Fizik Bakal Berubah Untuk Selamanya?

Fizik boleh dibahagikan kepada dua bahagian – fizik klasikal dan fizik moden. Tahun 1900 selalunya diambil sebagai tahun yang menjadi titik pemisah antara dua cabang fizik ini, apabila pada tahun 1905, Albert Einstein memperkenalkan teori Relativiti kepada dunia, dan Max Planck mula meneroka konsep Fizik Kuantum dan pengkuantaan tenaga sekitar hujung tahun 1900, dan teori Kuantum mula ditambah baik pada tahun-tahun seterusnya. Sebelum kewujudan dua bidang fizik moden ini, wujud bidang fizik yang klasikal dan lebih lama dibicarakan ahli sains, antaranya adalah Mekanik Newton, Teori Elektromagnet Klasik yang diterbitkan oleh James Clerk Maxwell, hukum objek samawi bersandarkan idea Kepler dan Newton, serta cabang bidang Termodinamik hasil dari sumbangan ramai ahli sains.

Pada satu tahap, ahli fizik merasakan seperti mereka telah memahami segala-galanya. Untuk memahamkan pergerakan, kita hanya perlu memahamkan idea Hukum Pergerakan Newton. Untuk memahami bagaimana enjin berfungsi, kita perlu memahami idea Carnot dalam bahagian Termodinamik. Untuk faham bagaimana litar elektrik berfungsi, cukup sekadar memahami hasil kerja Maxwell. Kesemua idea dari manusia-manusia genius ini dilihat mampu digunapakai untuk menerangkan segala perkara yang berlaku dalam alam semesta kita.

REVOLUSI SAINTIFIK

Namun hasil dari revolusi saintifik, hasil dari beberapa ‘kelompongan’ yang wujud, saintis pada zaman tersebut dihentak oleh realiti yang dibawa oleh beberapa orang revolusioner yang memberontak melawan saintis lama – Albert Einstein yang memegang idea bahawa masa dan ruang bukanlah bersifat mutlak sepertimana yang didakwa oleh Newton dalam Principia-nya, Planck yang ragu-ragu dengan idea bahawa tenaga itu sifatnya ‘setongkol-setongkol’, meminjam unsur Bahasa dari Prof Shaharir. Dua revolusi besar dalam fizik ini, Relativiti dan Teori Kuantum, kemudiannya memacu lebih banyak revolusi yang baharu, seperti kelahiran cabang Fizik Nuklear, Fizik Keadaan Pepejal (Solid State Physics) dan Fizik Zarah atau Fizik Tenaga Tinggi (High Energy Physics/Particle Physics).

Hasil dari bertahun-tahun kajian, sebahagian idea relativity (Relativiti Khusus) berjaya digabungkan bersama dengan Teori Kuantum. Cabang ini, yang kini digelar Teori Medan Kuantum (Quantum Field Theory) membincangkan apa yang akan berlaku sekiranya objek-objek pada skala yang amat kecil (skala Kuantum) mampu bergerak pada kelajuan yang amat laju (skala Relativiti Khusus, atau menghampiri kelajuan cahaya).

Dari Teori Medan Kuantum ini pula, satu model baharu yang menggambarkan alam ini dicipta. Model ini terdiri dari dua kelas benda – Fermion dan Boson.

FIZIK MODEN

Pada satu tahap, kita belajar di sekolah bahawa atom adalah entiti paling kecil dalam alam semesta. Ternyata selepas kelahiran fizik moden, pelbagai entiti yang lebih kecil dari atom berjaya ditemui. Elektron adalah entiti dalam atom yang paling kecil. Proton dan neutron pula, yang merupakan sebahagian dari atom, ternyata sebenarnya tercipta dari entiti yang lebih kecil, iaitu quark. Terdapat beberapa jenis quark yang berbeza, iaitu up, down, charm, strange, top dan bottom, yang apabila dicampurkan, akan menghasilkan partikel yang lebih besar. Selain quark, ada juga muon dan tau serta neutrino mereka, dan kesemua partikel ini, Quark, Elektron, Muon, Tau dan Neutrino mereka (Neutrino Elektron, Neutrino Muon dan Neutrino Tau) kini dianggap sebagai partikel paling kecil dalam kategori Fermion.

Untuk Boson pula, Boson boleh dianggap sebagai partikel yang terhasil sewaktu interaksi berlaku. Sebagai contoh, interaksi antara partikel bercas akan menghasilkan daya elektromagnet, dan zarah yang berfungsi sebagai pengantara (mediator) antara partikel bercas itu adalah foton (photon), yang boleh dianggap sebagai tongkolan-tongkolan cahaya (atau bentuk partikel bagi cahaya). Gluon pula bertindak sebagai “gam” yang melekatkan quark untuk menghasilkan neutron dan proton (nama gluon diambil sempena perkataan ‘glue’ yang merujuk kepada gam). Jika ingin dijelaskan dengan mudah, mengambil contoh proton, proton sebenarnya dibina dari quark up, up dan down. Nilai cas elektrik bagi quark up adalah +2/3 cas elektrik, manakala nilai cas bagi quark down adalah -1/3. Sekiranya ditambah, ia akan menghasilkan proton yang mempunyai jumlas cas bersamaan dengan 1.

Masalah utama untuk proton adalah – cas bagi quark up adalah positif, dan dua quark up tidak boleh bergabung kerana mereka memiliki cas yang sama (cas positif bertemu cas positif akan menyebabkan mereka saling menolak antara satu sama lain). Dalam kes ini, gluon menjadi gam yang mengikat quark-quark ini, jadi meskipun mereka akan saling menolak, gluon akan menarik mereka.

Gambaran mudah bagi membayangkan interaksi quark dan gluon. Quark up, up dan down akan menghasilkan Proton dan pengikat (putih) adalah gluon yang mencantumkan quark terbabit

Terdapat juga boson W dan Z yang turut berfungsi untuk interaksi lemah. Dan model di atas tamat selepas saintis berjaya menjumpai Higgs Boson pada tahun 2012 di CERN, dan kesemua partikel ini kini dimasukkan sebagai satu bentuk Model Piawai (Standard Model) yang dipersetujui oleh ahli fizik teori dan eksperimen dalam bidang fizik zarah.

Satu-satunya perkara membanggakan dalam kes Model Piawai ini adalah bagaimana ahli fizik teori dan eksperimen berjaya menggembleng usaha, dari memodelkan dan menghasilkan teori bersandarkan matematik dari gabungan Fizik Kuantum dan Relativiti, sehinggalah penciptaan Large Hadron Collider semata-mata untuk mencari kesemua partikel-partikel ini. Model Piawai ini dilihat amat berkuasa, sehingga ia dilihat sebagai salah satu model paling tepat dalam bidang sains, dan ia merupakan cubaan terbaik manusia bagi memahami alam semesta.

Namun, kita nampaknya masih belum berjaya.

JALAN MATI

Disebabkan kejayaan Model Piawai ini, saintis kelihatannya seperti berada dalam satu jalan mati. Segala teori yang dihasilkan berjaya ditentusahkan, dan ia akhirnya membosankan saintis dalam bidang fizik zarah itu sendiri. Secara semulajadinya, sains tidak boleh mengalami revolusi jika segala yang kita tahu dibuktikan betul. Langit itu biru? Betul. Rumput itu hijau? Betul. Air itu jernih? Betul. Perkara ini membosankan minda yang sentiasa penuh dengan tanda tanya, maka apabila tiba-tiba langit bertukar merah, rumput menjadi kering, dan air menjadi keruh, maka kita sekali lagi mula menggerakkan minda kita, segala apa yang kita faham mengenai alam ini ternyata ‘lain’ dalam beberapa situasi yang berbeza.

7 April lalu adalah waktu itu – waktu di mana tiba-tiba sahaja langit yang sentiasa biru bertukar merah –air yang sentiasa jernih tiba-tiba bertukar keruh – rumput yang sentiasa hijau bertukar kering.

Model Piawai yang selama ini menjadi kebanggaan komuniti fizik zarah kini diganggu gugat kerana salah satu teori yang dicipta ternyata tidak selari dengan hasil eksperimen yang dilakukan di Fermilab. Eksperimen ini memfokuskan kepada momen magnet, dan eksperimen itu bertujuan untuk mengukur momen magnet bagi muon (salah satu partikel asas tadi). Momen magnet (selalunya disebut dalam bentuk faktor g) untuk electron dan muon adalah dalam anggaran g = 2.00. Bagi electron, hasil eksperimen mendapati nilai g bagi electron adalah g = 2.00232, jadi faktor g bagi elektron dikira sebagai dipersetujui antara teori dan eksperimen.

Masalahnya sekarang, bagi muon, nilai yang diperoleh Fermilab dapat adalah g = 2.00233183620, sedangkan nilai teori yang dikira adalah g = 2.00233184080. Perbezaan nilainya bermula pada angka ke 7 selepas titik perpuluhan (dalam skala 0.00000001).

Kita, sebagai orang biasa, pastinya merasa aneh. “Eh, takkan nilai sekecil itu boleh dikira satu nilai yang berbeza?”

Di sinilah beza ahli sains dan orang awam bermula. Untuk bidang seperti bidang fizik zarah, ketepatan pada setiap titik perpuluhan adalah perlu, kerana mereka bermain dengan ‘objek’ yang teramat kecil, yang lebih halus dari debu. Sebarang bentuk pemerhatian eksperimen dan data akan dianalisis dengan titik perpuluhan yang amat besar.

Eksperimen mereka bukan dibuat dengan cara masuk lab dan buat eksperimen, tidak.

Eksperimen mereka dibuat dengan perancangan yang teliti bertahun-tahun lamanya sebelum eksperimen itu mampu dibuat.

Particle physics and high energy physics are the center of high precision science.

Berbalik kepada eksperimen muon g-2 (dibaca muon g tolak dua) tadi, gambaran momen magnet yang digunapakai selalunya adalah seperti gasing yang terliuk. Gambaran yang ada di minda saya ketika ini adalah satu gasing yang sedang berputar. Disebabkan adanya geseran dengan udara, maka gasing tersebut akan berhenti.

Bagi muon pula, beberapa penambahan diperlukan.

Pertama, pergerakan muon itu akan dikawal dengan menggunakan medan magnet. Ini rasanya mudah difahami, sebab medan magnet muon akan berinteraksi dengan medan magnet luaran (external magnetic field). Selain itu, muon akan diletakkan di dalam vakum (supaya tiada gangguan dari benda lain). Meskipun muon diletakkan dalam ruang vakum, namun menurut Teori Medan Kuantum, ruang kosong (vakum) masih lagi mempunyai partikel khayalan (virtual particle). Partikel khayalan ini akan berinteraksi dengan muon, sama gambarannya dengan interaksi gasing dan udara tadi.

Pelik juga kalau difikirkan semula. Gasing berinteraksi dengan udara, akan memperlahankan gasing, dan muon, berinteraksi dengan partikel khayalan (yang wujud dari ruang kosong), akan mengubah momen magnetnya.

Jadi, apa yang akan berlaku sekarang?

Sekarang, saintis akan mula membina teori baru bagi menerangkan kenapa adanya perbezaan antara nilai teori dan eksperimen. Ramai yang berpandangan bahawa ini adalah indikasi bentuk “Fizik Baru diluar Model Piawai” (New Physics Beyond the Standard Model), namun ada juga kertas yang terbit pada hari yang sama yang mengatakan bahawa percanggahan ini masih lagi tertakluk di bawah Model Piawai.

Jadi, adakah Model Piawai masih kukuh atau perlukan pembaharuan?

Mungkin. Melihat kepada respons dari ahli fizik dalam bidang ini, kebanyakan dari mereka kelihatan teruja dengan perkembangan terbaharu ini. Mungkin mereka sendiri sudah muak dengan “keberjayaan” Model Piawai, dan bagaimana ia terlampau betul sehingga menghilangkan perasaan asal sains – perasaan ingin menerokai sesuatu yang baru.

RUJUKAN

[1] – First results from the Muon g-2 experiment at Fermilab. https://theory.fnal.gov/events/event/first-results-from-the-muon-g-2-experiment-at-fermilab/

[2] – ‘Last Hope’ Experiment Finds Evidence for Unknown Particles. https://www.quantamagazine.org/muon-g-2-experiment-at-fermilab-finds-hint-of-new-particles-20210407

[3] – Eksperimen g-2 Muon Menjadi Petanda Fizik Baharu. https://fizikkini.com/eksperimen-g-2-muon-menjadi-petanda-fizik-baharu

[4] – The Standard Model of particle physics: The absolutely amazing theory of almost everything. https://theconversation.com/the-standard-model-of-particle-physics-the-absolutely-amazing-theory-of-almost-everything-94700

Total
50
Shares
Leave a Reply

Your email address will not be published.

Related Posts