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!