1. Vakum Fisis
Dunia alamiah yang kita tempati, tampak seperti suatu kumpulan luar biasa dari benda-benda dan peristiwa-peristiwa. Kita rasakan peristiwa-peristiwa itu seperti teruntai dalam suatu barisan waktu yang terus-menerus. Tiap peristiwa terlihat sebagai penyebab peristiwa yang lain, dan peristiwa ini, seterusnya, menjadi penyebab peristiwa yang lain lagi. Seringkali dalam bahasa fisika pengamatan-pengamatan dilakukan ini dinyatakan dengan mengatakan bahwa dunia alamiah terkandung atau terkungkung dalam paduan ‘ruang-waktu’. Tujuan tulisan ini adalah untuk meninjau dunia alamiah itu dalam beberapa hal sehingga dapat membantu kita memahami ‘ruang-waktu’. Dengan menerangkan dan mendefinisikan ruang-waktu itu kita akan memahami dan mengerti dunia alamiah secara lebih baik. Sebelum membahasnya lebih lanjut benda-benda dan peristiwa-peristiwa itu, adalah lebih baik merenungkan lebih dahulu ruang-waktu itu sendiri. Konsep ruang-waktu mengandung esensi masalah paling mendasar yang dicarikan jawabannya oleh para fisikawan. Bagi orang awam, vakum akan dipandang sebagai suatu volume ruang yang secara mutlak tak mengandung apapun sama sekali, yaitu tiada partikel, tiada molekul, tiada materi apapun. Tetapi tidak demikian halnya bagi para fisikawan dalam memikirkan ruang vakum. Untuk melukiskan sebagian dari pengertian para fisikawan itu tentang ruang vakum, kita akan melakukan suatu eksperimen imajiner. Beberapa bagian dari eksperimen ini telah dilakukan dan diamati di laboratorium, sehingga meskipun rangkaian peristiwa yang terjadi dalam eksperimen ini belum dilakukan sebagai satu eksperimen tunggal, pada prinsipnya itu dapat dilakukan. Marilah kita mulai dengan suatu kontainer ideal dengan dinding pemantul paling sempurna dari jenis terbaik yang dapat dibayangkan yang kita anggap sebagai vakum mutlak. Di dalamnya tak ada partikel-partikel ataupun radiasi yang tampak terdeteksi, karena memang sepintas lalu tampak semacam jenis vakum yang terdiri dari tak satupun secara mutlak. Eksperimen dimulai dengan menyorotkan cahaya (radiasi elektromagnetik) ke dalam kontainer vakum melalui suatu lubang kecil pada salah satu dindingnya. Karena jika disorotkan dalam jumlah kecil akan dipantulkan kembali keluar, maka cahaya harus disorotkan lebih banyak lagi secara kontinue kedalam kontainer. Selanjutnya kita menyinari kontainer dengan cahaya yang makin lama makin biru ke dalam lubang. Segera setelahnya kita akan mendapat bahwa warna cahaya yang meluncur menunjukkan bahwa temperatur vakum didalamnya naik. Dengan meningkatnya temperatur cahaya yang meluncur akan menjadi semakin biru. Segera, kita menemukan bahwa suatu vakum dapat memiliki suatu temperatur. Untuk melihat bagaimana panas vakum ini ada maka eksperimen ini dilanjutkan dengan mengirim semakin banyak lagi radiasi ke dalam kontainer pada suatu laju yang lebih cepat dari pada keluar kembali. Pada beberapa titik ruang kontainer eksperimen ini, satu foton cahaya akan bertumbukan dengan foton lain, dan dua elektron akan muncul. Salah satu dari pasangan elektron ini akan bermuatan negatif, dan yang lainnya akan bermuatan positif. Vakum yang hampa adalah tak selamanya hampa! Vakum mengandung dua partikel materi yaitu dua elektron. Dari mana elektron-elektron ini datang? Mereka tidak hadir dalam berkas cahaya, meskipun energi total yang dikandung mereka datang bersamaan dengan cahaya. Elektron adalah partikel yang sangat berbeda dengan foton cahaya. Elektron adalah bagian dari keluarga partikel yang dinamakan fermion. Mereka membawa muatan listrik dan jenis muatan lain yang dinamakan bilangan lepton, dan mereka memiliki massa yang selalu ada meski jika elektron dibuat diam. Foton cahaya adalah sangat lain. Ia adalah boson dan tidak membawa jenis muatan apapun ; dan foton keluarga partikel akan lenyap jika dibuat diam. Kita tidak menuntut untuk mengetahui jawaban lengkap atas asal muasal elektron elektron ini. Kita cenderung untuk memikirkan elektron-elektron itu selalu ada disana dalam semacam kedudukan ‘virtual’ dan dijelmakan dalam keberadaan yang dapat dideteksi melalui tumbukan tumbukan foton cahaya. Vakum dibayangkan sebagai suatu ‘kedudukan’ ruang waktu yang mengandung partikel partikel yang tak terdeteksi, dan karenanya dipikirkan sebagai suatu keadaan yang mengandung dua elektron. Dengan kata lain bahwa jika beberapa jenis aksi dikenakan pada keadaan vakum maka akan tercipta dari vakum itu dua elektron dalam suatu kedudukan partikel. Meskipun kebolehjadianya kecil tapi dari dua elektron ini dapat saja bertumbukan satu sama lain. Salah satunya positif dan satunya negatif. Pasangan elektron ini satu positif dan yang satunya negatif, Dalam beberapa cara luar biasa berbeda satu sama lain secara total dan pada waktu yang sama sangat sama. Jika terjadi tumbukan mereka akan bertransisi kembali ke keadaan vakum. Dua jenis elektron akan musnah, dan dua foton akan muncul tepat di tempat terjadinya tumbukan mereka peristiwa ini dikenal sebagai proses anihilasi materi-antimateri. Kita akan bertanya: kemana mereka pergi? adakah mereka tetap hadir dalam suatu cara yang tak dapat terdeteksi? Marilah kita mempertahankan dua elektron tadi bersaman dengan radiasi yang kita kirim ke kontainer. Anggaplah kedua elektron itu tak bertumbukan untuk suatu waktu yang lama, bersamaan dengan lebih banyak lagi radiasi di pancarkan ke dalam kontainer. Suatu proses dimana lebih banyak tumbukan antara foton berlangsung akan menghasilkan lebih banyak lagi pasangan elektron, dan tumbukan-tumbukan foton dengan elektron akan memanaskan elektron juga menghasilkan lebih banyak pasangan elektron. Pancaran radiasi dipertahankan terus kedalam ruang, untuk mendapatkan keadaan yang semakin panas hingga akhirnya ketika suatu foton bertumbukan dengan suatu elektron suatu pasangan muon positif-negatif di hasilkan. Lagi-lagi suatu yang baru didapatkan di dalam vakum dalam bentuk muon-muon tersebut, dan muon-muon ini berbeda dari pasangan elektron yang terbentuk sebelumnya. Untuk satu hal, muon adalah radioaktif. Jika ruang dipanaskan terus-menerus dengan cara mengirimkan semakin banyak radiasi ke dalam kontainer maka partikel-partikel yang disebut pi meson atau pion akan mulai muncul. Partikel atau hal baru yang lain akan di dapatkan/ di jumpai dalam kontainer dalam bentuk gaya nuklir yang sangat kuat yang mengikat mereka bersama. Pion sangat berbeda dengan muon dan elektron. Dengan pemanasan yang lanjut, akhirnya pasangan proton – anti proton dan pasangan neutron – anti neutron muncul. Kini secara keseluruhan diperoleh material dari mana semua inti atomik terbangun /tersusun. Sekarang kita dapat bertanya: dari mana partikel-partikel itu datang? “Dari keadaan-keadaan virtual di dalam vakum” jawab fisikawan. Selanjutnya kita dapat bertanya : apakah vakum benar benar hampa? Kita dapat menjawab pertanyaan itu jika kita meninjau pemunculan partikel dari suatu vakum observasi maka ia tak hampa. Jadi, jika penampakan pasangan partikel-antipartikel dapat dinamakan sebagai bukti untuk suatu vakum yang dapat terdeteksi; maka kita dapat menyimpulkan bahwa kontainer vakum penuh sesak dengan elektron, muon, proton, dan neutron, juga dengan partikel partikel lain yang tampak ketika pemanasan ruang berlanjut. Jadi kita memiliki alasan bahwa vakum tidak hanya memiliki suatu temperatur tapi juga mengandung semua jenis partikel di alam. Secara pasti tak ada suatu ruang dari ketakadaan secara mutlak! Sebagaimana telah dilihat, dengan penampakan proton dan neutron juga elektron dalam ruang, kita memperoleh material-material penting dengan mana semua unsur-unsur yang diketahui dan senyawa-senyawa (atau materi) yang dijumpai di alam terbangun. Di samping pembangunan unsur-unsur secara kontinu terjadi di dalam kontainer asli kita, di sana juga partikel-partikel akan sering bertumbukan dengan anti partikel dan musnah, menghasilkan foton di tempat itu. Bilamana suatu kesetimbangan antara materi dan radiasi elektromagnetik telah menjadi mantap, semua komponen-komponen penting dengan mana terbangun suatu bagian real dari alam semesta akan hadir. Lebih lanjut, partikel-partikel yang tercipta tadi adalah identik terhadap kawan sejenisnya di manapun di alam semesta. Elektron dan proton dalam kontainer adalah identik terhadap elektron dan proton yang ditemukan di batuan tertua atau bagian terjauh dari bintang-bintang. Kesimpulannya adalah bahwa ruang secara umum mengandung suatu kumpulan yang padat dari semua partikel yang dikenal dan bahwa partikel-partikel ini dapat dideteksi dengan bantuan radiasi elektromagnetik (cahaya). Jadi dapat dikatakan bahwa vakum fisis adalah suatu yang sangat real.
2. Cermin Ruang-waktu
Dalam pembicaraan kita tentang vakum fisis, kita menyebutkan konsep-konsep materi dan anti materi. Adalah baik menyelidiki ini lebih lanjut. Kita telah menyatakan bahwa suatu partikel adalah hanya/satu-satunya lawan dari anti partikelnya, tapi bahwa yang dua adalah sangat sama. Marilah kita meninjau suatu benda yang berada di depan cermin datar dan anggap bahwa kita dapat melihat benda juga bayangannya dalam cermin. Dalam penampakan, benda dan bayangannya adalah sangat sama,tapi dalam keadaan mereka terbalik terhadap satu sama lain dalam cara yang bagian kiri adalah terhadap bagian kanan. Bayangan mengandung cahaya dan distribusi yang sama bahwa benda mengandung cahaya tapi dalam suatu urutan terbalik. Kini misalkan di sana ada suatu benda dengan distribusi muatan listrik di atasnya, dan andaikan cermmin ditanahkan, tembaga mengkilat yang di lapisi. Lagi-lagi ada suatu bayangan optik benda yang terbalik, tapi kini bayangan juga memiliki suatu distribusi muatan sama seperti pada bendanya, terkecuali bahwa distribusi berlawanan dalam tanda listrik. Jika di sana suatu konsentrasi muatan-muatan positif pada bagian atas, di sana akan ada suatu konsentrasi serupa dari muatan-muatan negatif pada bagian atas bayangan. Pada eksperimen ini, benda adalah agak lebih dekat untuk menjadi sama seperti bayangannya, kecuali bahwa ia terbalik (Gb. 2). Dalam kasus pokok, ruang-waktu membangun beberapa macam cermin sempurna – cermin yaang memantulkan dari semua partikel fundamental dan juga membaliknya. Setiap partikel suatu “bayangan/refleksi” dalam cermin ruang-waktu sempurna ini, dan setiap sifat partikel adalah terkandung tepat dalam suatu pengertiaan terbalik dalam bayangannya. Dalam kasus ini, ia membuat sedikit perbedaan yang disebut benda dan yang disebut bayangan mereka secara eksak “sama”, tapi mereka terbalik dalam semua pengertian terhadap satu sama lain. Jadi alam dapat dipikirkan sebagai suatu yang tersusun dari suatu jumlah luar biasa dari partikel dan dalam sejumlah yang sama dari anti partikel. Ketika setiap yang dikandung dalam cermin sempurna yang disebut ruang – waktu, sesuatu boleh jadi berada pada jarak yang jauh dari yang lain, tapi keduanya adalah “dalam” cermin. Apa yang terjadi bilamana suatu benda menjadi dekat dan “bertumbukan” dengan bayangan. Kita dapat balik ke kasus bayangan-bayangan optik untuk suatu analogi. Jika kita mengamati suatu daun di atas dahan pohon dan bayangan daun dalam permukaan kolam tenang di bawah pohon, kita dapat melihat keduanya, daun dan bayangannya. Sekarang andaikan daun jatuh ke arah air. Bayangan dan daun “bertumbukan” ketika daun mencapai permukaan air. Keduanya lenyap ketika daun terbenam dan tenggelam. Pada tempat itu ada suatu lingkaran riak yang mengembang ke arah luar dari kedudukan tumbukan. Ini adalah analogi tapi suatu yang sangat berlainan. Bilamana partikel dan antipartikelnya bergabung dalam suatu tumbukan, mereka keduanya lenyap sempurna, dan beberapa foton radiasi elekromagnetik dihasilkan atau dalam beberapa kasus pion-pion terbentuk, dan ini secara cepat meninggalkan kedudukan tumbukan. Kita boleh bertanya : Dimanakah bayangan khusus dari elektron khusus ini pada ujung pensil saya? Adakah ia memiliki bayangan tunggal bersangkutan khusus? Pemikiran lebih lanjut mengingatkan bahwa semua elektron negatif adalah identik terhadap satu sama lain. Sesuatu elektron positif dapat bertindak sebagai suatu bayangan untuk sesuatu elektron negatif, dan sebaliknya. Jadi, sifat-sifat fisik materi dalam beberapa pengertian terpantulkan dalam ruang – waktu, dan refleksi-refleksi ini adalah antimateri. Kita harus menempatkan ke samping suatu sifat, bagaimanapun, untuk mana ini tidak termasuk : sifat akan kehidupan. Sifat kehidupan dengan jelas tidak terpantul” dalam ruang waktu, dan sementara itu menjadi suatu bukti sejati sifat banyak benda, jadi kehidupan tak dapat dipandang berada “dalam” ruang-waktu dalam pengertian bahwa untuk sifat-sifat fisis. Tak ada bukti untuk “antikehidupan”, kecuali hanya untuk ketakhadiran kehidupan dalam kasus – kasus tertentu.
3. Mengukur Ruang-Waktu
Kita telah mempelajari dalam kajian-kajian kita sebelumnya tentang ilmu-ilmu kealaman untuk memandang alam dalam banyak aspeknya, yang kita beri beragam nama massa, energi, gaya, momentum, muatan listrik, dan lain-lain. Adalah penting untuk diingat, bagaimanapun, bahwa tak satupun kualitas-kualitas ini pernah diukur dalam suatu penginderaan langsung. Kita harus belajar bahwa semua itu dilakukn secara mendasar dalam membuat suatu pengamatan ilmiah untuk mengukur interval-interval ruang dan interval-interval waktu. Semua kuantitas-kuantitas lain diturunkan dari ukuran-ukuran ini. Interval-interval ruang dapat diukur secara langsung dengan beberapa macam tongkat pengukur (misalnya, suatu meter pengukur), atau mereka dapat ditunjukan dengan beberapa macam skala pegas (misalnya,dengan posisi yang berubah dari suatu jarum petunjuk pada suatu skala). Metoda yang lain melakukan sutu pengukuran interval jarak adalah meninjau interval waktu untuk suatu pulsa radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dan dipantulkan kembali. Jadi, kita mencatat bahwa di sana ada suatu hubungan/keterkaitan erat antara interval-interval waktu dan interval-interval ruang. Dalam suatu cara analog, jarak dari satu puncak ke puncak yang lain dari suatu gelombang dalam beberapa medium dapat digunakan sebaagai suatu ukuran intervaal-interval waktu (temporal). Sangat sering, akan tetapi, pengukuran suatu interval waktu dilakukan dengan mencatat posisi-posisi suksesif dari jarum-jarum penunjuk suatu jam. Sebagaimana interval-interval waktu dapat berhubungan erat terhadap interval-interval ruang, maka keadaan sebaliknya adalah benar. Pada kenyataanya semua kuantitas-kuantitas lain dari mana dibicarakan dalam fisika adalah diturunkn dari dua macam interval ini. Barangkali kita akan menjadi lebih sadar tentang metoda-metoda kita dalam melakukan pengukuran-pengukuran dasar ini. Marilah kita memandang untuk sejenak pengukuran langsung suatu interval ruang dengan menggunakan tongkat-tongkat pengukur. Suatu meter pengukur ditempatkan sepanjang interval hingga ujung nol dari meter adalah pada satu ujung interval, dan kemudian jumlah centimeter yang menempati interval dicatat. Kemudian centimeter berikutnya pada tongkat dibagi kedalam katakanlah, sepuluh (persepuluhan). Menghitung banyak interval-interval pendek ini, memberi kita desimal berikutnya. Kita tetap melakukan ini, membagi interval berikutnya ke dalam bagian-bagian dan menghitung bagian seluruhnya, mengubah instrumen kita ketika kita berjalan dari suatu meter pengukur ke suatu mikroskop, seterusnya ke suatu interferometer, hingga akhirnya sampai pada batas kemampuan kita untuk membagai interval berikutnya ke dalam bagian-bagian. Jawaban kita adalah suatu jumlah desimal, barangkali, delapan atau sembilan digit di dalamnya. Ketika batas kemampuan kita untuk membagi ruang sisa dan masih memiliki suatu kehinggaan, bilangan desimal rasional untuk suatu jawaban telah dicapai, kita menganggap bahwa, pada prinsipnya, jika kita dapat membagi dengan instrumen-instrumen yang sungguh lebih sensitif kita dapat lanjut untuk membagi interval sisa ke dalam bagian-bagian yang lebih kecil lagi secara terus-menerus (ad infinitum). Kita anggap bahwa ruang yang kita ukur dengan sejumlah langkah berhingga dapat diukur dengan suatu ketakberhinggaan langkah-langkah hingga sedikit sisa dari interval menyusun (membentuk) suatu “infinitesimal”. Bagaimana kita membuat asumsi ini? Ia segera dibuat ketika pengukuran kita digunakan sebagai harga-harga numerik dalam ungkapan-ungkapan kalkulus diferensial dan integral. Kalkulus infinitesimal dengan sendirinya adalah model matematis untuk asumsi yang baru saja telah kita nyatakan. Ingatlah bahwa dalam kalkulus, ratio interval mendekati suatu limit (batas) ketika suatu interval mendekati nol. Analogi asumsi ini, seterusnya, menunjukkan bahwa ruang waktu dapat dipikirkan sebagai suatu entitas kontinu. Jadi, kita menganggap bahwa secara logis kita boleh memandang sembarang interval ruang waktu, tidak soal betapa kecil (atau infinitesimal) interval itu. Akan tetapi, kita mengingatkan kembali diri kita sendiri bahwa tak ada alasan logik untuk memandang bahwa interval-interval adalah infinitesimal lain dari pada bahwa matematika untuk menjelaskan suatu kontinu seperti itu adalah lebih sederhana dari pada matematika akan jadi (ada) jika kenyataannya di sana ada beberapa interval paling kecil tapi berhingga dari ruang-waktu. Tak ada teori koheren fisika yang telah, hingga kini, dibangun pada suatu struktur non-kontinu dan diskrit untuk ruang waktu. Adalah baik untuk mengigatkan diri sendiri, akan tetapi, bahwasanya hingga kini kita tak memiliki alasan yang memaksa untuk mengaangap ruang-waktu sebagai suatu kontinum lain dari pada keuntungan matemtika. Ada banyak untuk kita untuk mempelajari terhadap struktur ruang-waktu.
4. Materi dan Ruang-Waktu
Kita mengawali tulisan ini dengan membicarakan benda-benda material yang terkandung dalam ruang berdimensi tiga, dan ia boleh jadi bahwa barang kali (kemungkinan besar) kita menggunakan kata-kata yang kurang tepat bila kita mengatakan bahwa materi adalah “terkandung” di dalam ruang. Pernyataan ini, jika kita teliti secara hati-hati, menunjukkan bahwa manifold (paduan) ruang-waktu adalah semata-mata suatu latar belakang pasif ke dalam mana semua benda-benda material entah bagaimana terbenam. Dengan pasti ini adalah cara ruang-waktu diperlakukan dalam fisika klasik dan juga dalam filsafat klasik. Ruang dianggap sebagai suatu kontainer raksasa dari berbagai macam yang menjadikan ruang-waktu untuk benda-benda di alam semesta untuk bergerak di dalamnya dan melakukan pengaruh mutual pada satu sama lain. Akan tetapi, adalah baik untuk ditinjau, di lain pihak, jika dalam beberapa cara keberadan benda-benda material dapat ada karena “geometri” ruang-waktu itu sendiri, dan selanjutnya, bahwa materi boleh jadi hanya satu banyak sifat dari suatu ruang-waktu yang all-encompassing.Ini adalah yang diangkat Albert Einstein pada permulan abad keduapuluh dalam usahanya membangun teori relativitas umum. Ia mempostulatkan bahwa keberadaan gaya-gaya jenis apapun dapat dipandang sebagai manifestasi beberapa kelengkungan tertentu dalam ruang-waktu yang menghasilkan percepatan. Semua gaya, apakah gaya gravitasional, listrik, nuklir, dan lain-lain, adalah, barangkali, hanyalah model menguntungkan untuk suatu situasi umum yang lebih kompleks (rumit) di mana suatu kelengkungan menimbulkan massa. Konsepsi relativitas umum sebagaimana disajikan oleh Einstein diringkas secara baik oleh Erwin Schrodinger :”Aplikasi ideal, tujuan utama, dari suatu teori adalah tak lebih dan tak kurang dari pada ini: Suatu kontinum empat dimensional yang memberkatkan (endowed) dengan suatu struktur geometri intrinsik tertentu, suatu struktur bahwa didasarkan terhadap hukum-hukum geometri secara murni inheren tertentu, adalah menjadi suatu model yang cukup atau gambaran dunia nyata di sekitar kita dalam ruang dan waktu dengan semua ia kandung dan meliputi perilaku totalnya, tayangan semua peristiwa yang berjalan di dalamnya “. Ini, tentu saja suatu gambaran sangat lain dari konsep kontainer sederhana tentang ruang-waktu dengan mana kita memulai pembicaraan kita. Yang mana pandangan hubungan timbal-balik yang ada antara ruang-waktu dan materi adalah benar, jika salah satunya, adalah salah satu problem yang paling mendasar yang dihadapi fisika moderen. Ia tetap warisan untuk generasi fisikawan masa depan untuk memecahkannya. Dalam tulisan ini, kita hanya dapat membantu ilmuwan-ilmuwan masa depan itu untuk melakukan permulaan atasnya.
5. Ikhtisar
Kita telah lihat, dalam suatu pengertian paling mendasar dalam fisika suatu vakum dalam ruang-waktu adalah bukan suatu konsep kehampaan tapi mengandung sejumlah besar semua partikel yang diketahui. Cara di mana partikel-partikel ini terdeteksi melibatkan penggunaan sinyal cahaya berenergi tinggi. Juga benar bahwa tak ada alasan kuat untuk menganggap bahwa ruang-waktu dapat dibagi ke dalam interval yang kian mengecil secara tak tertentu. Ruang-waktu boleh jadi suatu kontinum, atau boleh jadi ia diskrit, dalam mana ia terdiri dari sel-sel tak dapat dibagi dalam cara apapun. Dalam interaksinya, ruang-waktu dalam suatu cara fundamental sebagai suatu cermin sempurna yang memberikan suatu bayangan sempurna dan terbalik secara sempurna untuk tiap partikel di alam semesta. Ia dapat juga benar bahwa ruang-waktu itu sendiri adalah salah satu suatu kontainer pasif untuk dunia fisis atau ia sendiri kedudukan (tempat) semua fenomena fisis dan melalui geometri intrinsiknya sendiri. (Yaziz Hasan/Saintifika Indonesia)
