7 Pertanyaan Fisika Populer yang Masih Belum Terjawab

Fisika dasar: materi terdiri dari atom, yang terdiri dari proton, neutron, dan elektron. Proton dan neutron terdiri dari partikel yang lebih kecil, dikenal sebagai "quark". Tentu saja di bawah quark pasti masih ada lagi partikel penyusun yang lebih kecil. Hanya saja, manusia belum tahu.

Dengan Model Standar fisika partikel yang ditemukan pada 1975, manusia bisa mengerti interaksi antara partikel sub-atom. Selain itu, Model Standar juga telah digunakan untuk memprediksi keberadaan partikel yang sebelumnya tidak diketahui. Partikel terakhir yang ditemukan dengan cara ini adalah boson Higgs pada tahun 2012.

Tetapi, menurut fisikawan partikel di Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Illinois, dr. Don Lincoln, Model Standar tidak menjelaskan secara lengkap mengenai boson Higgs yang ternyata memiliki massa yang lebih besar, kuadriliun kali lebih berat dari kalkulasi sebelumnya!

Persoalannya tidak berakhir sampai situ. Atom juga dikenal netral secara elektrik karena muatan positif proton ditangkal oleh muatan negatif elektron. Nah, kok bisa? Lincoln berkata, "Tidak ada yang tahu."

Daya tarik atau gravitasi adalah topik fisika yang menarik dan kerap diperdebatkan. Karena gravitasi, kaki kita tetap di menapak Bumi.

Teori relativitas umum Einstein memberikan formulasi matematis untuk gravitasi, yang menggambarkannya sebagai efek kelengkungan ruang. Tetapi, gravitasi jauh kali lebih lemah daripada tiga gaya lain yang diketahui, yaitu elektromagnetisme dan dua jenis gaya nuklir yang beroperasi dari jarak yang sangat kecil.

Salah satu kemungkinan adalah selain ruang tiga dimensi yang kita perhatikan setiap hari, ada dimensi lain yang tersembunyi, tergulung sedemikian rupa sehingga tidak terdeteksi. Jika dimensi ekstra ini ada dan gravitasi merembes ke dalamnya, hal tersebut dapat menjelaskan mengapa gravitasi tampak begitu lemah.

Dokter Daniel O. Whiteson, fisikawan dari University of California mengatakan bahwa gravitasi bisa saja sekuat tiga daya lainnya kalau tidak merembes ke dimensi ekstra tersebut. Hingga saat ini, eksperimen terhadap dimensi ekstra masih dicoba di mesin Penumbuk Hadron Raksasa (LHC) di CERN, Swiss. Tetapi, hasilnya nihil!

Sejak Einstein, fisikawan menganggap ruang dan waktu sebagai fondasi struktur empat dimensi. Tetapi, konsep fundamental ruang berbeda dari konsep fundamental waktu.

Contoh, Di luar angkasa, kita bebas bergerak sesuai keinginan. Waktu tidak seperti itu. Kita terus bertambah tua, tidak bisa kembali lebih muda. Lalu, kita bisa mengingat masa lalu, tetapi tidak dengan melihat masa depan. Waktu, tidak seperti ruang, tampaknya memiliki satu arah saja.

Beberapa fisikawan menduga petunjuknya adalah hukum termodinamika kedua, bahwa entropi sistem fisik meningkat dari waktu ke waktu. Jadi, peningkatan entropi inilah yang menyebabkan waktu hanya bergerak maju. Misalnya, cangkir teh yang pecah memiliki lebih banyak entropi daripada yang utuh.

Entropi mungkin meningkat sekarang karena sebelumnya lebih rendah, tetapi mengapa awalnya rendah? Apakah entropi alam semesta sangat rendah 14 miliar tahun yang lalu, ketika Ledakan Dahsyat atau Big Bang terjadi?

Untuk beberapa fisikawan, itulah bagian informasi yang hilang. Jika saja penjelasan mengenai entropi yang rendah sudah ada, maka konsep waktu akan lebih mudah dijelaskan. Di satu sisi, penjelasan mengenai entropi belum cukup untuk menjelaskan perbedaan fundamental dari konsep ruang dan waktu.

Kalau kamu penggemar Star Trek, kamu pun ngeh kalau wahana antariksa U.S.S Enterprise menggunakan reaksi antimateri dengan materi biasa sebagai bahan bakar untuk menghidupkan mesin warp yang lebih cepat dari cahaya. Nah, meskipun warp adalah hal fiktif, nyatanya antimateri adalah fakta.

Ada kemungkinan setiap partikel materi biasa memiliki partikel identik dengan muatan listrik yang berlawanan. Contoh, partikel antiproton sama seperti proton tetapi bermuatan negatif. Sedangkan, partikel elektron yang bermuatan negatif memiliki antipartikel positron yang bermuatan positif.

Fisikawan telah menciptakan antimateri di laboratorium, dan hasilnya, materi biasa dalam jumlah yang sama. Penemuan tersebut dianggap membuktikan bahwa Big Bang menciptakan materi biasa dan antimateri dalam jumlah yang sama. Kalau begitu, harusnya antimateri ada di sekitar kita, dong?

Namun, hampir semua yang kita lihat di sekitar kita - dari tanah di bawah kaki kita hingga galaksi yang paling jauh - terbuat dari materi biasa. Ke mana antimateri itu pergi?

Dugaan populer adalah karena Big Bang entah bagaimana menghasilkan materi biasa sedikit lebih banyak daripada antimateri. Jadi, misalkan setelah Big Bang ada 10 miliar antimateri, maka terciptalah materi biasa sebanyak 10 miliar satu. Satu partikel biasa itulah yang membentuk semua. 

Tetapi mengapa materi biasa bisa sedikit mengalahkan jumlah antimateri pada awalnya? Itulah keanehannya. Seandainya, jumlah awal materi dan antimateri sama, mereka akan memusnahkan satu sama lain dalam ledakan energi yang dahsyat. Akibatnya, alam semesta tak akan pernah terbentuk!

Tidak perlu khawatir! Pertanyaan itu akan segera terjawab saat Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), kolaborasi Fermilab dan Sanford Underground Research Facility atau Sanford Lab, mulai beroperasi pada 2026. DUNE menganalisis sinar yang ditembakkan oleh Fermilab ke Sanford Lab sejauh 1.300 kilometer!

Nah, sinar tersebut akan mencakup partikel neutrino (partikel tanpa massa atau muatan listrik) dan antineutrino. Tujuannya adalah untuk memantau apakah neutrino dan antineutrino memiliki perilaku yang sama, sehingga berpotensi memberikan petunjuk tentang asimetri antara materi dan antimateri.

Kita paham betul konsep benda padat dan cair. Tetapi, bagaimana jika beberapa bahan bertindak seperti zat cair dan padat? Contohnya adalah pasir. Butiran pasir memang padat, tetapi sejuta butir dapat mengalir melalui seperti air di satu medium kosong.

Pemahaman yang lebih baik tentang keadaan materi di ambang status padat-cair ini dapat menghasilkan aplikasi praktis yang penting. Dokter Kerstin Nordstrom, fisikawan dari Mount Holyoke College di Massachusetts menjabarkan persoalan tersebut,

"Dalam kondisi apa satu sistem bisa tersumbat? Dan, apakah ada parameter penting untuk menghindarinya?"

Dunia fisika memiliki dua mazhab teori untuk menjelaskan hampir setiap fenomena fisik:

• Teori Relativitas Umum Einstein: Untuk menjelaskan pergerakan segala sesuatu.
• Mekanika Kuantum: Untuk menjelaskan sifat alam atom dan partikel sub-atom.

Seperti yang kamu lihat, kedua teori tersebut amat bertolak belakang! Mekanika kuantum mengungkap latar belakang ruang dan waktu yang tetap, sementara pada teori relativitas umum, ruang dan waktu bersifat fleksibel. Kalau digabungkan, bagaimana jadinya konsep teori kuantum lengkungan ruang dan waktu? Duar! Tidak ada yang tahu.

Tetapi, masih terus dicoba. Dalam beberapa dekade, teori dawai/string theory menggambarkan materi terdiri dari dawai kecil yang bergetar atau putaran energi. Teori tersebut menjadi tebakan terbaik manusia untuk perpaduan teori mekanika kuantum dan relativitas. Di sisi lain, para fisikawan lebih memilih konsep putaran gravitasi kuantum, bahwa ruang terdiri dari banyak putaran energi.

Toh, setiap pendekatan memiliki hasil sendiri. Teori dawai berguna untuk menangani masalah fisika tertentu. Tetapi, baik teori dawai atau putaran gravitasi kuantum belum teruji dalam eksperimen. Jadi, teori terpadu untuk menjelaskan segala hal berbau fisika masih jauh, kelihatannya.

Selama setengah miliar tahun pertama, Bumi tidak bernyawa. Kemudian kehidupan berlangsung, dan sejak saat itu terus berkembang.

Tetapi bagaimana kehidupan muncul? Sebelum evolusi biologis dimulai, para ilmuwan percaya ada evolusi kimiawi, bahwa molekul anorganik sederhana bereaksi membentuk molekul organik kompleks, kemungkinan besar, di laut. Tapi apa yang memulai proses ini?

Fisikawan dari Massachusetts Institute of Technology (MIT), dr. Jeremy England, mengajukan teori yang mengenai asal mula kehidupan dalam prinsip-prinsip dasar fisika. Dalam pandangan ini, kehidupan adalah hasil dari meningkatnya entropi. Jika benar, maka kemunculan kehidupan seharusnya bukanlah hal yang mengejutkan.

Apa yang membuat awal kehidupan begitu sulit untuk dipelajari dalam ranah fisika? Menurut para fisikawan, apa pun yang hidup "jauh dari status ekuilibrium". Dalam sistem dalam ekuilibrium atau kesetimbangan, satu komponen seharusnya hampir sama dengan komponen lainnya, tanpa aliran energi masuk atau keluar.

Objek hidup justru sebaliknya. Misalnya, tumbuhan menyerap sinar matahari dan menggunakan energinya untuk berfotosintesis, menghasilkan molekul gula kompleks dan oksigen, sambil memancarkan kalor kembali ke lingkungan. Beda kan dengan bebatuan yang hanya diam?

Oleh karena itulah, memahami sistem kehidupan yang rumit dan tidak memiliki status ekuilibrium "adalah masalah besar yang belum terpecahkan dalam bidang fisika" sampai sekarang.

Itulah 7 masalah yang hingga saat ini belum terjawab di bidang Fisika. Malah, ada kemungkinan beberapa persoalan akan tetap jadi misteri selamanya! Menurutmu, apakah seluruh pertanyaan ini dapat dijawab? Atau, beberapa adalah rahasia alam dan Ilahi yang membuat manusia sadar akan kodratnya, sehingga tidak mampu menjawab?