Persamaan Maxwell dan Rahasia Alam

Oleh: Marianne Freiberger
18 Desember 2015
(Sumber: plus.maths.org)

2015 adalah tahun peringatan. Kita merayakan seabad teori relativitas umum Einstein, dan ulangtahun ke-200 George Boole, yang logikanya mentenagai komputer modern. Tapi ada pula peringatan ketiga—dan ia relevan dengan teknologi modern serta pemahaman kita akan Alam Semesta.

James Clerk Maxwell (1831-1879)
James Clerk Maxwell (1831-1879)

Hampir tepat 150 tahun silam fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell menyusun cara menggabungkan listrik dan magnetisme, dua hal yang mulanya nampak tak berkaitan. Pada 1865 Maxwell menerbitkan sekumpulan persamaan yang melukiskan fenomena elektromagnetik, demikian disebutnya. Nama ini mungkin terdengar teknis, padahal kita menjumpai fenomenanya setiap hari: dalam wujud cahaya tampak (visible light) yang kita andalkan untuk melihat dunia sekeliling kita, TV dan radio yang terus menghibur kita, dan WiFi atau sinyal ponsel yang terus menghubungkan kita. Hampir mustahil mendaftar semua bidang fisika dan teknologi di mana persamaan tersebut berguna.

Menangkap gelombang
Secara terpisah, listrik dan magnetisme sudah dikenal untuk waktu amat lama. “Istilah ‘listrik’ dan ‘magnetisme’ berawal dari Yunani kuno,” jelas John Ellis, Clerk Maxwell Professor of Theoretical Physics di King’s College, London, di mana Maxwell sendiri pernah menjadi profesor. “Masyarakat tahu kedua fenomena ini, tapi baru pada abad 18, dan terutama paruh pertama abad 19, mereka sadar pasti ada pertalian di antara keduanya.” Di pertengahan abad 19, para eksperimentalis, termasuk Michael Faraday, telah memperlihatkan bukti gamblang untuk pertautan ini. Mereka menunjukkan, misalnya, bahwa arus listrik dapat membangkitkan medan magnet, dan magnet bergerak dapat membangkitkan arus listrik.

“Ada sejumlah ide teoritis berbeda-beda, lalu Maxwell masuk dan memahami semuanya,” kata Ellis. “Dia tunjukkan cara mendeskripsikan listrik dan magnetisme secara berkaitan. Dia menunjukkan bahwasanya banyak ide-ide terdahulu adalah [sampah]. Dan dia temukan beberapa hal luar biasa.”

Persamaan Maxwell
Ini adalah persamaan-persamaan Maxwell. Anda bisa temukan penjelasan enaknya di sini.

“Saat orang-orang mendengar tentang gelombang, [biasanya] mereka memikirkan gelombang air, atau mungkin gelombang suara,” kata Ellis. “[Gelombang elektromagnetik] agak lebih abstrak, tapi punya konsekuensi amat konkret. Sebetulnya inilah yang kita pahami sebagai cahaya dan radio, [dll]. Semua itu merupakan gelombang elektromagnetik, yang diprediksi oleh Maxwell berdasarkan persamaannya.”

Persamaan ini juga memungkinkan Maxwell mengkalkulasi seberapa cepat gelombang elektromagnetik berjalan di ruang hampa, dan menjawab pertanyaan yang sudah lama direnungkan orang-orang. “Sebelumnya telah diketahui bahwa cahaya, walaupun amat sangat cepat, tidak cepat tak terhingga,” jelas Ellis. “Ia perlu waktu untuk sampai dari A ke B, dan berbagai eksperimen [telah] mengukur ini. Saya kira salah satu momen penemuan paling luar biasa dalam sejarah sains adalah ketika Maxwell duduk dan mengkalkulasi kecepatan cahaya berdasarkan persamaannya, dan memperoleh jawaban yang tepat.” (Jawabannya adalah hampir 300.000.000 meter per detik.)

Temuan ini membesarkan harapan, tapi baru 25 tahun kemudian eksistensi fisik gelombang yang diprediksi oleh Maxwell terbuktikan dalam eksperimen. “Heinrich Hertz mempertontonkan realitas fisik gelombang ini dengan membangkitkan arus listrik bolak-balik, dan kemudian mengenali sebuah sinyal yang dapat disamakan dengan gelombang radio modern pada perangkat penerima,” jelas Ellis. “Dia hanya mengerjakannya di lab, jadi mungkin Anda akan bilang itu sedikit aneh. Tapi kemudian, tak lama sesudah itu, Guglielmo Marconi menunjukkan bahwa Anda dapat mengirim gelombang radio menyeberangi Atlantik. Itu betul-betul merevolusi cara manusia berkomunikasi—dan itu semua berawal dari persamaan Maxwell.”

Unifikasi
Kegunaan praktis persamaan Maxwell sangat mengesankan, tapi banyak fisikawan merayakan peringatannya untuk alasan yang lebih fundamental: persamaan itu membawa kita lebih dekat kepada pemahaman akan sifat dunia yang kita tinggali. “Jika kita tengok sekeliling Alam Semesta hari ini, ia cukup rumit,” kata Ellis. “Tapi kami fisikawan sibuk berusaha memahami bagaimana ia bekerja dan bagaimana ia demikian hari ini. Jadi kami coba mencari pertautan antara fenomena-fenomena berbeda, sejenis kausa pokok. Itu [dinamakan unifikasi]. Kami coba menyatukan deskripsi berbagai kepingan alam. Usaha memahami kaitan antara hal-hal berlainan yang terjadi di Alam Semesta sungguh memuaskan secara intelektual. Tapi selain itu, sebagaimana diindikasikan oleh contoh gelombang-gelombang elektromagnetik tersebut, ini memungkinkan Anda berbuat sesuatu yang tak terbayangkan sebelumnya.”

John Ellis
John Ellis

Fisika fundamental telah menempuh perjalanan panjang sejak zaman Maxwell. Jelang akhir 1930-an, orang-orang sudah sadar ada gaya fundamental lain di samping elektromagnetisme dan gravitasi (yang dideskripsikan oleh Isaac Newton di abad 17 dan Albert Einstein pada 1915). Mereka menemukan gaya nuklir kuat, yang menjaga kesatuan nukleus atom, dan gaya lemah, yang bertanggungjawab atas beberapa bentuk peluruhan radioaktif. “Kesibukan fisikawan abad 20 berikutnya adalah apa mereka dapat memahami gaya-gaya fundamental lain ini,” ujar Ellis.

Untuk mendeskripsikan gaya lemah, fisikawan membuat analogi dengan elektromagnetisme, dan akhirnya naik selangkah lebih tinggi di tangga unifikasi. Ide-ide mereka mengindikasikan kedua gaya ini sebetulnya dua sisi mata uang yang sama: gaya elektrolemah terpadu. Ide ini aneh karena gaya lemah tidak berperilaku seperti listrik, atau magnetisme. Bagi para pemula, dan sebagaimana diisyaratkan oleh namanya, ini jauh lebih lemah. Ia hanya beraksi pada rentang [jarak] mini yaitu 3 x 10-17 meter; dan pada skala nuklir, gaya lemah ini 10.000 kali lebih lemah daripada gaya elektromagnetik. “Jika ia tidak lemah, kehidupan akan mustahil,” kata Ellis. “Bukan berarti kita semua akan berpijar dalam gelap. [Bahkan] kita takkan pernah terlahir. Alam Semesta akan berbeda sama sekali andaikan gaya lemah tidak lemah.”

Gagasan unifikasi mengisyaratkan bahwa keserupaan kedua gaya tersebut, elektromagnetisme dan gaya lemah, hanya kentara persis pasca Big Bang, saat Alam Semesta luar biasa panas. Seiring mendinginnya suhu, gaya-gaya ini mengkristal dan menjadi berbeda. Meski terdengar aneh, konsep ini lumrah sama sekali: bayangkan perubahan dramatis yang terjadi pada air ketika membeku jadi es.

Pada 1960-an, pelbagai fisikawan merangkai sebuah teori yang mendeskripsikan kedua gaya dalam satu kerangka matematis. “Deskripsi pokok gaya-gaya ini sangat mirip dengan milik Maxwell, jadi ini merupakan unifikasi,” jelas Ellis. “Ini adalah sekumpulan persamaan yang lebih rumit, tapi pada prinsipnya relatif sederhana, karena terdapat kesimetrian yang mempertalikan mereka.”

Perbedaan di antara gaya-gaya tersebut, sebagaimana kita saksikan hari ini, dijelaskan lewat proses yang membuat kesimetrian bersembunyi. Lagi-lagi air menyajikan analogi bagus untuk ini. Hukum alam yang bertanggungjawab atas perilaku air adalah sama di setiap tempat dan tidak memfavoritkan arah tertentu di ruang—itu sebabnya sepetak samudera sangat mirip dengan [petak-petak] manapun, dan tampak sama dari arah manapun Anda memandangnya. Sedangkan gunung es yang terbentuk saat air membeku tidak menampakkan kesimetrian ini: takkan ada dua gunung es berwujud sama, dan Anda harus sangat mujur untuk menemukan gunung es berkesimetrian rotasional. Kesimetrian teori—tanpa peduli tempat atau arah—tidak hadir pada masing-masing hasil. Tapi ia masih ada, bersembunyi di latar.

Kembali ke urusan gaya, ternyata setiap gaya diangkut melintasi ruang oleh partikel-partikel kurir bernama boson. Mulanya semua partikel kurir (bahkan semua partikel di Alam Semesta) tidak mempunyai massa sama sekali. Tapi seiring Alam Semesta mendingin, segalanya “membeku” ke dalam bentuk berlainan: partikel kurir gaya lemah (dan partikel lain) mendapat massa, sedangkan partikel kurir elektromagnetisme tetap tak bermassa. Beratnya boson lemah menandakan mereka sulit diproduksi, dan itulah yang membuat gaya tersebut lemah. “Andai partikel-partikel itu tidak berat, maka gaya lemah akan sepenting listrik dan magnetisme, dan kita semua akan tergoreng,” tukas Ellis. (Lihat di sini untuk tahu lebih banyak tentang fisika partikel unsur.)

Menemukan partikel baru
Awalnya teori ini kurang menarik perhatian, tapi pada 1970-an temuan teoritis dan eksperimental mulai mengokohkannya. “Saya ikut main pada 1975, karena saya bilang, ‘Well, dengar. Jelas-jelas [partikel kurir berat gaya lemah] ini harus eksis, jadi seseorang akan menemukannya kelak,’” kata Ellis, dan dia benar. Boson kurir berat gaya lemah (disebut boson Z dan W) ditemukan di CERN pada 1983. “Tapi aspek yang betul-betul penting dari semua itu adalah objek bernama boson Higgs. Partikel ini [dalam beberapa hal] merupakan kurir kerusakan kesimetrian dalam teori terpadu listrik dan magnetisme dan interaksi lemah. Maka saya, Mary Gaillard, dan Dimitri Nanopoulos menulis sebuah makalah yang membahas seperti apa partikel ini. Boson Higgs kemudian menjadi semacam cawan suci fisika partikel. Akhirnya, pada 2012, eksperimen di LHC menemukannya, sehingga melengkapi gambaran unifikasi di satu sisi, dan kesimetrian serta cara kerusakannya di sisi lain.” (Anda bisa baca lebih jauh tentang boson Higgs di sini.)

Petir merupakan lucutan elektrostatis dalam badai listrik di antara kawasan-kawasan awan yang bermuatan listrik.
Petir merupakan lucutan elektrostatis dalam badai listrik di antara kawasan-kawasan awan yang bermuatan listrik.

Unifikasi elektrolemah menjadi kemenangan nyata fisika teoritis. Itu membuahkan Hadiah Nobel bidang Fisika untuk Sheldon Glashow, Abdus Salam, dan Steven Weinberg (atas penemuan kerangka elektrolemah terpadu), dan untuk François Englert and Peter Higgs (atas deskripsi mekanisme kerusakan kesimetrian terkait massa). Seperti Maxwell dan Ellis, Higgs pun menghabiskan waktu di King’s College, London, meski sebagai mahasiswa ketimbang profesor.

Perburuan unifikasi, yang disumbang besar oleh Maxwell, masih jauh dari selesai. Idealnya, fisikawan ingin menunjukkan bahwa semua gaya, termasuk gaya nuklir kuat dan gaya gravitasi, dahulunya satu dan itu-itu juga, dan baru bercerai-berai seiring mendinginnya Alam Semesta pasca Big Bang. Ini tugas yang menyiutkan asa—gravitasi menjadi tantangan utama dalam skema unifikasi akbar ini.

Sementara itu, bisakah kita mengharapkan manfaat praktis penelitian teoritis? “Sekarang ini pemerintah sering suka mendanai riset secara terpimpin,” kata Ellis. “Mereka ingin punya alat lebih baik, jadi mereka bayar orang untuk memproduksinya. Saya pikir persamaan Maxwell dan kisah gelombang elektromagnetik menjadi contoh sempurna bahwa sebetulnya penemuan paling revolusioner tidak lahir karena Anda mencari alat lebih baik. Kerapkali, penemuan fundamental dalam fisika, langkah-langkah maju dalam unifikasi, ternyata memiliki konsekuensi tak terduga dan revolusioner [dalam teknologi].”

“Cerita tentang boson Higgs ini menunjukkan bahwa fisika matematis punya daya prediksi luar biasa. Anda menulis persamaan, Anda paham kesimetrian persamaan tersebut, maka mereka memberi Anda kemampuan prediksi yang dahsyat. Boleh jadi, dalam domain usaha manusiawi lainnya, Anda punya kemampuan itu.”

Tentang Artikel Ini
John Ellis adalah Clerk Maxwell Professor of Theoretical Physics di King’s College, London. Marianne Freiberger adalah Editor Plus. Dia mewawancarai Ellis pada November 2015, menyusul pertemuan diskusi di Royal Society yang merayakan hari jadi persamaan Maxwell.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s