Bagian sebelumnya kita telah menyajikan artikel tentang model standar dari fisika partikel dimana membahas tentang partikel-partikel fundamental di alam, termasuk menyinggung sedikit tentang empat interaksi mendasar yang mempengaruhi semua materi. Pada bagian ini empat interaksi, atau gaya fundamental, akan dijelaskan lebih lanjut. Bagian pertama ini kita kaji lebih jauh mengenai gaya gravitasi dan gaya elektromagnetik.
Gravity
Gravity atau lebih akrab kita kenal dengan gravitasi adalah gaya yang paling lemah di antara ke-4 gaya fundamental yang ada, namun memiliki jangkauan yang paling luas. Daerah kerjanya pun mencakup semua bentuk massa dan energi. Sehingga gravitasi dapat bekerja pada semua partikel subatom, termasuk gauge boson (partikel kurir bagi semua gaya). Abad ke-17 ilmuwan dari inggris sir Isaac Newton menjadi orang pertama yang mengembangkan penjelasan kuantitatif tentang gaya gravitasi, buah pikiran darinya bahwa gaya yang mengikat bulan pada orbitnya di sekitar bumi adalah gaya yang sama dengan yang membuat apel dan benda lainnya jatuh ke tanah. Ia mengusulkan hukum gravitasi universal.
Menurut hukum Newton, semua benda saling tarik menarik satu sama lain oleh gaya yang bekerja langsung pada massa masing-masing benda dan berbanding terbalik pada kuadrat jarak di antara keduanya. Untuk sepasang massa, m1 dan m2, dan jarak pemisah keduanya adalah r, besarnya gaya F diberikan oleh
F = Gm1m2/r2.
G disebut konstanta gravitasi yang sama dengan 6.67 × 10−11 newton-metre2-kilogram -2.
Konstanta G merupakan ukuran nilai/kekuatan dari gaya gravitasi, dengan angka orde 10-11 menunjukkan bahwa gaya gravitasi lemah. Sebenarnya, pada skala atom efek dari gravitasi dapat diabaikan dibangkan dengan gaya-gaya lainnya yang bekerja. Tetapi, meskipun gaya ini lemah, efek yang ditimbulkan bisa sangat lama.
Hukum Newton menunjukkan bahwa gaya gravitasi antara dua benda yang jauh bisa diabaikan tetapi jarak ini juga tergantung pada massa yang terlibat. Dengan demikian, efek gravitasi dari benda-benda besar dapat dipertimbangkan, bahkan pada jarak yang jauh di luar jangkauan gaya lainnya. Gaya gravitasi Bumi contohnya, membuat Bulan berada di orbitnya walaupun berpisah sejauh 384.400 km (238.900 mil).
Teori gravitasi Newton terbukti cocok untuk banyak aplikasi. Namun, pada tahun 1915, fisikawan kelahiran Jerman Albert Einstein mengembangkan teori relativitas umum, yang menggabungkan konsep simetri gauge dan menghasilkan polesan terhadap gravitasi Newton. Meskipun penting, relativitas umum Einstein tetap menjadi teori klasik dalam artian tidak dimasukkannya ide-ide tentang mekanika kuantum. Dalam teori gravitasi quantum, gaya gravitasi harus dibawa oleh partikel pembawa atau partikel kurir yang cocok, atau gauge boson. Belum ada teori gravitasi kuantum yang dapat dikerjakan yang dikembangkan, tetapi relativitas umum menentukan beberapa sifat partikel gravitasi "gaya" yang dihipotesiskan, yang disebut graviton. Secara khusus, graviton harus memiliki bilangan kuantum spin 2 dan tanpa massa, hanya energi.
Gaya gravitasi adalah gaya yang timbul dari adanya massa, dan dirasakan oleh objek yang juga punya massa. Gaya inilah yang menyebabkan Bulan mengorbit Bumi, Bumi mengorbit Matahari, dan bintang-bintang terikat dalam satu sistem yang dinamakan galaksi. Gaya grativasi juga lah yang menyebabkan kenapa kita jatuh ke bawah dan kenapa tidak terlempar dari permukaan Bumi. Kekuatan gaya ini sangat lemah dan hanya bisa diukur apabila melibatkan massa yang jauh lebih besar daripada massa atom. Namun apabila dibandingkan dengan tiga gaya lainnya, gravitasi adalah gaya jarak jauh yang dapat bekerja hingga jarak yang jauh sekali. Inilah gaya yang mengikat alam semesta dan menyebabkan galaksi tidak cerai-berai.
Electromagnetism
Abad ke-18 memulai perkembangan pemahaman tentang gaya elektromagnetik. Ketika fisikawan Perancis, Charles Coulomb menunjukkan bahwa gaya elektrostatik antara benda bermuatan listrik mengikuti hukum yang mirip dengan hokum gravitasi newton. Sama halnya gravitasi, Hukum Coulomb, gaya F bekerja antara muatan q1 dan q2 sebanding dengan hasil kali antara keduanya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak r di antara muatan, atau secara matematis F = kq1q2 / r2. Dengan k adalah konstanta yang sama dengan 1 / 4πε0 (ε0 adalah permitivitas ruang bebas).
Gaya elektrostatik dapat menarik ataupun menolak, disebabkan karena sumber gaya dan muatan listrik, berada dalam bentuk yang berlawanan: positif dan negatif. Gaya antara muatan yang berlawanan saling menarik, sedangkan dengan jenis muatan yang sama mengalami gaya tolakan. Coulomb juga menunjukkan bahwa gaya dapat menarik (kutub yang berlawanan) atau menolak (kutub yang sama). Magnet dan listrik bukanlah sebuah fenomena yang terpisahkan. Keduanya adalah bentuk yang saling terkait dari gaya elektromagnetik.
Pada awal ke-19 sebuah eksperimen oleh, Hans Ørsted (di Denmark), André-Marie Ampère (di Perancis), dan Michael Faraday (di Inggris) mengungkapkan hubungan mendasar antara listrik dan magnet serta bagaimana keduanya saling memunculkan. Tahun 1850 hasil percobaan mereka dicampur oleh fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell dalam teori elektromagnetiknya. Teori Maxwell meramalkan adanya gelombang elektromagnetik, bergerak dengan kecepatan cahaya.
Pergantian abad ke-20, Max Planck di Jerman menjelaskan spektrum radiasi dari radiasi benda hitam, yang menghasilkan konsep kuantisasi dan foton. Dalam pandangan kuantum, radiasi elektromagnetik memiliki sifat ganda, sebagai gelombang dan sebagai partikel yang disebut foton. Sifat kuantum radiasi elektromagnetik diringkas dalam elektrodinamika kuantum, teori medan kuantum dari gaya elektromagnetik. Baik teori klasik Maxwell dan versi terkuantisasi mengandung simetri gauge, yang sekarang tampaknya menjadi sifat dasar dari gaya fundamental.
Gaya elektromagnetik jauh lebih kuat daripada gaya gravitasi. Jika besarnya gaya elektromagnetik antara dua proton dalam nukleus nilainya sama dengan satu, kekuatan gaya gravitasi hanya 10−36. Pada tingkat atomik, gaya elektromagnetik hampir sepenuhnya teratur. Sedangkan gravitasi lebih mendominasi dalam skala besar hanya dikarenakan materi secara keseluruhan netral dalam artian tidak bermuatan listrik.
Gauge boson atau partikel kurir pada gaya elektromagnetisme adalah foton, yang memiliki massa = 0 dan jumlah spin kuantum 1. Foton “dipertukarkan” setiap kali partikel subatom yang bermuatan listrik saling berinteraksi. Hal yang unik dari foton adalah foton tidak memiliki muatan listrik, sehingga tidak mengalami gaya elektromagnetik, dengan kata lain, foton tidak dapat berinteraksi secara langsung antara satu foton dengan foton yang lainnya. Foton pada dasarnya membawa energi dan momentum, dan ketika mentransmisikan energi dan momentumnya di antara partikel, foton akan menghasilkan efek yang dikenal sebagai elektromagnetisme.
Dalam proses tersebut, energi dan momentum totalnya tetap sama, sesuai dengan hukum dasar fisika (hokum kekekalan energi dan momentum), tetapi pada saat satu partikel memancarkan foton kemudian partikel lain menyerapnya, energi tidak lagi konservasi. Mekanika kuantum memungkinkan ketidakseimbangan ini, asalkan foton memenuhi persyaratan prinsip ketidakpastian Heisenberg. Prinsip ini, yang dijelaskan pada tahun 1927 oleh ilmuwan Jerman Werner Heisenberg, menyatakan bahwa mustahil, bahkan secara prinsip, untuk mengetahui semua perincian tentang sistem kuantum tertentu. Misalnya, jika posisi dapat diidentifikasi dari sebuah elektron, maka tidak mungkin untuk memastikan momentum elektron. Ketidakpastian ini juga memungkinkan perbedaan energi, ΔE, untuk selang waktu, Δt, asalkan produk ΔE dan Δt sangat kecil atau sama dengan nilai konstanta Planck dibagi 2π, atau 1,05 × 10−34 joule detik.
Energi dari foton yang dipertukarkan dalam batas-batas prinsip ketidakpastian (semakin banyak energi yang dipertukarkan, semakin pendek waktu pertukarannya). Foton yang dipertukarkan ini disebut foton "virtual", berbeda dengan foton nyata yang merupakan radiasi elektromagnetik dan pada prinsipnya dapat ada selamanya. Konsep partikel virtual dalam proses yang memenuhi kondisi prinsip ketidakpastian berlaku untuk pertukaran gauge boson pada gaya lain juga.
Gaya elektromagnetik adalah gaya yang bertanggungjawab terhadap adanya listrik dan praktis terhadap adanya teknologi modern yang kita gunakan. Gaya elektromagnetik menjaga elektron tetap mengorbit inti atom, menjaga atom-atom dalam molekul saling terikat, dan ia juga bertanggungjawab terhadap fenomena kemagnetan dan juga menjelaskan kenapa ada sinar matahari, sinar-x, sinar gamma, gelombang radio, ataupun sinar ultraviolet. Hampir semua fenomena dalam kehidupan sehari-hari kita dapat dijelaskan oleh interaksi elektromagnetik di antara partikel. Gaya ini hanya bekerja apabila ada muatan listrik, oleh karena itu lepton yang tidak bermuatan seperti neutrino tidak dipengaruhi oleh adanya medan listrik.
"Setelah membaca artikel di atas, semoga kita tersadar, terus belajar dan menuntut ilmu. Sebab pada dasarnya kita masih banyak kekurangan, seperti yang orang katakan, semakin kita belajar, semakin banyak yang kita tidak tahu."
Sumber Pustaka
"semoga artikel ini bermanfaat dan menambah wawasan kita semua. sampai jumpa di artikel-artikel berikutnya"