"... dalam batu ini kamu harus mengerti
dengan hati-hati bahwa ada dua titik yang salah satunya dipanggil kutub utara,
yang lainnya kutub selatan." - Petrus Peregrinus (1269 AD).
KETIDAKSEMPURNAAN simetri antara medan listrik
dan medan magnet adalah suatu kejanggalan alam yang masih menjadi misteri
sampai saat ini. Listrik dan magnet sebenarnya adalah sama. Jika sebuah kawat
dialiri listrik, di sekeliling kawat itu akan tercipta medan magnet. Jika
magnet bergerak di dekat sebuah kumparan kawat tertutup, akan tercipta aliran
listrik pada kumparan kawat tersebut.
Medan listrik permanen ada karena adanya
partikel yang bermuatan listrik, seperti elektron atau proton. Namun, 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. Kutub magnet yang terpisah inilah yang disebut
monopole (mono=tunggal, pole=kutub) magnet.
Adalah Paul Dirac, seorang fisikawan kelahiran
Bristol, Inggris, pada tahun 1902, yang pertama kali mengajukan konsep tentang
adanya kutub tunggal magnet-sebuah partikel hipotesis yang memiliki kutub
magnet terisolasi utara atau selatan-di tahun 1931.
Dirac yang memenangkan hadiah Nobel fisika
pada tahun 1933 ini mengajukan hipotesis bahwa keberadaan partikel magnet ini
akan menjelaskan mengapa muatan listrik selalu memiliki besar yang merupakan
kelipatan muatan partikel elektron. Pada tahun 1931 inilah pencarian partikel
elementer magnet dimulai.
Di dalam fisika klasik, fenomena medan listrik
dan magnet berhasil dipadukan oleh fisikawan berkebangsaan Skotlandia yang
bernama Max-Well. Ia memadukan kedua medan listrik dan magnet ke dalam empat
persamaan terkenal yang disebut persamaan Max-Well.
Dua dari empat persamaan Max-Well 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.
Keanehan persamaan Max-Well adalah keempatnya
melibatkan muatan dan aliran listrik, tetapi tidak melibatkan muatan dan aliran
magnet. Kenyataan ini disebut ketidaksimetrisan persamaan Max-Well. Untuk
membuat persamaan Max-Well simetris inilah, Dirac mengajukan hipotesis tentang
keberadaan monopole magnet.
Kesimetrisan antara medan listrik dan magnet
dikenal sebagai prinsip dualitas elektromagnetik. Jika prediksi Dirac benar,
monopole magnet ini akan memiliki muatan magnet yang berbanding terbalik dengan
muatan elektron, sebuah kondisi yang dikenal sebagai Kuantisasi Dirac.
Walaupun terlihat meyakinkan dan elegan secara
teori, namun monopole magnet ini sangat sulit ditemukan. Pencarian yang
melibatkan fisikawan dan fasilitas eksperimen di seluruh dunia ini belum juga
membuahkan hasil seperti yang diprediksi.
Pencarian "monopole" magnet dengan
teori partikel
Pencarian monopole Dirac dilakukan melalui
fasilitas pemercepat partikel seperti fasilitas pemercepat partikel Fermi di
Chicago. Pengamatan langsung dilakukan dengan cara menyelimuti daerah interaksi
tumbukan proton dan antiproton dengan lembaran plastik. Secara tidak langsung,
pengamatan juga dilakukan dengan membuang berkas proton ke dalam bahan
ferromagnetik, yang kemudian diletakkan di dalam medan magnet yang sangat besar
untuk "menarik" monopole keluar dari daerah interaksi tersebut.
Pencarian ini juga dilakukan dengan
menggunakan sinar kosmis. Usaha ini dimotivasi oleh prediksi teori penggabungan
agung atau GUT. Pada tahun 1974, secara terpisah, Gerald ? Hooft dari Belanda
dan Alexander Polyakov dari Rusia menyatakan bahwa monopole magnet diperlukan
sebagai penyelesaian persamaan matematika bagi GUT ini. GUT adalah teori fisika
sedang diusahakan untuk menggabungkan antara gaya elektromagnetik, inti lemah,
dan inti kuat.
Sayangnya, monopole magnet diprediksikan oleh
GUT memiliki massa yang sangat berat. Dalam satuan energi, massa ini berskala
1016 giga elektronvolt, suatu skala energi yang tidak mungkin dicapai oleh
laboratorium pemercepat partikel mana pun di dunia ini. GUT juga memprediksikan
bahwa kepadatan monopole magnet ini 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".
Dalam teori kosmologi, medan magnet dalam
solar sistem dan dalam galaksi kita akan mempercepat monopole magnet dari luar
angkasa untuk tiba di bumi dengan kecepatan yang berkisar dari 0,0001 sampai
0,01 kali kecepatan cahaya. Menurut fisikawan partikel, kecepatan ini termasuk
rendah.
Oleh karena itu, hal termudah untuk mendeteksi
sesuatu yang berkecepatan rendah adalah dengan membangun detektor yang cukup
besar dan mengamati adakah sesuatu yang melintasi detektor ini dengan waktu
yang cukup lama. Salah satu fasilitas semacam ini bernama MACRO. Detektor ini
memiliki daerah penerimaan seluas sepuluh ribu meter persegi pada kedalaman
rata-rata 3,8 km di bawah daerah Pegunungan Gran Sasso, Italia.
Mencari "monopole" di ruang momentum
Karena kegagalan eksperimen untuk menemukan
monopole magnet selama ini, seorang fisikawan Jepang yang bernama Yoshinori
Tokura mengalihkan pencarian tersebut ke tempat yang tidak mendapatkan
perhatian fisikawan selama ini. Tempat ini disebut ruang momentum.
Ruang momentum bukanlah ruang yang riil,
melainkan ruang matematika. Setiap obyek akan menempati ruang dan memiliki
kecepatan-jika sebuah obyek berhenti, itu berarti obyek tersebut memiliki
kecepatan nol. Besaran yang berasal dari perkalian antara massa dan kecepatan
obyek tadi disebut besaran momentum. Jika kita berlari dengan kecepatan
tertentu, semakin cepat kita berlari, semakin sulit pula kita berhenti. Hal
yang membuat kita sulit berhenti inilah yang disebut sebagai kuantitas gerak
atau momentum.
Kecepatan dan posisi atau koordinat partikel
bisa dijadikan label untuk menentukan perilaku partikel tadi. Ruang dengan
label lokasi adalah ruang riil, sedangkan ruang dengan label momentum adalah
ruang matematika. Banyak fenomena fisika lebih mudah dipelajari jika fenomena
tersebut ditempatkan di dalam ruang momentum ini.
Tokura dan rekan-rekan kerjanya termotivasi
oleh teori dalam fisika zat padat yang dikembangkan akhir-akhir ini. Teori ini
menyarankan bahwa perilaku monopole magnet dalam ruang momentum berhubungan
dekat dengan apa yang dikenal sebagai anomali pada efek Hall.
Tokura dan rekan-rekannya melakukan eksperimen
dengan menempatkan kristal dengan kualitas yang tinggi yang terbuat dari
stronsium, ruthenium, dan oksigen dalam medan magnet pada sumbu koordinat z,
dan kemudian mengukur resistivitas transverse pada arah sumbu y sebagaimana
aliran listrik mengalir pada arah sumbu x. Mereka menemukan bahwa resistivitas
ini tidak berubah secara linier terhadap suhu sebagaimana diharapkan, tetapi
berubah-ubah dan bahkan berubah tanda-negatif atau positif.
Tim ini juga mengukur konduktivitas optis
transverse film tipis yang terbuat dari kristal yang sama dengan menggunakan
teknik yang dikenal sebagai mikroskopi Kerr resolusi tinggi. Dalam pengukuran
tadi, mereka menemukan kurva dengan puncak tajam pada energi yang rendah.
Menurut Tokura dan timnya, kurva dengan puncak tajam tadi hanya bisa dijelaskan
dengan keberadaan monopole magnet pada struktur pita kristal.
Tim dari tiga negara-Jepang, China, dan
Swiss-ini percaya bahwa efek anomali itu adalah semacam "sidik jari"
keberadaan monopole magnet. Mereka merencanakan untuk mempelajari yang
menunjukkan bahkan efek anomali yang lebih besar lagi. Salah satu anggota tim,
Kei Takahashi, yang berasal dari Universitas Genewa, mengatakan,
"Elektromagnetik adalah titik awal semua area dalam fisika. Dari titik
pandang ini, kami telah membuktikan bahwa kami bisa melakukan investigasi
hampir semua cabang fisika, termasuk fisika partikel dan kosmologi, dalam
eksperimen fisika zat padat."
Jika memang benar bahwa monopole magnet telah
ditemukan dalam materi tertentu, penemuan ini akan memberikan dampak yang
sangat besar kepada ilmu fisika. Sebab, banyak teori yang perlu direvisi akibat
adanya muatan dan aliran listrik yang harus diperhitungkan dalam teori
tertentu.
Dampak yang besar akan terjadi pada bidang
elektronika karena para insinyur elektronik bisa menciptakan aliran listrik
dengan menggunakan aliran magnet. Pembawa muatan tidak lagi harus muatan
listrik, tetapi dengan muatan magnet.
Sumber : Kompas (21 April 2004)
Diakses http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&1347081886
0 komentar:
Posting Komentar