Ahli Fisika teoretis Amerika (peraih nobel Fisika pada tahun 1965) Richard Phillips Feynman, mengatakan: Jika, dalam bencana alam tertentu, semua pengetahuan ilmiah dihancurkan, dan hanya satu kalimat yang diteruskan ke generasi berikutnya, pernyataan apa yang berisi informasi paling banyak dengan kata-kata paling sedikit? saya percaya itu adalah hipotesis atom, atau fakta atom, atau apa pun yang anda ingin menyebutnya, bahwa segala sesuatu terbuat dari atom.
Alam semesta, galaksi, bintang-bintang, dan kita semua manusia, terbuat dari atom. Jumlah atom dalam tubuh kita melebihi jumlah total bintang di seluruh alam semesta yang dapat diamati. Bahkan, jika anda mulai menghitungnya, dengan kecepatan satu miliar per detik, anda masih membutuhkan waktu yang jauh lebih lama daripada usia alam semesta saat ini untuk menyelesaikan tugas tersebut.
Dan faktanya, bahkan di dalam atom yang sangat kecil itu sendiri, ada sistem yang sangat kompleks. Setiap atom tersusun atas proton, elektron, dan neutron. Proton dan neutron bersama-sama membentuk inti atom sementara elektron berada di sekeliling inti atom.
Susunan jumlah proton, elektron, dan neutron yang berbeda akan menghasilkan atom yang berbeda, dan akan menentukan apakah atom tersebut stabil atau tidak. Proton punya muatan listrik positif sementara elektron bermuatan listrik negatif, dan neutron tidak bermuatan listrik. Partikel dengan muatan listrik yang sama akan saling menolak sementara partikel yang muatan listriknya berbeda akan saling tarik-menarik.
Menggali lebih dalam lagi, kita menemukan bahwa baik proton dan neutron sebenarnya adalah susunan dari tiga jenis unsur yang dinamakan quark. Quark punya enam “rasa”: atas (up), bawah (down), berkharisma (charm), aneh (strange), puncak (top), dan dasar (bottom). Proton tersusun atas 2 quark atas dan 1 quark bawah, sementara neutron tersusun atas 2 quark bawah dan 1 quark atas.
Apakah penyusun dasar benda dengan demikian adalah 6 “rasa” quark dan elektron? Masih ada lagi. Kita menemukan keberadaan dua partikel berat yang dinamakan muon dan tauon. Muon dan tauon punya sifat yang sama dengan elektron: Mereka punya muatan listrik yang sama dengan elektron, hanya saja mereka punya massa yang lebih berat dari elektron.
Neutrino adalah partikel tak bermuatan listrik dan memiliki massa teramat kecil. Kedua sifat ini membuat mereka dapat melaju menembus materi lain dengan sedikit interaksi. Ini membuat mereka sangat sulit dideteksi.
Bahkan, pada awalnya keberadaan mereka hanya merupakan sebuah postulat yang diciptakan oleh fisikawan Wolfgang Pauli. Lahir pada tahun 1900 di Vienna, Pauli memperoleh gelar doktornya di Munich di bawah bimbingan fisikawan pionir Arnold Sommerfeld dan kemudian bekerja di bawah Max Born dan Niels Bohr. Kontribusi Pauli dalam Fisika Kuantum diganjar Hadiah Nobel pada tahun 1945.
Pada masa Pauli, pengamatan dalam peluruhan neutron mengindikasikan adanya sedikit perbedaan jumlah energi dari yang diprediksi. Prinsip kekekalan energi mengharuskan jumlah energi yang masuk sama dengan jumlah energi yang dihasilkan. Untuk menjelaskan perbedaan energi ini, pada tahun 1930 Pauli menciptakan sebuah “partikel fiktif” yang bermassa sangat kecil dan bermuatan netral untuk menjelaskan ke mana perginya energi yang hilang tersebut.
Oleh fisikawan kenamaan asal Italia, Enrico Fermi, partikel fiktif ini dinamakan “neutrino,” sebuah kata dalam bahasa Italia yang berarti “Si netral kecil.” Pauli berargumen bahwa partikel ini sangatlah kecil sehingga sulit dideteksi dengan alat-alat yang ada pada zaman itu. Ilmuwan setuju dengan postulat Pauli dan mulai menentukan sifat neutrino melalui hitungan teoritis, dan keberadaan neutrino baru bisa dibuktikan lebih dari dua dekade kemudian melalui eksperimen pada tahun 1956.
Ahli fisika senang dengan simetri karena ini merefleksikan sesuatu yang indah estetis. Karena sudah diketahui adanya tiga macam partikel bermuatan listrik negatif, berdasarkan prinsip simetri ini maka seharusnya juga ada tiga macam neutrino untuk melengkapi trio elektron-muon-tauon: Neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tauon. Masing-masing terasosiasikan dengan elektron, muon, dan tauon.
Hingga saat ini baru neutrino elektron dan neutrino muon yang baru ditemukan, sementara neutrino tauon masih menunggu untuk ditemukan. Elektron, Muon, Tauon, serta 3 neutrino pasangannya dikelompokkan ke dalam “keluarga” partikel yang dinamakan Lepton. Keluarga Lepton yang jumlahnya enam partikel ini simetris dengan keluarga Quark yang jumlahnya juga enam.
(Uraian pembahasan mengenai struktur atom ini bersumber dari situs langitselatan.com. Ini situs berbahasa indonesia yang berisi artikel seputar sains terutama astrofisika)
Lampiran gambar di bawah ini memperlihatkan struktur sebuah atom dan partikel-partikel yang menyusunnya. Seandainya inti atom yang terdiri atas proton dan neutron memiliki garis tengah 10 cm, maka sebuah quark hanya akan memiliki garis tengah 0.1 mm, sementara seluruh atom akan bergaris tengah 10 km.
 |
| Struktur atom dan partikel fundamental yang menyusunnya. Perkiran ukuran (dalam meter) juga diberikan. Sumber: cpepweb.org |
Namun, pada awalnya jumlah atom di alam semesta persis nol. Tidak ada satu atom pun di seluruh alam semesta. Jadi, bagaimana kita bisa sampai di sini? Dari mana atom pertama berasal? Dan mengapa semuanya terbuat dari atom?
Petualangan Fisikawan George Gamow
 |
| George Gamow (1904-1968) |
Saat itu tahun 1932. sepasang pengantin baru dengan tekad bulat dan penuh keberanian, menggunakan kayak melintasi laut hitam di tengah amukan badai. mereka berniat melarikan diri dari Rusia. Mereka adalah Fisikawan George Gamow dan istrinya Lyubov. Tapi apa yang mendorong pasangan muda ini untuk mempertaruhkan nyawanya dalam perjalanan yang begitu berbahaya?
Awal tahun 1930-an adalah saat di mana Uni Soviet (sebelum Rusia) mengawasi secara ketat para ilmuwan dan gagasan intelektual mereka. Perjalanan ke luar negeri para ilmuwan ini diawasi dengan ketat.
Ketika Gamow berencana ingin mempersentasikan penelitiannya dalam konferensi besar ilmiah di Roma, ia membutuhkan paspor baru. Permohonannya terus-menerus ditolak oleh para birokrat di Leningrad. Ia dijanjikan bahwa proses pembuatan paspor itu akan selesai, tetapi kenyataannya itu hanyalah kesengajaan untuk menghabiskan waktu. Akibatnya Gamow gagal berangkat ke Roma.
Namun kunjungannya yang tak henti-hentinya ke kantor pembuatan paspor memiliki satu sisi positif yang signifikan: di sanalah dia bertemu istrinya. Mereka menikah segera setelah itu dan dalam setahun pengantin baru itu setuju untuk melarikan diri.
Mereka meneliti peta mencari cara paling meyakinkan untuk melarikan diri dari Uni Soviet. Singkat cerita, mereka berhasil. Mereka mengamankan perjalanan ke konferensi ilmiah di Belgia dan setelah konferensi, Marie Curie membantu pasangan itu memperpanjang masa tinggal mereka di Eropa Barat. Tidak pernah kembali ke Uni Soviet, Mereka akhirnya menuju ke Amerika pada awal tahun 1934. Seluruh petualangan itu berlangsung sebelum ulang tahun Gamow yang ketigapuluh.
Enam tahun kemudian, Gamow diberikan kewarganegaraan Amerika. Bebas dari belenggu penindasan, Gamow bisa melanjutkan pekerjaannya. Dan pekerjaan inilah yang akan menjadi sangat penting dalam pemahaman kita tentang fisika – karena ini akan mengubah cara kita berpikir tentang sejarah alam semesta selamanya.
Pada tahun 1929, tiga tahun sebelum pelarian Gamow dari Uni Soviet, astronom Amerika Edwin Hubble mengejutkan pendirian astronomi dengan bukti bahwa alam semesta mengembang. Jika alam semesta mengembang dari hari ke hari maka ia lebih kecil di hari kemarin dan lebih kecil lagi seminggu yang lalu dan, ada saat ketika setiap bagian dari alam semesta modern terkonsentrasi ke dalam ruang yang sangat kecil sebelum mengembang keluar. Dentuman besar atau Big Bang (baca ulasan saya mengenai hal ini di artikel: Apa itu Teori Big Bang? )
Gamow menghabiskan sebagian besar waktu awalnya di Amerika untuk mengerjakan sesuatu yang lain. Sumber kekuatan utama bintang. Namun fokus perhatiannya bergeser. Pada bulan Oktober 1945, Gamow menulis surat kepada teman lamanya Niels Bohr. Surat tersebut mengungkapkan bahwa Gamow mulai menerapkan karyanya pada mekanika internal bintang ke asal mula materi alam semesta awal segera setelah Big Bang.
Sampai masa itu, para kosmolog berasumsi bahwa alam semesta awal didominasi oleh materi, bahkan penyusunan semua struktur yang terlihat, mulai dari bintang dan planet hingga galaksi dan gugus galaksi. Namun Gamow mulai curiga sebaliknya. Sejarah ragu-ragu tentang siapa yang benar-benar layak mendapat pujian, tetapi bisa jadi itu adalah murid Gamow, Ralph Alpher. Dalam disertasi doktoralnya, Alpher mengklaim bahwa alam semesta awal tidak didominasi oleh materi, melainkan oleh radiasi elektromagnetik.
 |
| Ralph Asher Alpher (February 3, 1921 – August 12, 2007) |
Radiasi elektromagnetik ini konon akan mendominasi alam semesta awal selama lima puluh ribu tahun setelah big bang. Fisikawan memiliki kata lain untuk radiasi elektromagnetik, yaitu: cahaya.
Kita mungkin menggunakan kata itu untuk cahaya yang dapat dilihat mata kita, tetapi ada lebih dari itu. Seperti halnya ada frekuensi suara yang terlalu rendah dan tinggi untuk didengar telinga kita, ada juga frekuensi cahaya yang terlalu rendah atau tinggi untuk kita lihat.
Ketika seorang fisikawan menggunakan kata cahaya, yang mereka maksud adalah radiasi yang menjangkau rentang penuh Spektrum elektromagnetik, dari sinar gamma dan sinar-X di ujung frekuensi tinggi hingga gelombang mikro dan gelombang radio di ujung lainnya.
 |
| Spektrum elektromagnetik dari energi terendah/panjang gelombang terpanjang (di atas) hingga energi tertinggi/panjang gelombang terpendek (di bagian bawah). (Kredit: NASA’s Imagine the Universe) |
Suara pertama di alam semesta
Selama 100 hingga 700 ribu tahun pertama setelah Big Bang, alam semesta jauh lebih padat daripada udara di Bumi, yang berarti gelombang suara bisa bergerak melewatinya.
Gelombang suara yang muncul di saat awal alam semesta (muncul setelah Big Bang), dalam kosmologi disebut sebagai osilasi akustik baryon, dan ini masih dapat dideteksi hari ini menggunakan fasilitas seperti Sloan Digital Sky Survey.
Tetapi gelombang suara itu berada di frekuensi yang sangat rendah, seandainya manusia ada pada saat itu, kita tidak dapat mendengarnya. Untuk tujuan mendengarkan, Fisikawan Amerika John Cramer meningkatkan frekuensi suara tersebut sehingga berada dalam kisaran yang dapat dideteksi manusia.
Pada tahun 2001, Cramer menulis kolom berjudul “BOOMERanG and the Sound of the Big Bang” untuk publikasi Analog Science Fiction and Fact. Di kolom tersebut, dia berbicara tentang eksperimen yang baru-baru ini mencatat suhu latar belakang gelombang mikro kosmik—radiasi yang tersisa dari Big Bang. Di kolom itu, dia menyebut data itu sebagai “suara Big Bang”.
Pada tahun 2003, Cramer mendapat email dari seorang anak wanita berusia 11 tahun yang sedang mengerjakan proyek sekolah tentang Big Bang. Dia telah membaca kolom Cramer, dan ingin tahu apakah benar-benar ada rekaman “suara Big Bang” yang bisa dia mainkan di kelasnya. Tidak ada, tapi itu membuat Cramer berpikir. “Gagasan mensintesis suara Big Bang membuat saya terpesona,” tulis Cramer di situs webnya . “Itu berputar-putar di kepala saya selama satu atau dua hari, dan saya memiliki keinginan yang semakin besar untuk mendengar seperti apa suara Big Bang.”
Cramer berhasil. Dengan menggunakan data dari satelit NASA bernama WMAP, dia menyambungkan spektrum frekuensi dari Big Bang ke beberapa perangkat lunak untuk mengubah data menjadi file suara. “Ketika saya menjalankan program untuk pertama kalinya dan suara dimulai di kantor saya, dua anjing gembala Shetland jantan kami, Alex dan Lance, berlari ke ruangan, menggonggong dengan gelisah,” tulis Cramer.
Demikianlah, saat alam semesta terus mengembang, ia terus merentangkan gelombang suara ini, menggesernya ke frekuensi yang semakin rendah. Tapi kemudian tiba saat di mana semuanya berubah, saat di mana terjadi salah satu peristiwa terpenting dalam seluruh sejarah alam semesta (ini diprediksi oleh Alpher dan Gamow). Ini disebut: rekombinasi – yang membuka pintu bagi cahaya pertama mengalir keluar ke alam semesta awal.
Tapi apa tepatnya yang digabungkan kembali (rekombinasi)? Dan apa hubungan cahaya pertama dengan atom pertama?
Anda tentu tahu apa itu labirin. Saat kita terjebak dalam suatu labirin, ke mana pun kita melangkah akan selalu terbentur pada jalan buntu. Tidak peduli seberapa keras anda mencoba, anda tidak dapat menemukan cara untuk melarikan diri. Dan itu tidak mengherankan. Karena tidak ada jalan keluar.
Serangkaian jalan buntu yang tidak pernah berakhir ini persis seperti yang ditemukan cahaya setelah Big Bang. Ke mana pun cahaya mencoba pergi, ia menabrak rintangan yang tidak dapat diatasi dalam bentuk partikel sub-atomik.
Namun alam semesta tidak dimulai sebagai labirin seperti itu. Pada awalnya tidak ada masalah labirin ini. Untuk sepersekian detik, tepat setelah kelahirannya (setelah Big Bang),cahaya bebas bergerak.
Tetapi, dengan sangat cepat cahaya berubah menjadi penculik untuk dirinya sendiri, membelenggu dirinya sendiri. Ini terjadi karena cahaya menjalani kehidupan ganda. Seperti vampire dan manusia srigala, cahaya dapat berubah bentuk menjadi sesuatu yang lain, yaitu: materi.
Cahaya adalah salah satu bentuk energi, dan energi serta materi adalah dua sisi dari mata uang kosmik yang sama. Mereka benar-benar dapat dipertukarkan. Dan semakin energik cahaya, semakin tinggi kemungkinannya untuk berubah menjadi materi.
Dalam sepersetriliun detik setelah Big Bang, sebagian energi alam semesta diubah menjadi partikel materi yang mulai bermunculan, membanjiri alam semesta dengan partikel dasar – semua yang dibutuhkan untuk membangun atom, termasuk elektron. Namun, masih harus menunggu ratusan ribu tahun sampai partikel-partikel ini benar-benar menyatu menjadi atom pertama.
Kita mungkin sudah memiliki elektron, tetapi untuk membuat atom nitrogen, kita juga membutuhkan proton. Tidak seperti elektron, proton dibangun dari sesuatu yang lain, yaitu: quark – partikel fundamental yang juga muncul selama metamorfosis parsial cahaya menjadi materi.
Quark hadir dalam menu rasa yang berbeda. tetapi yang paling penting untuk kisah pembentukan atom kita adalah quark atas (up) dan quark bawah (down). Quark atas membawa muatan positif dan quark bawah membawa muatan negatif. Proton terbuat dari dua quark atas dan satu quark bawah, memberikan proton muatan positif secara keseluruhan.
Namun quark ini bukanlah teman sekamar alami. Muatan listriknya bertindak seperti kutub magnet – muatan listrik yang sama akan saling menolak sementara yang muatan listriknya berbeda akan saling tarik-menarik.
Bagaimana dua quark bermuatan positif dapat senang hati duduk berdampingan di dalam proton? solusi untuk teka-teki ini terletak pada gaya nuklir kuat yang dibutuhkan untuk merekatkannya.
Fisikawan mengetahui empat gaya fundamental di alam semesta, dua yang familiar dengan kita karena dapat mudah kita amati di kehidupan, yaitu: Gravitasi dan elektromagnetisme.
Turun di dunia atom, ada dua gaya fundamental yang kurang dikenal, yaitu: Gaya nuklir lemah dam gaya nuklir kuat. Gaya nuklir lemah mengatur radioaktivitas, tetapi gaya nuklir kuatlah yang benar-benar mendominasi di sini.
Gaya nuklir kuat terhitung satu duodecillion kali lebih kuat dari gravitasi. Duodecillion Itu sepuluh diikuti oleh tiga puluh delapan nol. Nilai angka dengan jumlah nol seperti ini jauh lebih banyak daripada jumlah nol pada hitungan jumlah bintang di seluruh alam semesta yang dapat diamati. Gaya nuklir kuat juga seratus kali lebih kuat dari gaya elektromagnetik.
Jadi, dua quark dengan muatan yang sama mungkin ingin menjauh satu sama lain, tetapi gaya nuklir kuat dapat mengesampingkan naluri elektromagnetik ini dan membuat mereka tetap terikat.
Kekuatan yang dimiliki gaya nuklir kuat mungkn menjadikannya raja dari semua gaya, tetapi kerajaan yang diperintahnya kecil. Ia hanya menguasai jarak yang super mini: sekitar sepersetriliun milimeter.
Awalnya energi terlalu tinggi untuk quark dapat terikat bersama melalui gaya nuklir kuat. Ketika quark pertama kali terbentuk, suhu alam semesta lebih dari satu kuadrilliun derajat. Meskipun mereka melintas sangat dekat satu sama lain, quark bertabrakan dengan energi yang sangat tinggi sehingga tidak dapat menempel.
Tapi alam semesta baru terus berkembang sepanjang waktu. Ketika mulai mendingin partikel di dalamnya melambat. Setelah sepersejuta detik pertama suhu turun menjadi hanya satu triliun derajat dan proton pertama dapat terbentuk. Neutron juga terbentuk – ini jenis partikel lain yang ada di inti atom. Mereka terbuat dari satu quark atas dan dua quark bawah.
Anda mungkin berpikir ini cukup sederhana, tetapi sekali lagi, seperti model atom Bohr, neutron dan proton tidak sesederhana itu. Mengutip Mike Williams, Fisikawan di Massachusetts Institute of Technology: “Ini adalah hal paling rumit yang dapat anda bayangkan,” Untuk satu hal, bersama-sama tiga quark – dikenal sebagai quark valensi – sebenarnya hanya membuat satu persen dari massa proton. sisanya diambil oleh partikel yang disebut gluon. Mereka adalah partikel yang membawa gaya nuklir kuat. Denga menukar gluon, trio quark valensi mampu mengikat bersama menjadi proton.
Namun itu menjadi sangat asing. Kadang-kadang gluon mengambil energi yang cukup sehingga mereka dapat melakukan beberapa perubahan bentuk sendiri, berubah menjadi quark dan antimaterinya setara dengan anti-quark. Ini disebut “sea quark”.
Gluon dan sea quark menyusun 99% massa proton. Karena tidak permanen, fisikawan menyebut sea quark sebagai partikel virtual. Ini berarti bahwa massa proton – partikel yang dapat anda temukan di pusat setiap atom di alam semesta – sebagian besar berasal dari sea quark tak terhingga yang sebenarnya tidak ada.
Kembali ke garis waktu alam semesta – sekarang kita memiliki proton dan neutron, perhentian berikutnya dalam perjalanan kita ke atom pertama, adalah momen ketika alam semesta terus mendingn dan mengembang, yang berarti proton dan neutron kehilangan kecepatan.
Dan di sinilah George Gamow memasuki kembali cerita kita.
Pada tahun 1948 Gamow mengirim surat kemudian diterbitkan dalam jurnal ilmiah Physical Review Letters. Surat itu tidak lebih dari satu halaman tetapi, itu tidak memungkiri luasnya wawasan Gamow.
Makalah tersebut menunjukkan bahwa dalam beberapa menit setelah Big Bang, alam semesta mendingin hingga satu miliar derajat, cukup untuk memungkinkan gaya nuklir kuat menempelkan proton ke neutron. Pasangan proton-neutron ini dikenal sebagai deutron dan merupakan pintu gerbang menuju cara baru membangun struktur di alam semesta yang masih bayi.
Bintang seperti Matahari menghasilkan cahaya dalam jumlah besar dengan mengaduk hidrogen menjadi helium melalui proses yang disebut fusi nuklir. Bersama dengan Ralph Alpher, Gamow adalah orang pertama yang mengetahui serangkaian langkah di mana fusi mengubah hidrogen menjadi helium – dan deutron memainkan peran penting – karena ketika deutron bergabung dengan proton, deutron menjadi inti atom helium-3. kemudian ketika dua inti helium-3 berfusi, mereka membuat inti atom helium-4, dan dua neutron ekstra.
Di alam semesta modern, reaksi ini hanya dapat terjadi di tempat dengan suhu dan tekanan ekstrem seperti inti bintang. Tapi suhu serupa hadir di seluruh alam semesta segera setelah big bang, meski tidak lama. Hanya ada jendela peluang yang sangat pendek untuk terjadinya fusi. Temperatur harus cukup dingin agar deutron terbentuk sejak awal, tetapi masih cukup panas untuk menyatukan semuanya.
Dan jendela itu terbuka kurang dari sedetik setelah big bang dan terbanting sekitar dua puluh menit kemudian ketika suhu alam semesta mendingin. Periode kira-kira dua puluh menit di mana sekitar seperempat massa inti hidrogen alam semesta berubah menjadi inti helium.
Jadi, alam semesta yang baru berusia sekitar 20 menit, ditaburi dengan dua belas inti hidrogen untuk setiap satu inti helium dan satu miliar partikel cahaya untuk setiap inti. Tapi hingga di titik ini, kita masih belum memiliki atom pertama.
Untuk itu kita perlu mengikat elektron di orbit sekitar inti. Dan itu memang akan memakan waktu yang sangat lama.
Elektron bermuatan negatif dan proton membuat inti atom bermuatan positif – Berlawanan berarti saling menarik – sehingga gaya elektromagnetik dapat menjerat elektron yang lewat dan menjebaknya di orbit di sekitar nukleus.
Tetapi gaya elektromagnetik seratus kali lebih lemah daripada gaya nuklir kuat – jadi alam semesta harus mendingin sepenuhnya hingga hanya 4000 derajat agar pertikel melambat, sehingga cukup untuk gaya elektromagnetik melakukan hal tersebut. Dibutuhkan 380.000 tahun ekspansi setelah Big bang hingga alam semesta mencapai titik ini. Kemudian, akhirnya, atom pertama terbentuk.
Demikianlah, betapa luar biasa perjalanan atom-atom yang menyusun tubuh kita. Partikel-partikel yang menjadi struktur penyusunnya terbentuk beberapa menit setelah Bgi Bang – partikel-partikel itu bergabung saat momen rekombinasi – sebelum kemudian meluncur melintasi angkasa, berputar menjadi bintang, meledak kembali ke angkasa, ditarik ke planet, dan akhirnya berakhir di dalam otak kita – spesies yang mampu merenungkan dan menemukan keberadaan dirinya di tengah tempat yang maha luas dan rumit ini: Alam Semesta.