Bianglala

Semua partikel yang menyusun alam semesta terbagi menjadi dua katagori dasar: fermion dan boson. Akar dari pembagian ini berasal dari Belanda, tepatnya di University of Leiden, dimana Samuel Goudsmit dan George Uhlenbeck menjadi akademisi pada 1925. Goudsmit yang lebih berorientasi pada percobaan, memperhatikan adanya pemisahan tambahan dalam spektrum cahaya yang dipancarkan oleh atom helium. Uhlenbeck, yang lebih akrab dengan fisika klasik, mengira penyebab pemisahan ini mungkin berhubungan dengan sifat alami elektron. Goudsmit dan Uhlenbeck sama-sama menduga bahwa elektron memiliki momentum sudut intrinsik, atau yang biasa disebut spin.

Saat itu mekanika kuantum masih dalam tahap pembentukan, jadi gagasan ini menghasilkan bilangan kuantum keempat—setelah kuantum utama, orbital, dan magnetik—yang disebut bilangan kuantum spin. Meskipun nampaknya menarik bahwa elektron adalah sesuatu yang kecil dan berputar cepat, namun gambaran ini tidak bisa ditelan mentah-mentah. Momentum sudut intrinsik elektron, atau spin, bernilai ± ½ (h/2.π) dimana h adalah konstanta Planck (6,626 × 10^-34 joule-sekon). Spin juga merupakan cara yang mudah untuk memahami elektron karena bilangan kuantum spin memiliki dua nilai yakni +½ (h/2.π) dan –½ (h/2.π), sesuai dengan putaran “ke atas” dan “ke bawah”. Pada tahun 1928, perhitungan mekanika kuantum oleh ahli fisika Inggris, Paul A.M. Dirac memberikan dasar teoretis bagi spin elektron. Maka, boleh jadi usaha Goudsmit dan Uhlenbeck sebelumnya merupakan keberuntungan semata.

Pada 1925, ahli fisika Austria, Wolfgang Pauli, memberikan gagasan keempat bahwa tidak ada dua elektron yang bisa menempati tingkat kuantum yang sama di tempat yang sama. Prinsip yang kemudian disebut “larangan Pauli” ini merupakan dasar bagi tabel periodik unsur-unsur kimia.

Ketika perilaku statistik elektron-elektron dipelajari, ahli fisika Italia-Amerika, Enrico Fermi, bersama-sama dengan Dirac menciptakan teori yang disebut Statistika Fermi-Dirac. Analisis ini belakangan meliputi semua partikel lain yang merupakan kelipatan setengah integer (bilangan bulat) ganjil dari h/2.π. Partikel ini, yang disebut fermion, meliputi semua lepton dan quark. Jadi, massa alam semesta terdiri atas fermion.

Partikel dengan kelipatan bilangan bulat atau nol terhadap h/2.π diteliti secara terpisah oleh ahli fisika India, Satyendranath Bose, pada tahun 1924. Saat bekerja di University of Dhacca, di Bangladesh, Bose mengirimkan analisisnya kepada Einstein untuk meminta komentar. Einstein menerjemahkan analisisnya ke bahasa Jerman dan merekomendasikan penerbitannya. Tahun berikutnya, Einstein memperluas pekerjaan Bose sampai pada semua partikel, bukan hanya fermion. Perilaku statistik dari partikel semacam itu disebut statistika Bose-Einstein. Dirac menyebut partikel-partikel yang sesuai dengan statistika ini sebagai boson. Semua pembawa gaya—foton yang membawa gaya elektromagnetik, gluon yang membawa gaya kuat, dan partikel W dan Z, yang membawa gaya lemah—merupakan boson.

Sementara tidak ada dua fermion yang bisa terletak pada tingkat kuantum yang sama, tidak ada pembatasan semacam ini yang berlaku pada boson. Kenyataannya, semakin banyak boson yang terdapat dalam tingkat energi tertentu, makin banyak pula boson yang mirip yang akan memasuki tingkat itu. Kenyataan tersebut adalah dasar bagi emisi buatan yang terjadi pada sinar laser, dimana semua foton berbaris dalam satu fase dengan tingkat energi yang sama. Sifat mengelompok ini juga membantu menjelaskan fluiditas super pada helium, dan bahkan konduktivitas super, ketika elektron berpasangan dan berlaku seperti boson. Pada tahun 1955, gas atom rubidium didinginkan sampai suhu yang sangat rendah sehingga atom gas semuanya berada pada tingkat kuantum yang sama. Agregat ini disebut kondensat Bose-Einstein.

Sifat “penyendiri” fermion, dan sifat “mengelompok” boson ini membuat keduanya secara mendasar cukup berbeda. Akan tetapi, perbedaannya kritis bagi sifat alamiah alam semesta seperti yang kita tahu. Misalnya, jika fermion bergabung seperti boson, sebuah elektron atom akan menggerombol pada tingkat energi terendah, sehingga tidak akan ada kimia, dan kehidupan tidak akan pernah ada!

Climb ev’ry mountain.
Search high and low.
Follow ev’ry by-way.
Every path you know.

Climb ev’ry mountain.
Ford ev’ry stream.
Follow ev’ry rainbow.
‘Till you find your dream.

A dream that will need.
All the love you can give.
Everyday of your life.
For as long as you live.

Climb ev’ry mountain.
Ford ev’ry stream.
Follow ev’ry rainbow.
‘Till you find your dream.

(dari The Sound of Music)

Apa hubungannya Harry Potter dengan sains? Semua orang tahu kalau Harry Potter, serial novel terkenal buah pena J.K. Rowling itu bercerita tentang dunia sihir yang tentunya cuma sebatas fantasi, sementara sains adalah hal yang nyata, eksak.

Kaitan langsung diantara keduanya tentu saja tidak ada. Tapi, di tangan Roger Highfield, editor sains The Daily Telegraph, London, mengikuti kisah Harry Potter selama menimba ilmu di Hogwarts dapat berubah menjadi petualangan sains yang mengasyikkan. Setidaknya itu yang akan kita dapatkan dari membaca buku karangannya: The Science of Harry Potter, atau terjemahan indonesianya, Sains Harry Potter: Menjelaskan Sihir dengan Sains (Penerbit KPG, 2006).

Buku ini terbagi menjadi dua bagian. Di bagian pertama, penulis lebih cenderung untuk menguraikan masalah “bagaimana caranya” yang bisa dianggap sebagai kajian ilmiah rahasia tentang segala sesuatu yang terjadi di Hogwarts maupun dunia sihir pada umumnya. Dan begitulah. Dari sapu terbang yang dikendarai Harry Potter dalam pertandingan Quidditch, kita bisa belajar tentang usaha para ilmuwan untuk menemukan bahan antigravitasi hingga teori relativitas umum dan khusus. Jam pembalik waktu Hermione Granger akan membawa kita belajar tentang teori kuantum dan semesta paralel. Topi seleksi pembaca pikiran akan menuntun kita memahami pola-pola aktivitas listrik dan magnetis dalam otak. Kacang segala rasa Bertie Bott akan mengungkap rahasia indera pengecap kita. Dan jangan lewatkan kelas magizoologi yang akan membuka sedikit rahasia rekayasa DNA yang dilakukan para ilmuwan muggle (istilah dalam buku Harry Potter untuk manusia biasa yang tidak memiliki kemampuan sihir).

Di bagian kedua, buku ini lebih memusatkan perhatian pada asal-mula pemikiran sihir, baik itu yang diungkapkan oleh mitos, legenda, ilmu gaib, dan semacamnya. Diawali dengan keterbatasan pikiran manusia, kita akan belajar tentang ilmu alkimia yang berawal dari mimpi para ilmuwan di masa lampau untuk mengubah unsur-unsur dasar menjadi emas, atau usaha pencarian “cairan kehidupan” yang identik dengan batu bertuah yang dikisahkan dalam salah satu serial Harry Potter. Semuanya akan membawa kita untuk melintasi berbagai cabang sains, mulai dari fisika partikel hingga biologi sel.

Sepintas konsep buku ini tidak jauh berbeda dengan buku semacam Fisika Star Trek (yang juga sudah pernah diulas disini). Keduanya sama-sama berangkat dari ide untuk memasyarakatkan sains lewat produk budaya pop. Kehadiran buku ini maupun buku sejenis kiranya tidak dimaksudkan untuk “membonceng” ketenaran Harry Potter (atau serial Star Trek, dan semacamnya), melainkan untuk menyediakan sebuah “atmosfer” yang lebih akrab bagi pembaca dalam membahas soal sains. Toh Sains dan sihir ternyata tidak mesti bertolak belakang, dan sumber keduanya pun sama, yakni rasa ingin tahu manusia. Sains dan sihir sama-sama menyimpan berbagai keajaiban yang mengundang kekaguman. Bukan begitu?

Gara-gara diskusi tentang Pluto yang barusan dikeluarkan dari keluarga planet, saya malahan baru tahu kalau ternyata ada banyak “jembatan keledai” yang dipakai orang untuk menghafalkan urut-urutan keluarga planet penghuni tata surya. Mulai dari “Membeli Velpen Buat Maryati Yang Sedang Ujian Negara Penghabisan” sampai “Mari Vetik Bunga Mawar Yang Satu Untuk Nona Pluto”. Untung saja IAU tidak jadi menambah jumlah planet menjadi 12 seperti usulan semula, he-he-he :).

Saya sendiri cenderung tidak memperlakukan astronomi sebagai pelajaran hafalan. Kalau kebetulan saya dari kecil sudah hafal diluar kepala urut-urutan planet mulai dari Merkurius sampai Pluto (yang sekarang sudah “didepak” dari keluarga planet), itu bukan karena jembatan keledai, melainkan lebih karena saya sudah jatuh cinta dengan astronomi jauh sebelum saya bisa membedakan antara cewek cantik dengan yang biasa-biasa saja :).

Menyimpang sedikit ke soal Pluto; sebagai “pecinta” astronomi, saya sebenarnya tidak merasa kehilangan atas berakhirnya status keplanetan Pluto. Klasifikasi adalah buatan manusia semata. Apapun klasifikasi yang dipakai, entah planet atau dwarfs planet seperti yang sekarang berlaku, toh Pluto secara fisik tidak berubah. Tetap sebagaimana adanya saat ia masih dianggap sebagai planet. Dalam sains, kita tidak boleh main perasaan, melainkan memakai ukuran. Hilangnya status keplanetan Pluto itu wajar saja dari konteks perkembangan sains, dan tidak perlu ditanggapi secara “sentimentil”, apalagi pakai aksi demo segala macam ;).

Kembali ke soal jembatan keledai. Mungkin jembatan keledai yang paling populer dikalangan anak SD hingga sekolah menengah adalah “mejikuhibiniu” untuk menghafalkan urut-urutan spektrum pelangi (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu). Padahal, seperti yang sudah pernah saya tulis disini, urut-urutan inipun sebenarnya tidak betul. Disamping pelangi sebenarnya lebih kaya warna–alih-alih hanya punya tujuh warna, definisi warna nila itupun sebenarnya masih belum jelas.

Tapi, teknik jembatan keledai ternyata tidak cuma dipakai oleh anak-anak di level sekolah menengah kebawah, melainkan juga oleh saintis profesional. Para astronom misalnya, juga punya jembatan keledai untuk menghafalkan urut-urutan kelas spektral bintang. Mau tahu seperti apa jembatan keledainya? Oh, Be A Fine Girl (Guy), Kiss Me!