (Particle Adventure n.d.).

Pada 1975 ditemukan sebuah lepton baru, sehingga jumlah jenis lepton secara keseluruhan ada enam dan quark ada empat. Dua tahun kemudian ditemukan quark beauty atau lebih dikenal dengan quark bottom. Baryon bottom untuk pertama kalinya teramati pada 1980 dan meson bottom pada 1983. Sejauh itu, dengan mudah para fisikawan memprediksi akan adanya quark ke-enam, yang disebut sebagai quark truth atau top, dan keberadaan quark top baru terindikasi pada tahun 1995 (Griffith, 2008).

REFERENSI

Close, F., Marten, M., & Sutton, C., 2004, The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of the Matter, Oxford University Press, New York.

Griffith, D., 2008, Introduction to Elementary Particles, Wiley-VCH, Moerlenbach.

Han, M. Y., 1999, Quarks and Gluons: A Century of Particle Charges, World Scientific Publishing, Singapore.

Harald Fritzsch (ed), 2010,  Murray Gell-Mann: Selected Papers, World Scientific Publishing, Singapore.

Particle Adventure, n.d., Modern Particle Theory Timeline, dilihat 6 September 2018 <http://www.particleadventure.org/other/history/smt.html>

Riordan, M., 1992, “The Discovery of Quarks”, Science, vol. 256, no. 5061, pp. 1287-1293

Carlo Rovelli: Waktu adalah Ilusi

On By pramoedyasolarisIn Filsafat Fisika, FisikaLeave a comment

Waktu dapat diukur menggunakan jam dan berlaku sama bagi semua orang. Waktu berjalan secara seragam di seluruh penjuru alam semesta. Entah itu masa lalu, masa depan, ataupun masa kini, kita semua berada di alur waktu yang sama dan tengah berjalan maju menyusuri garis waktu. Semua pandangan akan waktu semacam itu adalah keliru, setidaknya menurut Carlo Rovelli.

Sebaliknya, waktu adalah ilusi. Tidak ada variabel tunggal yang mampu menggambarkan jalannya waktu. Konsep mengenai masa lalu, masa depan, dan masa kini hanyalah persepsi yang muncul dari pengalaman manusia ketika berinteraksi dengan lingkungan sekitarnya. Cara pandang kita yang naif akan jalannya waktu tidak serta merta dapat disamakan dengan dunia fisik yang sesungguhnya. Begitulah pendapat Carlo Rovelli akan waktu sebagaimana yang ia tuangkan dalam bukunya yang berjudul The Order of Time.

Carlo Rovelli sendiri merupakan seorang fisikawan teoretis asal Italia yang dikenal karena kontribusinya terhadap gravitasi kuantum dan filsafat fisika. Teorinya mengenai gravitasi kuantum disebut sebagai loop quantum gravity. Seperti halnya string theory, loop quantum gravity berupaya menyatukan mekanika kuantum dengan relativitas umum. Namun, tidak seperti string theory, loop quantum gravity tidak berambisi ke arah teori segala sesuatu. Sementara itu, di bidang filsafat fisika, Rovelli mengajukan sebuah interpretasi dari mekanika kuantum yang ia sebut sebagai mekanika kuantum relasional. Cara Rovelli dalam menyusun formalisme yang ia gunakan di mekanika kuantum relasional terilhami oleh tulisan Albert Einstein tentang relativitas khusus. Kerangka berpikir yang ia gunakan dalam interpretasinya juga terpengaruh kuat oleh cara berpikir Einstein.

Tak dapat dipungkiri Einstein adalah salah satu sosok yang telah banyak menginspirasi Rovelli, termasuk dalam cara pandang Rovelli terhadap waktu. Einstein berpendapat bahwa waktu yang ditunjukkan oleh jam hanyalah ilusi. Waktu akan berjalan lebih cepat pada tempat yang lebih tinggi dan lebih lambat pada tempat yang lebih rendah di bumi karena pengaruh gravitasi. Pendapat ini kemudian dibawa lebih jauh lagi oleh Rovelli dengan menyatakan bahwa waktu berjalan secara bervariasi di alam semesta. Rovelli selanjutnya memberikan penjelasan kenapa manusia merasakan waktu seolah-olah berjalan secara seragam bagi semua orang, hal ini berhubungan dengan bagaimana manusia memproses dunia sekitar.

Menurut Rovelli manusia memproses waktu sebagaimana manusia memproses musik. Ketika mendengarkan musik manusia sebenarnya hanya mendengarkan satu nada setiap waktu, yang membuat nada-nada itu kemudian terdengar sebagai sebuah kesatuan adalah ingatan kita akan nada-nada sebelumnya yang secara otomatis mengimplikasikan antisipasi untuk nada selanjutnya, demikian jugalah waktu. Penggambaran Rovelli akan waktu tak hanya mampu mendorong kita untuk mempertanyakan kembali hakikat waktu yang sesungguhnya, namun juga hakikat realitas secara keseluruhan.