Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Kemanunggalan Dalam Fisika

Untuk pekerjaan dalam ruang lingkup fisika umumnya fisikawan bekerja untuk menemukan pola dan keteraturan di antara fenomena-fenomena yang terjadi di alam. Berdasarkan pola yang ditemukan, fisikawan kemudian berusaha menemukan hukum alam untuk fenomena-fenomena tersebut, dan jika memungkinkan, pola dan keteraturan yang ditemukan juga digunakan sebagai acuan untuk memprediksi fenomena-fenomena yang baru.

Source: symmetry magazine

Dalam siklus ini, seringkali fisikawan menemukan bahwa apa yang tampak sebagai fenomena-fenomena yang berbeda, sebenarnya merupakan fenomena yang sama yang teramati lewat aspek-aspek yang berbeda. Jadi, hukum alam yang berbeda dapat terungkap sebagai manifestasi tertentu dari hukum alam yang sama. Teori-teori yang berbeda ternyata dapat dimasukkan ke dalam satu teori yang tunggal, yang lebih luas, dan lebih mendasar. Penyatuan dan penggabungan beragam fakta atau konsep untuk membentuk kerangka kerja yang lebih umum ini disebut dengan unifikasi atau penyatuan. Unifikasi terus-menerus terjadi dalam fisika baik itu dalam skala teori atau hukum dan sebagainya sebagai unsur penting dari upaya fisikawan untuk mendapatkan pemahaman yang lebih sederhana akan hal-hal yang tampaknya berbeda sebagai manifestasi dari hal yang sama.

Sebelum Sir Isaac Newton muncul, apa yang kita kenal sekarang sebagai gravitasi hanya dipandang sebagai kekuatan yang menarik benda-benda ke bawah menuju Bumi. Di sisi lain, Johannes Kepler dan para astronom lain menunjukkan bahwa planet bergerak mengelilingi Matahari mengikuti orbit berbentuk elips. Pada saat itu, tidak ada satupun yang tahu mengapa dan apa yang menyebabkan planet bergerak mengelilingi matahari mengikuti orbit tersebut. Kedua fenomena ini, yaitu gerak planet dan fenomena benda-benda yang selalu jatuh menuju Bumi belum dipandang sebagai fenomena yang sama.

Misteri ini baru bisa dipecahkan oleh Newton melalui teori gravitasinya. Newton menggabungkan atau menyatukan kedua fenomena yang tampaknya sangat berbeda tadi dengan satu prinsip yang tunggal. Newton mengusulkan bahwa semua benda yang memiliki massa akan saling tarik-menarik satu sama lain dengan kekuatan yang sebanding dengan massa benda-benda tersebut, dan berbanding terbalik dengan pangkat dua dari jarak yang memisahkan benda-benda tersebut. Dengan hubungan yang sederhana ini, Newton dapat menjelaskan bahwa peristiwa jatuhnya benda ke bumi, gerak bulan mengitari bumi, dan gerakkan planet mengelilingi matahari disebabkan oleh gaya yang sama yaitu gravitasi.

Contoh kasus unifikasi lainnya terjadi pada abad ke-19 ketika Dmitry Mendeleyev berhasil menemukan pola di antara unsur-unsur yang mengarah pada pengembangan tabel periodik unsur yang pertama. Mendeleev berhasil mengelompokkan berbagai jenis unsur kimia yang saat itu dipandang sebagai unsur-unsur yang berbeda ke dalam apa yang disebut tabel periodik unsur. Memasuki abad ke-20, mekanika kuantum menjelaskan tabel periodik Mendeleev dengan lebih detail. Sampai di sini jelas bahwa unit dasar dari unsur kimia yang oleh Mendeleev dikelompokkan sebagai jenis-jenis unsur yang berbeda, ternyata tidak lain adalah atom yang terdiri dari inti bermuatan positif dan sejumlah elektron yang bermuatan negatif. Dengan kata lain, semua unsur tersebut adalah fenomena yang sama yang disebut dengan atom.

Masing-masing dari setiap unsur tersebut dicirikan oleh berapa banyak jumlah elektron dalam atom unsur tersebut, beserta dengan nomor atomnya – perbedaan ini yang berfungsi dalam mengurutkan unsur-unsur dalam tabel periodik. Sifat kimia dan fisika suatu unsur bergantung pada keadaan yang diperbolehkan pada sistem inti atom beserta elektronnya, khususnya keadaan dasarnya atau keadaan energi terendahnya. Semua hal ini (ciri-ciri atom) dijelaskan oleh mekanika kuantum. Ini adalah penyatuan pada skala atom. Unsur-unsur kimia yang tampak berbeda dalam banyak hal, dapat dipahami sebagai manifestasi dari fenomena dasar yang sama yaitu fenomena yang memuat sejumlah elektron dalam medan listrik dari inti bermuatan positif yang disebut atom.

Sekarang beralih ke contoh penyatuan hukum. Sampai abad ke-19, pemahaman tentang efek listrik dan magnet dan hubungan antara keduanya telah berkembang secara bertahap. Berbagai pola yang telah ditemukan dinyatakan dalam sejumlah hukum, antara lain hukum Coulomb, hukum Ampere, hukum Biot-Savart, dan hukum Gauss.

Pada abad ke -19, James Clerk Maxwell mengajukan teori elektromagnetisme dalam bentuk himpunan persamaan yang disebut persamaan Maxwell. Persamaan ini menyatukan semua hukum yang telah disebutkan sebelumnya, dalam arti bahwa semua hukum tersebut dapat diturunkan dari persamaan Maxwell. Semua berbagai hukum menjadi dipahami sebagai aspek yang berbeda dari hukum elektromagnetisme, seperti yang diungkapkan oleh persamaan Maxwell. Lebih jauh, teori Maxwell menunjukkan bahwa listrik dan magnet itu sendiri harus dilihat sebagai dua aspek dari fenomena elektromagnetisme yang lebih umum. Dengan cara ini, listrik dan magnet disatukan dalam elektromagnetisme.

Penyatuan terjadi juga pada tataran teori. Misalnya, perlakuan kuantum modern terhadap gaya elektromagnetik, gaya (nuklir) lemah, dan gaya (nuklir) kuat dilakukan dalam kerangka teori medan kuantum, di mana ketiga gaya tersebut dijelaskan melalui apa yang dikenal sebagai teori gauge (pengukur). Teori kuantum sendiri merupakan unifikasi dari teori kuantum dan teori relativitas khusus Einstein.

Selama abad ke-20, gaya elektromagnetik dan gaya lemah dipahami memiliki banyak kesamaan meskipun keduanya tampak sangat berbeda. Pada kondisi energi yang cukup tinggi, yang berarti suhu tinggi, ketika energi massa perantara yang lemah menjadi diabaikan, kedua gaya tersebut bergabung menjadi apa yang disebut sebagai gaya elektrolemah (electroweak force). Gaya ini membentuk penyatuan gaya elektromagnetik dan gaya lemah yang berlaku pada energi tinggi. Sepertinya, inilah kondisi yang terjadi pada tahap awal evolusi alam semesta ketika suhu dan energi jauh lebih tinggi daripada sekarang. Saat alam semesta mengembang dan mendingin, kedua kekuatan itu akhirnya "berpisah," sehingga masing-masing gaya tersebut mengembangkan identitas individunya sendiri. Dengan cara ini, teori gaya elektrolemah menyatukan teori gaya elektromagnetik dan gaya (nuklir) lemah.

Di luar penyatuan elektrolemah, ada indikasi bahwa penyatuan lebih lanjut harus ada. Unifikasi ini akan menyatukan gaya elektrolemah dengan gaya kuat, memberikan apa yang disebut grand unified theory (GUT). Jika benar, penyatuan ini seharusnya hanya berlaku pada energi dan suhu yang lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk penyatuan elektro-lemah. Dalam kehidupan alam semesta, GUT seharusnya memegang kendali untuk durasi yang lebih pendek daripada teori elektro-lemah pada usia awal alam semesta dalam proses big bang.

Tujuan akhir dari penggabungan semua interaksi (gaya) dasar ini adalah menyatukan GUT dengan gravitasi dan mencakup semua interaksi yang dikenal dalam teori tunggal yang disebut teori segalanya atau theory of everything (TOE). Setidaknya kekuasaan TOE dalam evolusi alam semesta dipercaya terjadi dalam waktu yang paling singkat ketika ketika alam semesta sangat panas. Ketika perluasan alam semesta mendinginkannya, gaya gravitasi dan GUT akan berpisah satu sama lain. Kemudian, pada suhu yang lebih rendah, seiring alam semesta yang terus memperluas dirinya (mengembang), gaya kuat dan gaya elektro-weak akan terpisah satu sama lain dan mendapatkan identitas masing-masing. Kemudian, semakin suhu alam semesta semakin mendingin, gaya lemah dan gaya elektromagnetik akan masuk ke dalam keberadaan yang terpisah. Sedangkan, penyatuan listrik dan magnet dalam elektromagnetisme masih berlaku sampai hari ini.

Fisikawan secara aktif mengerjakan Grand Unified Theory (GUT), tetapi sejauh ini tanpa hasil yang pasti. Sedangkan dalam pekerjaan theory of everything (TOE), pertama-tama fisikawan harus mengatasi rintangan untuk membuat teori relativitas umum milik Albert Einstein, yang merupakan teori gravitasi yang berlaku saat ini, kompatibel dengan fisika kuantum. Hasilnya, jika dan ketika tercapai, akan disebut teori gravitasi kuantum. Teori ini ketika ditemukan diharapkan dapat disatukan dengan GUT untuk menghasilkan TOE. Sampai di sini sangat sulit untuk membayangkan apa yang mungkin berada di luar dari theory of everything (TOE). Skenario unifikasi yang baru saja dijelaskan yang mengarah ke TOE hanyalah dugaan, dari situasi sekarang ke masa depan. Mungkin, seperti yang sering terjadi dalam fisika, penemuan-penemuan baru akan mengubah gambaran secara dramatis, dan jalan penyatuan akan mengarah ke arah yang sangat tidak terduga.

Ketika fisikawan berhasil menyatukan serangkaian fenomena alam yang tampaknya berbeda dan tidak berhubungan sama sekali, maka akan melahirkan teori baru yang lebih kuat. Teori baru yang lebih kuat ini dapat menjelaskan dan memprediksi lebih banyak hal daripada apa yang bisa dijelaskan oleh masing-masing teori tersebut sebelum digabungkan. Selain itu teori baru (teori gabungan/unifikasi) juga dapat menjelaskan hal-hal yang sebelumnya dijelaskan oleh masing-masing teori sebelum digabung dengan jauh lebih sederhana.

Contohnya, teori gravitasi universal Newton bisa menjelaskan mengapa benda jatuh dan mengapa planet bergerak dalam orbit elips sebagai sebuah fenomena yang sama yaitu fenomena gravitasi. Ini jelas menjadikannya lebih sederhana dibandingkan dengan harus menjelaskannya sendiri-sendiri berdasarkan teori-teori sebelumnya. Di samping itu teori Newton dapat digunakan untuk memahami dan memprediksi lebih banyak hal yang tidak bisa dilakukan oleh teori-teori sebelumnya saat masih berupa teori-teori yang berbeda. Maksudnya, kita tidak bisa menggunakan persamaan Kepler yang mendeskripsikan lintasan elips planet untuk mencari tahu berapa berat astronot saat berada di bulan atau berapa kecepatan yang dibutuhkan satelit untuk bisa mengorbit bumi. Ini semua hanya bisa dihitung dan diprediksi menggunakan teori gravitasi Newton.

Sejauh ini penyatuan atau unifikasi telah melayani fisika dengan sangat baik. Unifikasi membuat kesederhanaan. Banyak hukum alam dan teori sains digantikan oleh hukum yang lebih sederhana, dan oleh satu teori yang lebih mendasar dan menyeluruh. Lewat unifikasi juga fisika mengambil langkah lebih jauh menuju pemahaman yang lebih mendalam tentang alam semesta.

Sumber:

Rosen, Joe and Gothard, L.Q., Encyclopedia Of Physical Science. New York, Facts On File, 2010.

Ricky Hamanay
Ricky Hamanay Yuditya Hamdani Hamanay; penulis sains amatir. Blogger sejak 2013