Fundamental Forces of Nature

Pernahkah kalian membayangkan jika ada sebuah kertas kosong dan kalian mencoba membongkarnya hingga ke atomnya? Apa yang kalian kira lihat? Jika itu kalian lakukan dan membongkarnya hingga ke paling dasar, kalian akan melihat bahwa kertas itu disusun atas sesuatu yang bernama Quarks and Leptons serta gaya-gaya dasar atau dikenal sebagai interaksi-interaksi dasar yang terkait dengan Gauge Bosons

Apa yang sebenarnya dimaksud dengan Fundamental Forces? Bagaimana bisa ada interaksi – interaksi dasar tersebut? dan bagaimana bisa terjadi interaksi tersebut? Yuk simak materi berikut!

The Standard Model of Particle Physics

Sebelum kalian memahami apa yang disebut dengan Fundamental of Forces atau interaksi-interaksi dasar kalian harus mengetahui terlebih dahulu mengenai teori partikel modern atau yang biasa dikenal “The Standard Model of Particle Physics”.

Sejak 400 tahun lalu Galileo Galilei mempertanyakan suatu hal yang menjadi misteri bahkan hingga saat ini yaitu “Apa yang sebenarnya membentuk alam semesta?” seperti matahari, galaksi, bintang bahkan hingga meja yang ada di rumah kalian masing-masing. Kita tahu bahwa ilmu fisika terus berkembang hingga di era modern ini, sehingga kita mengenal apa yang disebut The Standard Model of Particle Physics. Teori tersebut menggambarkan bahwa alam semesta ini tersusun dari 12 tipe partikel subatomik yang berbeda yang terikat dengan interaksi pada 3 gaya dasar seperti yang terdapat pada gambar diatas.

Secara keseluruhan sebenarnya ada 4 interaksi dasar, lalu siapa satu interaksi dasar lainnya? Gravitasi. Yap benar gravitasi, yang mungkin sangat terkenal dan kita ketahui sejak tingkat sekolah dasar. Kita akan bahas gravitasi pada bagian selanjutnya.

Kembali lagi kepada pembahasan kita, apa sebenarnya 12 tipe partikel subatomik tersebut? dan apa sebenarnya hubungan mereka dengan interaksi – interaksi dasar yang ada pada alam semesta? lebih jelasnya perhatikan gambar berikut:

Pada Quantum Field Theory, suatu materi pada tingkat fundamental atau dasar tidak sebenarnya tersusun atas partikel namun tersusun atas suatu medan (field). Interaksi antar medan tersebut membentuk partikel pada dunia nyata.

Pada Standard Model terbagi menjadi dua bagian yaitu Fermions (Partikel Materi) dan Bosons (Partikel gaya/Interaksi). Berikut Penjelasannya:

Fermions

Fermions dikenal sebagai partikel materi karena mereka yang membentuk materi di alam semesta, yang tersusun Quarks dan Leptons

Quarks

Kalian pasti sudah tahu bahwa inti atom tersusun atas neutron dan proton tetapi sebenarnya ada penyusun yang lebih kecil lagi yaitu Up Quarks dan Down Quarks.

Dari Standard Model terdapat juga Strange Quark dan Bottom Quark. Mereka berdua adalah versi lain dari Down Quark dimana mereka lebih berat. Up Quark juga memiliki dua versi lainnya yaitu Charm Quark dan Top Quark.

Leptons

Pada bagian ini kalian melihat suatu yang familiar yaitu elektron yang sudah kita ketahui sejak tingkat sekolah menengah. Disebelahnya kita melihat ada Muon dan Tau pada tabel Standatd Model dimana mereka berdua memiliki sifat yang mirip dengan elektron namun mereka hanya memiliki berat yang lebih besar daripada elektron. Selanjutnya ada partikel bernama Neutrino/Elektron Neutrino. Kebanyakan Neutrino berasal dari matahari atau bahkan sudah ada ada di alam semesta kita sejak Big Bang. Selain itu ada juga dua versi lain Neutrino yaitu Muon Neutrino dan Tau Neutrino.

Bosons

Setiap partikel pada alam semesta tentu memiliki interaksi nya masing-masing. Interaksi partikel ini yang terkait dengan Gauge Bosons atau dikenal sebagai Forces Carrier (Photon, Gluon, W Boson, Z Boson). Interaksi tersebut dijelaskan dalam Standard Model yaitu: Elektromagnetisme, Gaya Kuat (Strong Force), dan Gaya Lemah (Weak Force). Bersama gravitasi, mereka inilah yang biasa disebut sebagai Fundamental Forces.

Lalu apa itu Higgs Boson? Disinilah misteri pada Standard Model dimana Higgs Boson lah satu satunya partikel yang memiliki massa. Hal ini dikarenakan medan boson (Higgs Field) sendiri berinteraksi. Partikel ini baru ditemukan pada tahun 2012 di LHC (Large Hadron Collider). Higgs Boson memiliki sebutan yang cukup terkenal semenjak kemunculannya yaitu The God Particle atau Partikel Tuhan dan bahkan beberapa orang menyebut ini Goddamn Particle karena sangat sulit nya partikel ini untuk diselidiki yang membutuhkan energi sangat tinggi dan muncul dalam waktu yang sangat singkat yaitu 10^-22 sekon. Partikel ini disebut menjadi asal muasal keempat interaksi dasar yang kita ketahui dimana Higgs Boson ini yang berperan dalam memecah mereka menjadi empat. Disaat ditemukannya Higgs Boson sudah banyak menunjukkan betapa aneh dan penuh misterinya alam semesta kita.

Fundamental of Forces

Dari interaksi-interaksi yang terjadi antar partikel yang dijelaskan pada Standard Model tercipta interaksi – interaksi dasar yang disebabkan Boson Gauge (Forces Carrier) yaitu: Elektromagnetisme, Interaksi Kuat (Strong Force) dan Interaksi Lemah (Weak Force). Berikut Penjelasannya:

Elektromagnetisme

Elektron yang dibiarkan pada ruang bebas akan mengakibatkan adanya medan listrik secara radial yang menarik atau menolak partikel bermuatan lainnya. Jika kita melihat lebih dalam lagi pada kasus medan listrik, kita akan menemukan bahwa ada nya sekumpulan partikel yang bernama partikel Photon. Gaya elektromagnetik pada dasarnya terdiri dari dua bagian, yaitu gaya listrik dan gaya magnet. Gaya elektromagnetik dimanifestasikan oleh gaya antara muatan listrik (Hukum Coulomb) dan gaya magnet, keduanya dirangkum dalam hukum gaya Lorentz. Jika kita melihat lebih dalam lagi pada kasus medan listrik, kita akan menemukan bahwa ada nya sekumpulan partikel yang bernama partikel Photon.

Gaya elektromagnetik adalah gaya dengan jarak tak terhingga yang mengikuti hukum kuadrat terbalik dan memiliki bentuk yang sama dengan gravitasi atau interaksi partikel dengan muatan listrik. Elektromagnetisme merupakan kekuatan yang paling umum, karena dapat mempengaruhi benda-benda pada jarak yang masuk akal dan dengan jumlah kekuatan yang cukup.

Partikel bermuatan saat diam berinteraksi melalui gaya elektrostatik, sementara saat bergerak mereka berinteraksi melalui gaya listrik dan magnet. Untuk waktu yang lama, gaya listrik dan magnet dianggap sebagai gaya yang berbeda, tetapi mereka akhirnya disatukan oleh James Clerk Maxwell pada tahun 1864, di bawah persamaan Maxwell. Pada tahun 1940-an, elektrodinamika kuantum mengkonsolidasikan elektromagnetisme dengan fisika kuantum.

Interaksi Kuat (Strong Force)

Interaksi ini hanya bekerja pada quarks (partikel yang membangun proton dan neutron serta mengikat inti atom). Interaksi ini juga menimbulkan apa yang disebut dengan fusi nuklir dan mengeluarkan energi pada ledakan atomik). Jika Photon berkaitan dengan Elektromagnetisme, interaksi ini berkaitan dengan partikel bernama Gluon. Medan yang dihasilkan quarks atau yang disebut Gluon Field ini lah yang membuat interaksi ini sangat lah kuat.

Interaksi ini adalah yang terkuat dari empat kekuatan fundamental alam. Ini 6 ribu triliun triliun triliun (39 nol setelah angka 6) kali lebih kuat dari gaya gravitasi. Gaya ini mengikat partikel-partikel dasar secara bersama-sama untuk membentuk partikel yang lebih besar dan bagian dari penjaga proton dan neutron dari inti atom bersama.

Sama seperti gaya lemah, gaya kuat hanya beroperasi ketika partikel subatom sangat dekat satu sama lain. Mereka harus berada dalam jarak 10^-15 meter dari satu sama lain, atau kira-kira dalam diameter proton. Namun, gaya nuklir ini aneh, karena tidak seperti kekuatan fundamental lainnya. Kekuatannya semakin lemah ketika partikel-partikel subatomik semakin dekat.

Gaya nuklir sebenarnya mencapai kekuatan maksimum ketika partikel-partikel itu berada paling jauh satu sama lain. Begitu berada dalam jangkauan, boson bermuatan tak dikenal (gluon) mentransmisikan kekuatan besar di antara quark dan menjaga mereka “terpaku” bersama.

Interaksi Lemah (Weak Force)

Weak Forces, juga disebut interaksi nuklir lemah, bertanggung jawab atas peluruhan partikel. Ini adalah perubahan literal dari satu jenis partikel subatomik menjadi partikel subatom lainnya. Jadi, misalnya, neutrino yang menyimpang dekat dengan neutron dapat mengubah neutron menjadi proton sedangkan neutrino menjadi elektron.

Fisikawan menggambarkan interaksi ini melalui pertukaran partikel pembawa gaya yang disebut boson. Jenis boson tertentu bertanggung jawab atas tiga gaya fundamental alam — gaya lemah, gaya elektromagnetik, dan gaya kuat. Dalam gaya lemah, boson adalah partikel bermuatan yang disebut boson W dan Z. Ketika partikel subatomik seperti proton, neutron, dan elektron berada dalam jarak 10^-18 meter, atau 0,1% dari diameter proton, satu sama lain, mereka dapat bertukar boson ini. Akibatnya, partikel subatomik meluruh menjadi partikel baru, menurut situs web HyperPhysics Universitas Negeri Georgia.

Weak Forces sangat penting untuk reaksi fusi nuklir yang menggerakkan matahari dan menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk sebagian besar bentuk kehidupan di Bumi. Itu juga mengapa para arkeolog dapat menggunakan karbon-14 untuk menentukan penanggalan tulang purba, kayu, dan artefak lain yang hidup sebelumnya. Karbon-14 memiliki enam proton dan delapan neutron; salah satu dari neutron tersebut meluruh menjadi proton untuk membuat nitrogen-14, yang memiliki tujuh proton dan tujuh neutron. Peluruhan ini terjadi pada tingkat yang dapat diprediksi, memungkinkan para ilmuwan untuk menentukan berapa usia artefak tersebut.

Gravitasi

Seperti yang sudah dibicarakan dalam pembahasan, ada satu interaksi yang hilang atau terpisah yaitu Gravitasi. Beberapa tahun kebelakang, para ilmuwan telah meyakini dan bahkan menemukan gelombang gravitasi dimana gelombang tersebut membelokkan ruang dan waktu. Jika kita lihat lebih mendalam, gelombang ini tersusun atas partikel subatomik lain yaitu Graviton. Disinilah muncul permasalah bahwa hingga saat ini belum ada satupun yang berhasil benar benar membuktikan keberadaan Graviton.

Gravitasi merupakan salah satu dari empat gaya fundamental. Gravitasi adalah gaya tarik menarik antara dua benda yang memiliki massa atau energi, baik yang terlihat pada jatuhnya batu dari jembatan, planet yang mengorbit bintang atau bulan yang menyebabkan terjadinya pasang surut air laut. Gravitasi mungkin merupakan gaya fundamental yang paling intuitif dan familiar, tetapi juga merupakan salah satu yang paling menantang untuk dijelaskan.

Gagasan gravitasi pertama kali diusulkan oleh Isaac Newton, ia membingkai hukum yang dikenal sebagai hukum gravitasi Newton. Menurut hukum gravitasi Newton, menyatakan bahwa gaya gravitasi antara dua benda titik berbanding lurus dengan produk dari massa mereka dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya.

Berabad-abad kemudian, Albert Einstein menyarankan, melalui teorinya tentang relativitas umum, bahwa gravitasi bukanlah daya tarik atau gaya. Sebaliknya, itu adalah konsekuensi dari objek yang menekuk ruang-waktu. Sebuah benda besar bekerja pada ruang-waktu seperti bagaimana sebuah bola besar yang ditempatkan di tengah lembaran mempengaruhi bahan tersebut, mengubah bentuknya dan menyebabkan benda lain yang lebih kecil pada lembaran itu jatuh ke tengah.

Meskipun gravitasi menyatukan benda-benda besar, seperti matahari, atau planet raksasa, gravitasi merupakan gaya fundamental terlemah, terutama pada skala molekul dan atom.

Sumber:

The Standard Model of Particle Physics

Fundamental of Forces

Gravitasi

Related Posts

Leave a Comment