Kita manusia, binatang,
tumbuhan, semua bentuk kehidupan, Bumi, planet-planet, dan bintang-bintang,
sebenarnya terbuat dari apa? Dan apakah benda-benda familiar itu betul-betul
ada bagi Alam Semesta? Ini adalah pertanyaan yang seolah-olah sederhana yang
langsung menuju inti pencarian dark matter. Dalam buku ini kami telah
menggali berbagai aspek materi dan partnernya, energi, dan telah memikirkan
mengapa beberapa tipe materi yang belum ditemukan begitu dicurigai sehingga
para ilmuwan menginvestasikan banyak uang pada perangkat-perangkat demi
mencarinya. Ini adalah cerita tentang awal-mula Alam Semesta dan bagaimana itu
membawa pada tipe dan jumlah materi yang kita lihat hari ini. Di sini kita
meninjau kembali gagasan dasar tentang sifat materi, terbuat dari apa ia, dan
bagaimana ia terbentuk.
Definisi Materi
Hal pertama yang harus
dipahami tentang materi adalah bahwa tidak semua materi bisa dilihat secara
langsung, dan tidak semua yang Anda lihat di sekeliling Anda merupakan materi.
Contoh umum adalah udara dan cahaya. Kita bisa merasakan udara, dan bahkan
melihat efeknya pada benda-benda seperti pakaian di jemuran; tapi sesungguhnya
kita tidak bisa melihatnya – setidaknya tidak bisa tanpa peralatan khusus.
Sebaliknya, cahaya memungkinkan kita untuk melihat segala hal di sekitar kita.
Setiap matahari terbit, kita bermandikan cahaya – dan kehidupan akan segera
menemui ajalnya tanpa cahaya. Tapi cahaya bukanlah materi; ia merupakan energi.
Jadi, apa itu materi?
Terdapat beberapa kriteria yang harus dipenuhi sebelum sebuah entitas dapat
digambarkan sebagai materi. Pertama, ia harus menempati ruang. Anda terbuat
dari materi, dan Anda bisa membuktikan bahwa Anda memakan ruang setiap kali
Anda naik ke dalam bak penuh air. Level air yang naik adalah bukti bahwa Anda
mempunyai volume. Bukti lain yang kurang jelas terlihat adalah bahwa Anda
menolak perubahan gerak. Barangkali contoh lebih baik adalah mobil mogok.
Dihadapkan dengan kebutuhan untuk mendorongnya keluar dari jalan, Anda
mengalami kelembaman – penolakan terhadap perubahan gerak, sekalipun gerak
tersebut masih tersisa. Tak dapat disangkal, gesekan ban dengan jalan
memberikan penolakan lebih jauh, tapi meskipun Anda mencoba mendorong mobil di
atas lapangan es, Anda akan mendapatinya lebih sedikit bergerak daripada Anda,
karena ia mengalami lebih banyak kelembaman dibanding Anda. Dengan kata lain,
ada lebih banyak mobil daripada Anda.
Terakhir, materi mempunyai
massa. Massa didefinisikan sebagai jumlah materi dalam sebuah objek, tapi ini
tidak boleh tertukar dengan berat. Contoh familiar berupa kesamaan berat di
Bulan dengan berat Anda di Bumi mungkin sejenak membuat Anda merasa lebih
nyaman – tapi massa dan volume Anda tetap sama di kedua lingkungan tersebut.
Karena itu, materi adalah
segala sesuatu yang bisa ditimbang, didorong, ditarik, dapat berubah bentuk,
dan seterusnya. Ini secara intuitif memang jelas, tapi perlu dinyatakan secara
langsung. Yang sangat kurang jelas adalah sifat materi. Jika kita mempelajari
susunan dasarnya, apa yang akan kita lihat? Sekitar tahun 500 SM, filsuf
Yunani, Democritus, mencurahkan pemikiran sungguh-sungguh terhadap ini, dan
dalam pikirannya membayangkan partikel-partikel kecil yang tak bisa dibagi yang
menyusun semua materi. Dia menyebut mereka atom – yang berarti ‘tak bisa
dipotong’. Secerdas-cerdasnya Democritus – tapi dia memang benar – dia hanya
berspekulasi. Dia tak punya bukti untuk mendukung gagasannya, dan pada waktu
itu banyak orang yang tidak sependapat dengannya. Namun hari ini kita tak hanya
dapat mempelajari dunia materi untuk melihat apa yang ada, tapi kita punya
bukti untuk mendukung kesimpulan kita mengenai dunia aneh ini. Beberapa bukti
itu seindah pengungkapan dalam buku ini, sementara beberapa yang lain – seperti
bom nuklir – sangat mengerikan. Poinnya adalah bahwa kita sekarang lebih dekat
daripada sebelumnya menuju pemahaman sifat sejati materi – setidaknya materi
yang dapat kita lihat, dan bahkan barangkali materi yang tak dapat kita lihat.
Makroskopis: Sel
Pikirkan sebuah contoh
materi yang mudah: halaman-halaman buku ini. Lihat lebih dekat, lalui
kata-kata, huruf, dan tanda titik di akhir kalimat ini. Pandangilah serat-serat
yang menyusun halaman-halaman – serat-serat yang dahulunya merupakan jaringan
hidup dalam pepohonan. Jaringan tersebut terbuat dari sel-sel, dan sel-sel itu
terbuat dari bagian-bagian sangat kompleks yang tak terhitung banyaknya – membran,
sitoplasma, mitokondria, dan sebagainya – yang pernah menjalani proses
kehidupan yang kini telah berakhir. Bagian-bagian itu terbuat dari beberapa
molekul terbesar dan terkompleks di Alam Semesta – contoh familiar adalah
molekul kehidupan, DNA, yang memuat kode genetik yang memungkinkan kita dan
semua makhluk hidup untuk bereproduksi.
Molekul
Molekul memiliki berbagai
bentuk yang mengherankan, dan sebagian besar material yang berpengaruh pada
hidup kita tersusun dari tipe molekul yang berbeda-beda. Contohnya air,
tanpanya kehidupan akan berhenti. Ini adalah sebuah molekul yang terdiri dari
dua tipe partikel yang lebih kecil yang disebut atom. Atom memiliki ciri yang
berbeda-beda yang disebut unsur, sekitar seratus darinya telah diketahui. Dua
unsur dalam air, contoh, adalah oksigen dan hidrogen. Unsur-unsur menyatu untuk
membentuk semua molekul di sekitar kita, dan bereaksi bersama untuk membentuk
zat baru dalam reaksi kimia. Contoh umum dijumpai saat memasak, misalnya, atau
ketika minyak bumi menyatu dengan oksigen dalam kendaraan Anda. Dalam kedua
kasus, terjadi suatu pertukaran energi, tapi bukan materi. Dalam kasus memasak,
energi adalah input sehingga beragam molekul bereaksi dan membuat kue
mengembang. Di sisi lain, dalam mesin kendaraan, input energi yang pada mulanya
kecil (percikan dari spark-plug) memicu sebuah reaksi antara minyak bumi
dan oksigen untuk melepaskan energi, yang menggerakkan kendaraan. Dalam kedua
contoh tersebut, kombinasi baru dari unsur-unsur dan senyawa-senyawa
dihasilkan, tapi materi tidaklah tercipta atau terhancurkan.
Unsur
Seluruh Alam Semesta
hampir hanya terdiri dari dua unsur: hidrogen dan helium. Semua yang menurut
Anda dan saya begitu menarik dalam kehidupan sehari-hari (dengan pengecualian dark
matter, tentu saja) terbuat dari unsur-unsur yang sangat minoritas. Tapi
semua unsur ini – dari yang paling ringan dan sederhana (hidrogen) sampai
unsur-unsur dengan massa yang berat serta nama yang lebih berat seperti
ununnilium – terbuat dari atom-atom. Tapi bukan atom yang dipahami oleh
Democritus.
Atom
Atom sebaliknya terbuat
dari empat hal: proton dan neutron yang menyusun nukleus, elektron di
sekeliling nukleus, dan sejumlah besar ruang. Tapi seberapa luas ruang yang
ada? Bayangkan bahwa nukleus atom adalah seukuran kacang kenari. Pada skala
ini, elektron-elektron akan mendengung dalam sebuah bola berdiameter lebih dari
satu kilometer. Meski ruang ini sangat besar, 99% materi dalam sebuah atom
berada dalam nukleus yang sangat kecil itu. Jadi apa yang menjaga kesatuan itu
semua? Jawabannya adalah energi: muatan listrik elektron adalah negatif,
sementara nukleus (penyebabnya akan kita simak sebentar lagi) adalah positif.
Muatan negatif dan positif menarik dan menahan elektron pada tempatnya. Tetapi
mengenai atom yang sedang menjumpai atom lain, mereka saling menolak karena
alasan sederhana bahwa mereka mempunyai elektron di sebelah luar – dan dua
elektron negatif sudah pasti saling menolak. Sifat ini memungkinkan Anda
memegang buku ini. Elektron-elektron negatif dalam atom dan molekul tangan Anda
menolak elektron-elektron dalam atom dan molekul buku. Jika saling tolak ini
tidak terjadi, tak hanya buku ini akan benar-benar lepas melalui jari-jari
Anda, tapi Anda juga akan terperosot menembus kursi dan kemudian memasuki Bumi.
Ini tidak sebodoh kedengarannya, karena ada partikel-partikel materi di Alam
Semesta yang melakukan hal demikian. Kita sekarang akan mengarungi esensi
materi.
Struktur Atom: Elektron, Proton, Dan Neutron
Dalam nukleus kita
menemukan dua tipe partikel lagi: proton dan neutron – komponen berat yang
memiliki massa. Proton punya muatan positif – muatan yang sama yang menarik
elektron dan mencegah atom pecah. Neutron tidak punya muatan sama sekali, tapi,
meskipun begitu, ditahan pada tempatnya di dalam nukleus oleh gaya lain yang
berbeda dari gaya listrik: gaya nuklir kuat.
Quark
Yang lebih fundamental
dari proton dan neutron adalah partikel-partikel yang menyusun mereka: quark.
Ada berbagai tipe quark – up, down, strange, charmed,
top, dan bottom – yang bergabung dengan cara yang berbeda-beda
untuk menyusun materi. Proton, contohnya, tersusun dari dua quark up dan
satu quark down, sedangkan neutron tersusun dari dua quark down
dan satu quark up. Nama-nama quark tersebut sama sekali tidak terkait
dengan atribut mereka, dan hanya merupakan label.
Lepton
Bagaimana dengan elektron?
Dari apa ia tersusun? Elektron adalah bagian dari sebuah keluarga partikel yang
jauh lebih ringan yang disebut lepton. Anggota lain dari keluarga lepton
mencakup partikel muon dan tau, dan masing-masing dari ketiganya memiliki associated
particle yang disebut neutrino: neutrino elektron, neutrino tau, dan
neutrino muon. Neutrino adalah binatang buas aneh yang bisa menembus materi
biasa seolah-olah materi itu tidak eksis. Ini menghadirkan suatu tantangan
menarik bagi para fisikawan yang tak hanya bermaksud mendeteksi mereka tapi
juga mencoba mengukur massa mereka. Lepton tidak kelihatan tersusun dari apapun
selain lepton; dengan kata lain mereka tidak menunjukkan tanda-tanda memiliki
struktur internal.
Di samping ini semua,
masih ada banyak partikel lain, dan ada lebih dari dua ratus yang telah
diketahui atau diprediksi.
Energi
Tanyakan pada seorang
fisikawan apa itu energi, dan jawabannya adalah bahwa energi memungkinkan
dikerjakannya suatu pekerjaan. Ini adalah konsep yang sukar ditangkap, dan,
walaupun kita dapat menggambarkan atributnya, mengklasifikasikannya dalam cara
berbeda-beda, serta memprediksikan perilakunya dan juga hubungannya dengan
materi pada permulaan Alam Semesta, sifat energi masih sebuah misteri.
Energi adalah kapasitas
untuk melakukan pekerjaan – untuk mengubah hal-hal. Berikut ini terdapat
beberapa tipe yang sering dijumpai, walaupun ada banyak variasi:
Energi kinetik. Gerakan. Mengendarai sepeda, berdansa waltz,
terbang ke Bulan, maka Anda sedang menjalankan energi kinetik.
Energi potensial. Energi tersimpan, yang memanifestasikan dirinya
dalam berbagai bentuk seperti energi kimia dan gravitasi. Makanan, minyak bumi,
dan air di puncak tebing yang akan terjun, semuanya memiliki energi potensial.
Salah satu hal menakjubkan yang coba kita lakukan di milenium ini adalah
menyimpan energi dalam segala sesuatu mulai dari gudang pangan yang memberi
kita makanan sampai reaktor nuklir mini yang mentenagai kendaraan antariksa
dalam perjalanan antarplanet.
Energi termal. Kalor – jumlah energi yang terkandung dalam
partikel-partikel bergerak yang menyusun materi. Semakin cepat partikel
bergerak, semakin banyak energi termal yang mereka miliki, dan, dengan jumlah
yang cukup, mereka dapat menghasilkan energi dalam jumlah besar. Walaupun
energi termal disebut sebagai kalor, sebuah objek dengan energi termal dalam
jumlah besar tidak pasti panas, sedangkan sebuah objek panas tidak pasti
mengandung banyak energi termal. Kolam renang air hangat, misalnya, mengandung
jauh lebih banyak energi termal dibanding paku yang berpijar, alasannya
sederhana, karena air lebih banyak dari paku!
Energi listrik. Salah satu bentuk energi paling familiar – untuk
alasan yang bagus, kita menggunakannya dalam jumlah besar. Ini adalah aliran
elektron, yang luar biasa mudah untuk diangkut setelah infrastruktur sudah ada
di tempatnya. Sekali energi listrik diantarkan ke rumah-rumah kita, kita dapat
mengubahnya ke dalam banyak bentuk energi lain.
Energi radian. Contoh paling familiar adalah cahaya, tapi ada
bentuk lain: sinar gamma, infrared (digunakan untuk memanaskan dan dalam
perangkat remote-control rumah tangga), gelombang mikro (untuk
komunikasi dan memasak), sinar X (pengobatan), gelombang radio, dan
ultraviolet. Semua ini adalah bagian dari spektrum elektromagnetik.
Masing-masing bentuk
energi ini (dan yang tidak disebutkan di sini) termasuk ke dalam satu dari empat
gaya fundamental di alam, yang diangkut dari satu tempat ke tempat lain berkat
partikel tak bermassa yang disebut boson. Gaya-gaya tersebut beserta
pengangkutnya adalah:
Gaya elektromagnetik,
diangkut oleh photon.
Gravitasi, diangkut oleh
graviton.
Gaya nuklir kuat, diangkut
oleh gluon.
Gaya nuklir lemah,
diangkut oleh partikel W+, W-, dan Z0.
Nilai penting dari
hubungan antara materi dan energi adalah bahwa hubungan tersebut dapat
dipertukarkan: Materi diubah menjadi energi di dalam bintang, misalnya, dan
konversi inilah yang memungkinkan kita untuk terus hidup. Tapi untuk
kepentingan cerita kita, adalah penting untuk memahami bahwa Alam Semesta
mengandung sejumlah materi dan sejumlah energi, dan, sebagaimana telah kita
temukan, sejumlah dark matter. Hanya itu. Tak lebih, tak kurang. Dalam
sejarah Alam Semesta, sudah terjadi beberapa konversi ganjil antara materi dan
energi, dan, tak diragukan lagi, dark matter, tapi totalnya tetap sama.
Salah satu cita-cita kosmologi adalah menentukan berapa banyak dari mereka –
materi, energi, dan dark matter – yang eksis di Alam Semesta, sebab ini
akan membantu mengungkap atribut fundamental awal-mula, evolusi, dan takdir
Alam Semesta yang kita tinggali.
Sumber: Ken
Freeman, Pencarian Dark Matter (Diterjemahkan Oleh Jookut dkk),
Bumi: Sesa Media, 2010)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar