Rabu, 14 November 2012

Monopol Magnet, Akankah Tetap Menjadi Sebuah Misteri?

 
Selain KELISTRIKAN, memasuki abad 19, para ilmuan eropa tertuju pada  fenomena KEMAGNETAN, yang sebenarnya bukan “barang baru” yang disadari dalam sejarah peradaban manusia. Terbukti bahwa sejak zaman Yunani purba, Thales dari Miletos juga Plato telah menulis hal ihwal prilaku kemagnetan di alam ini.  Dan memang, nama magnet berasal dari mereka, yang dipungut dari nama kota Magnesia di daratan Turki sekarang.

Pada awal perkembangannya, kelistrikan dan kemagnetan berkembang sendiri-sendiri. Seakan satu dan yang lainnya tidak berhubungan sama sekali. Hingga akhirnya, terobosan terjadi di sekitar tahun 1820 oleh fisikawan Denmark, Hans C. Oerstedt (1777-1851). Di universitas Kopenhagen, saat musim dingin 1820 dalam kuliahnya ia berhasil menunjukkan bahwa arus listrik memengaruhi jarum magnet seperti yang dilakukan oleh batang magnet. Temuannya ini segera menyentakkan kesadaran para ilmuan pada keterkaitan dua gejala alam itu.


Tahun-tahun berikutnya adalah tahun-tahun dimana para ilmuan berjibaku menyusuri lorong-lorong rahasia keterkaitan antara dua gejala alam itu. Fisikawan seperti Ampere, Faraday, Gauss juga Henry saling menyerahkan tongkat estafet dalam membuktikan keterhubungan keduanya dengan hukum-hukum yang mereka formulasikan. Dan pada akhirnya, kesemua temuan itu berhasil dipadukan oleh fisikawan sekaligus matematikawan asal Skotlandia, James Clark Maxwell. Dengan pena-nya lah ia merumuskan empat persamaan indah yang menggambarkan pemanunggalan listrik dan magnet.
 
Dua dari empat persamaan Maxwell ini berisi Hukum Faraday dan
Ampere. Hukum Faraday menyatakan terciptanya medan listrik dari
perubahan fluks magnet, sedangkan Hukum Ampere menjelaskan
terciptanya medan magnet dari adanya aliran listrik.


Dua persamaan lainnya berisi Hukum Gauss untuk medan listrik dan
medan magnet. Hukum Gauss untuk medan listrik merujuk kepada adanya
muatan listrik tunggal, seperti elektron dan proton. Sementara itu,
Hukum Gauss untuk medan listrik merujuk kepada tidak adanya muatan
tunggal magnet (monopol magnet).


Namun, terlepas dari segala kesuksesannya menyibak tabir rahasia keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan, persamaan Maxwell ini menyisakan keanehan.  Ada yang nampak tidak simetri. Dalam persamaannya, Maxwell melibatkan muatan dan aliran listrik tetapi tidak melibatkan muatan dan aliran magnet. Berbeda dengan medan listrik permanen yang ada karena adanya partikel bermuatan listrik seperti elektron dan proton, medan magnet permanen selalu ada jika kutub utara dan selatan ada secara bersama-sama. Tidak peduli seberapa kecil kita memenggal batang magnet, yang kita dapatkan pada penggalan magnet yang lebih kecil adalah selalu pasangan dua kutub magnet, utara dan selatan. Kita tidak pernah menemukan satu kutub magnet terpisah, utara atau selatan.

Kenyataan ini disebut ketidaksimetrisan persamaan Maxwell. Untuk
membuat persamaan Maxwell simetris, seorang fisikawan asal Inggris, P.A.M Dirac mengajukan hipotesis tentang keberadaan monopol magnet. Fisikawan kelahiran tahun 1902 ini mempublikasikan hasil hipotesisnya dalam paper klasik pada tahun 1931. Paper yang ia beri judul Quantized singularities in the electromagnetic field itu ia publikasikan di Proc. Royal Soc London.


Dalam paper setebal 13 halaman itu, Dirac mencoba menganalisis kemungkinan eksisnya magnetic monopoles dalam kerangka Abelian Gauge theory (Maxwell electrodynamics). Di akhir papernya, ia menjelaskan bahwa keberadaan monopol magnet ini dapat mengarahkan kita kepada pemahaman kenapa muatan listrik terkuantisasi.


Seperti yang kita pahami di elektrodinamika klasik, mempostulatkan eksistensi monopole magnet secara naïf jelas membawa implikasi akan tidak konsistennya persamaan Maxwell. Namun, rupanya Dirac dapat menghindari ketidak-konsitenan ini. Ia mengusulkan suatu konsep yang dalam papernya ia sebut sebagai nodal singularities. Yakni suatu sumbu singularities yang ditarik dari titik pusat monopol menuju tak hingga. Implikasi fisisnya, potensial magnetik tak dapat didefinisikan untuk seluruh ruang, melainkan ada daerah dimana terjadi tumpang tindih (over lap) antara dua fungsi potensial magnetic  yang berbeda.

Pemikiran lain datang pada tahun 1974, saat dua fisikawan di dua tempat berbeda mengajukan pandangan yang berbeda dari apa yang diformulasikan Dirac. Adalah Gerardus t’Hoof [baca: Het Hoof] dari Utrecht-Belanda dan A. Polyakov dari Landau Institute-Rusia mempostulatkan bahwa magnetic monopoles eksis secara alamiah dalam kerangka non-abelian gauge theory dimana grup transformasi gauge-nya bersifat kompak (seperti dalam teori usang Georgi-Glashow SO (3) untuk elektroweak), kontras dengan eksistensi magnetic monopole dalam abelian gauge theory yangg menuntut keberadan sumbu singularitas. Dalam teori gauge non-abelian, magnetic monopoles muncul sebagai topological soliton (solusi regular persamaan gerak non-linear yg memiliki densitas energi yg berhingga), dan muatan magnetiknya dijelaskan oleh “muatan topologi”, kekal karena syarat batas (topologis) dan independen dari persamaan geraknya; kontras dgn  muatan listrik yg merupakan “muatan Noether” yg kekekalannya dijamin oleh persamaan geraknya.

Walaupun terlihat sangat meyakinkan dan elegan secara teori, namun keberadaan monopol magnet masih sulit ditemukan. Banyak fisikawan yang terlibat dalam pemburuan magnetic monopole ini. Namun, sejauh ini, belum menunjukkan hasil sebagaimana yang diprediksikan.

Sebagai penutup, saya akan coba uraikan kenapa eksistensi magnetic monopole sampai saat ini belum terdeteksi. Pertama, merujuk dari paper t’Hoof yang menyatakan bahwa massa monopole berbanding terbalik dgn konstanta kopling (fine structure constant). Secara kuantitatif, massa monopole = 137*Mw, dimana Mw adalah massa boson vektor atau dalam skala energi, setara dengan 1016 GeV. suatu skala energi yang tidak mungkin dicapai oleh laboratorium pemercepat partikel mana pun di dunia ini. Dari sini terlihat bahwa monopole, kalaupun eksis, sangatlah masif (heavy)! Tidaklah heran kalau sampai sekarang ia belum ditemukan.

Kedua, menurut teori GUT (Grand Unified Theory)—yang sekarang masih dikonstrusi, kepadatan monopole magnet diprediksi sama besarnya dengan kepadatan atom di alam semesta. Kenyataan pengamatan lapangan menunjukkan sebaliknya bahwa tidak satu pun monopole magnet ditemukan. Dalam kosmologi, kontradiksi ini dikenal sebagai “masalah monopole”
Jika grand unified theory suatu saat nanti sudah established, dan berbasis pada grup gauge yg kompak, maka GUT monopoles haruslah eksis, dimana massanya amatlah masif: 137 kali massa superheavy vektor boson!
Apakah monopol magnet itu benar-benar ada, ataukah akan tetap menjadi satu dari sejumlah (besar) misteri di alam raya ini? Sejarah massa depan-lah yang akan mencatatnya.

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar