Fisika

Pencarian Teori Unifikasi bagi Seluruh Gejala di Alam Semesta

Salah satu gagasan mendasar dari ilmu fisika adalah apa yang disebut sebagai prinsip unifikasi. Yakni, penggabungan dua atau lebih teori yang menjelaskan gejala (phenomena) tertentu ke dalam suatu rumusan teori yang padu. Prinsip unifikasi ini dipandang sebagai pengejawantahan dari prinsip yang diajukan oleh Wiliam of Ockham pada abad ke-14.

Ilustrasi Empat Gaya Fundamental, gambar: www.forbes.com

Ilustrasi Empat Gaya Fundamental, gambar: www.forbes.com

Teori unifikasi adalah teori untuk menyatukan aneka interaksi yang sudah dikenal di alam semesta ini dalam sebuah teori. Ada banyak jenis dan tingkatan teori unifikasi. Interaksi dari gaya yang sudah dikenal di alam semesta meliputi : gaya elektromagnetik, gaya lemah, gaya kuat dan gaya gravitasi.

Teori Unifikasi, gambar: http://abyss.uoregon.edu/~js/21st_century_science/lectures/lec24.html

Teori Unifikasi, gambar: http://abyss.uoregon.edu/~js/21st_century_science/lectures/lec24.html

Sebuah prinsip yang dikenal dengan the principle of minimalism yang berbunyi: “entia non sunt multiplicanda praeter necessitate” atau dalam bahasa inggris entities must not be multiplied beyond necessity.

Prinsip unifikasi ini dianggap sangat penting bagi perkembangan ilmu fisika. Terlebih karena dewasa ini telah berkembang keyakinan bahwa sebuah teori itu harus maujud sesederhana mungkin (theory should be as simple as possible). Melalui unfikasi, kita dapat memahami berbagai fenomena alam secara lebih sederhana.

Dengan kata lain, hanya dengan beberapa rumusan. Fisikawan saat ini tengah mencari suatu rumusan yang padu guna menjelaskan seluruh gejalan di alam raya ini. Namun, sebelum lebih jauh, mari kita lihat perkembangan unifikasi dari teori-teori fisika yang telah dilakukan sejauh ini. Selamat membaca! 🙂

Teori Gravitasi Universal

Penerapan prinsip unifikasi dipelopori oleh keberhasilan Isaac Newton dalam memadukan dinamika benda langit dan benda bumi melalui teori gravitasi. Pada zaman Aristoteles telah berkembang paham bahwa hukum fisika yang mengatur alam raya itu ada dua yaitu hukum fisika langit (Celestial) dan hukum fisika bumi (Terrestial).

Rumus dan contoh mengihtung Gaya Gravitasi dua benda (bumi dan bulan), gambar: www.shminhe.com

Rumus dan contoh mengihtung Gaya Gravitasi dua benda (bumi dan bulan), gambar: www.shminhe.com

Hukum celestial cenderung membuat benda berputar (bulan dan planet-planet), sedangkan hukum terrestrial cenderung membuat benda jatuh (ke tanah) atau diam.

Gagasan tersebut bertahan cukup lama, hingga akhirnya, pada tahun 1665, Newton (setelah bertahun-tahun bergulat dengan hukum terrestial dan celestial) mengusulkan suatu teori yang menjelaskan dinamika benda langit (celestial body) dan dinamika benda di bumi (terrestial body) dalam sebuah persamaan matematis.

Bahwa, fenomena buah apel yang jatuh dan fenomena bulan mengorbit bumi tunduk pada suatu aturan yang kemudian dikenal sebagai hukum gravitasi umum (universal gravitational law).

Newton memandang gravitasi sebagai gaya tarik-menarik antar dua benda bermassa yang besarnya dipengaruhi oleh massa (gravitasional) masing-masing benda dan oleh kuadrat jarak antar kedua benda itu.

Teori Elektromagnetika

Sejak zaman dulu, umat manusia telah mengenai fenomena kelistrikan dan kemagnetan. Terbukti bahwa sejak zaman Yunani purba, Thales dari Miletos juga Plato telah menulis hal ihwal prilaku kelistrikan juga kemagnetan di alam.

Pada awal perkembangannya, kelistrikan dan kemagnetan berkembang sendiri-sendiri. Kelistrikan berhubungan dengan baterai, arus, lampu dan semcamnya. Sedangkan kemagnetan identik dengan batang magnet, kompas, kutub utara-selatan. Memang seakan satu dan yang lainnya tidak berhubungan sama sekali.

Terobosan terjadi di sekitar tahun 1820 oleh fisikawan Denmark, Hans C. Oerstedt (1777-1851). Di universitas Kopenhagen, saat musim dingin 1820 dalam kuliahnya ia berhasil menunjukkan bahwa arus listrik memengaruhi jarum magnet seperti yang dilakukan oleh batang magnet. Temuannya ini segera menyentakkan kesadaran para ilmuan pada keterkaitan dua gejala alam itu.

Solenoida, gambar: https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetism

Solenoida, gambar: https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetism

Tahun-tahun berikutnya adalah tahun-tahun dimana para ilmuan berjibaku menyusuri lorong-lorong rahasia keterkaitan antara dua gejala alam itu. Fisikawan seperti Ampere, Faraday, Gauss juga Henry saling serah-terima tongkat estafet dalam membuktikan keterhubungan keduanya dengan hukum-hukum yang mereka formulasikan.

Dan pada akhirnya, kesemua temuan itu berhasil dipadukan oleh fisikawan sekaligus matematikawan asal Skotlandia, James Clark Maxwell. Dengan pena-nya lah ia merumuskan empat persamaan indah yang menggambarkan pemanunggalan listrik dan magnet—persamaan Maxwell. Dan jika ingin lebih detail, sebenarnya ia telah berhasil me-unifikasi tiga fenomena: listrik, magnet dan cahaya.

Gelombang Elektromagnetik, gambar: https://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_equations#/media/File:Electromagneticwave3D.gif

Gelombang Elektromagnetik, gambar: https://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_equations#/media/File:Electromagneticwave3D.gif

Tiga fenomena yang nampak berbeda dapat dipadukan menjadi sebuah teori tunggal bernama: elektromagnetika.

Model Standar Fisika Partikel

Memasuki abad 20, fisikawan berhasil mendapat gambaran bahwa ada dua interkasi fundamental lain (selain gravitasi dan elektromagnet—yang mereka sudah sangat familiar) yaitu interaksi inti lemah (weak interaction) dan interkasi inti kuat (strong interaction). Interaksi inti lemah berperan dalam proses peluruhan radioaktif (sinar betha dan sebagainya).

Interkasi ini lebih lemah daripada elektromagnetik. Sedangkan interaksi inti kuat berperan dalam mengikat sejumlah proton dan neutron di dalam inti atom. Interkasi ini jauh lebih besar ketimbang tolakan ekektrostatik antar proton-proton. Maka wajarlah mereka dinamai, weak interaction dan strong interaction.

Dengan berkembangnya teori medan kuantum, fisikawan semakin bersemangat menggabungkan keseluruh interkasi fundamental yang ada. Karena dipahami bahwa interkasi nuklir lemah dan nuklir kuat dapat dideskripsikan dengan teori medan kuantum, maka akhirnya pada 1960-an, Glashow-Wienberg dan Salam berhasil menggabungkan weak interaction dengan electromagnetics. Lahirlah model standar yang juga kerap disebut: Electroweak theory.

Tantangan yang dihadapi oleh fisikawan sekarang adalah, bagaimana (dapatkah) menggabungkan keempat interkasi tersebut kedalam sebuah teori. Telah banyak upaya untuk menuju kesana. Sebelum menggabungkan keempatnya, fisikawan mencoba menggabungkan antara electroweak dengan strong, yang dewasa ini dikenal dengan nama teori keterpaduan agung, GUT (Grand Unified Theory).

GUT, gambar: http://www.symmetrymagazine.org/article/a-gut-feeling-about-physics

GUT, gambar: http://www.symmetrymagazine.org/article/a-gut-feeling-about-physics

Namun, sampai saat ini teori tersebut masih belum well-established. Jika GUT sudah dapat direkonstruksi, maka langkah selanjutnya adalah me-unifikasinya dengan gravitasi. Teori yang walaupun belum terwujud, namun fisikawan sudah memiliki nama untuknya: ToE (Theory of Everything).

Sebuah nama yang terdengar amat ambisius bahkan (menurut saya) misleading, karena teori tersebut memang tidak akan bisa menjelaskan segala hal. Beberapa fisikawan lain lebih sering menyebutnya dengan teori kuantum gravitasi.

Teori Kuantum Gravitasi?

Model standar dibangun dalam kerangka kerja teori medan kuantum. Ketika pendekatan ini hendak diterapkan untuk interaksi gravitasi (teori gravitasi kuantum), fisikawan dihadapkan dengan integral tak berhingga yang tidak dapat direnormalisasi (unrenormalizable). Ketakberhinggaan ini tidak dapat direduksi.

Hal lain yang menjadi kesulitan perumusan teori gravitasi kuantum adalah minimnya rujukan fakta-fakta empiris. Hal ini berkaitan dengan skala yang relevan, dalam arti pada skala yang padanya efek kuantum dari gravitasi menjadi relevan, merupakan hal yang sangat susah untuk dideteksi secara langsung.

Apakah hukum fisika yang kita kenal sekarang itu merupakan bentuk yang paling sederhana dari apa yang ditunjukkan alam semesta, ataukah ada bentuk yang lebih sederhana lagi yang berarti unifikasi keempat interaksi fundamental itu bisa dilakukan? Sejarah masa depanlah yang akan mencatatnya.

Sebagai tambahan wawasan, berikut merupakan video menarik tentang diskusi panel teori unifikasi dengan beberapa profesor fisika:

Penulis: Iqbal

Editor: Abdurrahim

Sumber:
Robiyana, I., Mengenal Unifikasi: Salah Satu Prinsip Dasar Ilmu Fisika, fisik@net LIPI, 24 Februari 2013.

Referensi:
Unifikasi: http://abyss.uoregon.edu/~js/21st_century_science/lectures/lec24.html
GUT: https://en.wikipedia.org/wiki/Grand_Unified_Theory
GUT; http://www.symmetrymagazine.org/article/a-gut-feeling-about-physics
Theory of Everything: https://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_everything
Elektromagnetik: https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetism
Elektromagnetik: https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnet
Teroi Elektromagnetik Max-Well: https://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_equations

Click to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Copyright © 2013-2017 4muda.com. Part of Gomuda.co

To Top