Penemuan Partikel Eksotik Pentaquark

Partikel baru yang terdiri dari lima buah quark (tepatnya empat quark dan satu anti-quark) berhasil ditemukan setelah eksistensinya berhasil dikonfirmasi oleh lima eksperimen terpisah di seluruh dunia. Adalah kelompok fisikawan yang bekerja di laboratorium SPRING-8 di Osaka, Jepang, yang pertama kali mengamati partikel bermassa 1,54 giga elektronvolt (sekitar satu setengah kali massa proton) ini. Hasil penemuan mereka dipublikasikan di Physical Review Letters, salah satu jurnal fisika ternama di Amerika, bulan lalu. Tidak begitu lama, eksperimen tersebut berhasil dikonfirmasi oleh kolaborasi penelitian DIANA di Rusia serta kolaborasi CLAS di Jefferson Lab, Virginia, USA. Terakhir, kolaborasi penelitian HERMES di laboratorium DESY di Hamburg, Jerman, dan kolaborasi SAPHIR di Bonn, Jerman, juga melaporkan hal yang sama. Bulan lalu BBC online serta harian USA Today juga memuat berita mengejutkan ini.


Saking barunya, nama partikel yang bermuatan sama dengan positron ini pun masih belum disepakati. Sebagian fisikawan masih menyebutnya sebagai partikel Z⁺, sementara akhir-akhir ini kebanyakan menyatakannya sebagai Theta+ atau partikel eksotik pentaquark (lima quark). Meski tidak dilarang oleh Model Standar yang secara resmi dianut oleh semua fisikawan, keberadaan partikel pentaquark selama ini sulit dideteksi. Namun, kemajuan pesat di dunia akselerator serta semakin canggihnya detektor partikel saat kini mengakhiri perburuan partikel yang telah diramalkan sejak sekitar 30 tahun lalu. Penemuan ini tentu saja memiliki konsekuensi serius pada pandangan umat manusia terhadap alam semesta, karena selama ini quark yang merupakan bahan dasar penyusun jagad raya diketahui hanya dapat membentuk partikel sub-atomik dalam kombinasi  dua atau tiga quark saja.

Apakah Quark Itu?

Semula quark diramalkan oleh Murray Gell-mann dan George Zweig sebagai partikel fundamental pada tahun 1964. Nama quark dipilih oleh Gell-Mann. Nama ini muncul dalam novel karya James Joyce berjudul Finnegan's Wake pada satu kalimat : "three quarks for Muster Mark".  Ide ini sangat revolusioner karena memperkenalkan sub-partikel  baru yang bermuatan +2/3 dan -1/3 muatan proton. Namun pada mulanya ia hanya dianggap sebagai partikel fiksi matematik karena quark tidak pernah berada dalam keadaan bebas. Quark hanya dapat hidup di dalam partikel-partikel subatomik seperti proton, netron, atau pion. Gaya kuat yang mengikat quark di dalam partikel tersebut akan bertambah besar jika kita ingin mengeluarkannya. Meski demikian, hasil-hasil eksperimen selama hampir 40 tahun terakhir telah memperlihatkan bahwa keberadaan quark bukan lagi hal yang mustahil.

Hingga saat ini telah dikenal enam jenis quark yang diberi nama up, down, strange, charm, bottom, dan top (u, d, s, c, b dan t). Bersama-sama dengan lepton dan partikel interaksi (gauge-boson), ke-enam jenis quark tersebut menyusun jagad raya yang kita tempati ini, termasuk diri kita sendiri. Dua quark yang paling ringan adalah quark up dan down. Keduanya merupakan konsituen proton dan netron yang membangun mayoritas isi jagad raya.

Quark jenis ketiga disebut quark strange (aneh) karena quark ini selalu terdapat pada partikel-partikel yang memiliki bilangan keanehan seperti kaon dan hyperon.

Pada tahun 1974 di pusat akselerator linier Stanford (SLAC) ditemukan quark charm di dalam suatu partikel baru yang disebut Psi. Secara simultan di laboratorium nasional Brookhaven quark jenis ini ditemukan dalam partikel yang mereka sebut sebagai J. Partikel yang kini dikenal sebagai partikel J/\Psi ini  adalah kombinasi dari quark charm dan anti-charm (cc).

Quark jenis kelima adalah beauty atau bottom yang pertama kali teridentifikasi di laboratorium nasional Fermi (Fermilab) pada tahun 1977.  Di tempat yang sama pada tahun 1995 ditemukan quark jenis terakhir yang diberi nama top atau truth. Jenis ini merupakan quark yang paling masif, beratnya sekitar 190 kali berat sebuah proton.

Partikel eksotik pentaquark disusun oleh dua quark up, dua quark down, serta satu quark anti-strange. Kombinasi uudds ini menghasilkan muatan yang sama dengan muatan proton, namun memiliki bilangan keanehan satu, serta identik dengan sistem partikel kaon positif dan netron K⁺n . Tidaklah mengherankan, jika dalam publikasi mereka, kolaborasi SPRING-8 menyatakan bahwa penemuan mereka dapat diterjemahkan sebagai sistem quark uudds atau sistem partikel K⁺n.

Penemuan Partikel Pentaquark

Di laboratorium SPRING-8 partikel pentaquark diamati melalui rangkaian percobaan sebagai berikut. Seberkas sinar laser dihamburkan pada berkas elektron yang memiliki energi 8 giga elektronvolt yang bersirkulasi dalam sebuah sinkrotron. Hamburan ini menghasilkan foton dengan energi cukup tinggi yang selanjutnya ditumbukkan pada sebuah target berisi karbon. Hasil dari tumbukan ini adalah kaon bermuatan negatif, proton, partikel pentaquark yang dalam waktu yang cukup singkat (antara 10 - 20 detik) akan meluruh menjadi sebuah kaon bermuatan positif dan sebuah netron, serta sisa-sisa tumbukan lainnya. Semua partikel yang dihasilkan ditangkap oleh detektor seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Keberadaan partikel pentaquark ditunjukkan oleh suatu peak (puncak) pada distribusi spektrum massa yang hilang di dalam proses. Fenomena ini sering dijumpai pada kasus penelitian partikel resonansi baryon, namun lebar dari peak pada kasus pentaquark jauh lebih kecil dibandingkan dengan partikel resonansi. Pada kasus pentaquark lebar peak hanya sekitar 20 mega elektronvolt, sedangkan untuk resonansi baryon dapat mencapai 500 mega elektronvolt. Konsekuensinya, partikel pentaquark dapat hidup lebih lama (10 - 20 detik) dibandingkan dengan partikel resonansi baryon (sekitar 10^-10 detik).

Proses produksi partikel eksotik pentaquark pada laboratorium SPRING-8, Osaka, Jepang

Di laboratorium Jefferson, Virginia, para eksperimentator menggunakan foton hasil proses bremstrahlung dari berkas elektron berenergi kinetik tinggi. Foton tersebut ditembakkan pada target yang berupa deuteron. Hasil tumbukan ini adalah sebuah proton, kaon  bermuatan negatif, serta partikel pentaquark. Seperti pada kasus sebelumnya, partikel pentaquark akan segera meluruh dan dideteksi oleh detektor CLAS. Proses ini dilukiskan pada gambar 2 yang jelas lebih sederhana dibandingkan dengan proses sebelumnya. Dalam kasus ini keberadaan partikel pentaquark ditunjukkan oleh suatu peak pada distribusi massa invarian sistem partikel K⁺n .

Proses produksi partikel pentaquark pada laboratorium Jefferson, Virginia, USA

Saat ini, topik penelitian partikel pentaquark merupakan topik yang sangat ``panas''. Puluhan paper hasil penelitian teoretis segera muncul dalam waktu singkat setelah eksperimen pertama dikonfirmasi. Beberapa eksperimen untuk memproduksi partikel ini juga telah diusulkan, yaitu melalui tumbukan antara kaon dan nukleon, foton dengan proton, dan lain-lain.

(Penulis adalah staf pengajar pada Departemen Fisika FMIPA UI dan pernah menjadi anggota kolaborasi CLAS dan SAPHIR)Partikel baru yang terdiri dari lima buah quark (tepatnya empat quark dan satu anti-quark) berhasil ditemukan setelah eksistensinya berhasil dikonfirmasi oleh lima eksperimen terpisah di seluruh dunia. Adalah kelompok fisikawan yang bekerja di laboratorium SPRING-8 di Osaka, Jepang, yang pertama kali mengamati partikel bermassa 1,54 giga elektronvolt (sekitar satu setengah kali massa proton) ini. Hasil penemuan mereka dipublikasikan di Physical Review Letters, salah satu jurnal fisika ternama di Amerika, bulan lalu. Tidak begitu lama, eksperimen tersebut berhasil dikonfirmasi oleh kolaborasi penelitian DIANA di Rusia serta kolaborasi CLAS di Jefferson Lab, Virginia, USA. Terakhir, kolaborasi penelitian HERMES di laboratorium DESY di Hamburg, Jerman, dan kolaborasi SAPHIR di Bonn, Jerman, juga melaporkan hal yang sama. Bulan lalu BBC online serta harian USA Today juga memuat berita mengejutkan ini.

Saking barunya, nama partikel yang bermuatan sama dengan positron ini pun masih belum disepakati. Sebagian fisikawan masih menyebutnya sebagai partikel Z⁺, sementara akhir-akhir ini kebanyakan menyatakannya sebagai Theta+ atau partikel eksotik pentaquark (lima quark). Meski tidak dilarang oleh Model Standar yang secara resmi dianut oleh semua fisikawan, keberadaan partikel pentaquark selama ini sulit dideteksi. Namun, kemajuan pesat di dunia akselerator serta semakin canggihnya detektor partikel saat kini mengakhiri perburuan partikel yang telah diramalkan sejak sekitar 30 tahun lalu. Penemuan ini tentu saja memiliki konsekuensi serius pada pandangan umat manusia terhadap alam semesta, karena selama ini quark yang merupakan bahan dasar penyusun jagad raya diketahui hanya dapat membentuk partikel sub-atomik dalam kombinasi  dua atau tiga quark saja.

Apakah Quark Itu?

Semula quark diramalkan oleh Murray Gell-mann dan George Zweig sebagai partikel fundamental pada tahun 1964. Nama quark dipilih oleh Gell-Mann. Nama ini muncul dalam novel karya James Joyce berjudul Finnegan's Wake pada satu kalimat : "three quarks for Muster Mark".  Ide ini sangat revolusioner karena memperkenalkan sub-partikel  baru yang bermuatan +2/3 dan -1/3 muatan proton. Namun pada mulanya ia hanya dianggap sebagai partikel fiksi matematik karena quark tidak pernah berada dalam keadaan bebas. Quark hanya dapat hidup di dalam partikel-partikel subatomik seperti proton, netron, atau pion. Gaya kuat yang mengikat quark di dalam partikel tersebut akan bertambah besar jika kita ingin mengeluarkannya. Meski demikian, hasil-hasil eksperimen selama hampir 40 tahun terakhir telah memperlihatkan bahwa keberadaan quark bukan lagi hal yang mustahil.

Hingga saat ini telah dikenal enam jenis quark yang diberi nama up, down, strange, charm, bottom, dan top (u, d, s, c, b dan t). Bersama-sama dengan lepton dan partikel interaksi (gauge-boson), ke-enam jenis quark tersebut menyusun jagad raya yang kita tempati ini, termasuk diri kita sendiri. Dua quark yang paling ringan adalah quark up dan down. Keduanya merupakan konsituen proton dan netron yang membangun mayoritas isi jagad raya.

Quark jenis ketiga disebut quark strange (aneh) karena quark ini selalu terdapat pada partikel-partikel yang memiliki bilangan keanehan seperti kaon dan hyperon.

Pada tahun 1974 di pusat akselerator linier Stanford (SLAC) ditemukan quark charm di dalam suatu partikel baru yang disebut Psi. Secara simultan di laboratorium nasional Brookhaven quark jenis ini ditemukan dalam partikel yang mereka sebut sebagai J. Partikel yang kini dikenal sebagai partikel J/\Psi ini  adalah kombinasi dari quark charm dan anti-charm (cc).

Quark jenis kelima adalah beauty atau bottom yang pertama kali teridentifikasi di laboratorium nasional Fermi (Fermilab) pada tahun 1977.  Di tempat yang sama pada tahun 1995 ditemukan quark jenis terakhir yang diberi nama top atau truth. Jenis ini merupakan quark yang paling masif, beratnya sekitar 190 kali berat sebuah proton.

Partikel eksotik pentaquark disusun oleh dua quark up, dua quark down, serta satu quark anti-strange. Kombinasi uudds ini menghasilkan muatan yang sama dengan muatan proton, namun memiliki bilangan keanehan satu, serta identik dengan sistem partikel kaon positif dan netron K⁺n . Tidaklah mengherankan, jika dalam publikasi mereka, kolaborasi SPRING-8 menyatakan bahwa penemuan mereka dapat diterjemahkan sebagai sistem quark uudds atau sistem partikel K⁺n.

Penemuan Partikel Pentaquark

Di laboratorium SPRING-8 partikel pentaquark diamati melalui rangkaian percobaan sebagai berikut. Seberkas sinar laser dihamburkan pada berkas elektron yang memiliki energi 8 giga elektronvolt yang bersirkulasi dalam sebuah sinkrotron. Hamburan ini menghasilkan foton dengan energi cukup tinggi yang selanjutnya ditumbukkan pada sebuah target berisi karbon. Hasil dari tumbukan ini adalah kaon bermuatan negatif, proton, partikel pentaquark yang dalam waktu yang cukup singkat (antara 10 - 20 detik) akan meluruh menjadi sebuah kaon bermuatan positif dan sebuah netron, serta sisa-sisa tumbukan lainnya. Semua partikel yang dihasilkan ditangkap oleh detektor seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Keberadaan partikel pentaquark ditunjukkan oleh suatu peak (puncak) pada distribusi spektrum massa yang hilang di dalam proses. Fenomena ini sering dijumpai pada kasus penelitian partikel resonansi baryon, namun lebar dari peak pada kasus pentaquark jauh lebih kecil dibandingkan dengan partikel resonansi. Pada kasus pentaquark lebar peak hanya sekitar 20 mega elektronvolt, sedangkan untuk resonansi baryon dapat mencapai 500 mega elektronvolt. Konsekuensinya, partikel pentaquark dapat hidup lebih lama (10 - 20 detik) dibandingkan dengan partikel resonansi baryon (sekitar 10^-10 detik).

Proses produksi partikel eksotik pentaquark pada laboratorium SPRING-8, Osaka, Jepang

Di laboratorium Jefferson, Virginia, para eksperimentator menggunakan foton hasil proses bremstrahlung dari berkas elektron berenergi kinetik tinggi. Foton tersebut ditembakkan pada target yang berupa deuteron. Hasil tumbukan ini adalah sebuah proton, kaon  bermuatan negatif, serta partikel pentaquark. Seperti pada kasus sebelumnya, partikel pentaquark akan segera meluruh dan dideteksi oleh detektor CLAS. Proses ini dilukiskan pada gambar 2 yang jelas lebih sederhana dibandingkan dengan proses sebelumnya. Dalam kasus ini keberadaan partikel pentaquark ditunjukkan oleh suatu peak pada distribusi massa invarian sistem partikel K⁺n .

Proses produksi partikel pentaquark pada laboratorium Jefferson, Virginia, USA

Saat ini, topik penelitian partikel pentaquark merupakan topik yang sangat ``panas''. Puluhan paper hasil penelitian teoretis segera muncul dalam waktu singkat setelah eksperimen pertama dikonfirmasi. Beberapa eksperimen untuk memproduksi partikel ini juga telah diusulkan, yaitu melalui tumbukan antara kaon dan nukleon, foton dengan proton, dan lain-lain.

(Penulis adalah staf pengajar pada Departemen Fisika FMIPA UI dan pernah menjadi anggota kolaborasi CLAS dan SAPHIR)


Credit : Terry Mart ( http://staff.fisika.ui.ac.id/tmart/penta.html)

Exotic Physics and Theory

Exotic Physics and Theory

Ultra-high fields of high-power, short-pulse lasers pose very important possibilities for fundamental physics. The main goal of this Research Activity is to explore both theoretically and experimentally the ultra-relativistic (above 10²³ W/cm²) regime of laser-matter interaction, called Exotic physics.

Research Activity Description

This largely untouched intensity territory will provide access to fundamental physical effects with much higher characteristic energies and will regroup many subfields of contemporary physics (atomic physics, plasma physics, particle physics, nuclear physics, gravitational physics, nonlinear field theory, ultrahigh-pressure physics, astrophysics and cosmology). In a longer-term perspective, relativistic compression offers the potential of intensities exceeding 10²⁵ W/cm², which will challenge the vacuum critical field as well as provide a new avenue to ultrafast attosecond (10^-18 s) and even zeptosecond (10^-21 s) studies of laser-matter interaction.
The technological breakthrough of laser chirped-pulse amplification has led to unprecedented laser powers and intensities, the current experimental record being about PW and 10²² W/cm², respectively. Up to 3 orders of magnitude may be achieved at the planned ELI facility. For laser intensity of 10²⁶ W/cm², an electron will undergo an acceleration of 10²⁷ g, comparable to the gravitational acceleration at the event horizon of a black hole. This high acceleration can be used to study Unruh radiation generation. At sufficiently high intensities, even vacuum can be broken down. The field necessary to achieve pair creation (“boil the vacuum”) is the so-called Schwinger field limit.
ELI will offer much higher intensity levels either directly with the laser or by relativistic compression. The optical field could then reach the critical field value. In this limit the laser pulse-plasma interaction demonstrates effects of the radiation friction force and quantum electrodynamics effects of nonlinear vacuum polarization and electron-positron pair creation. In this limit, novel mechanisms of ion acceleration occur. Since the energy of the resulting ion bunch can be over 100 GeV per nucleon, this ion acceleration regime would be suitable for quark-gluon plasma studies and could be used in the investigation of neutrino oscillations. In essence, ultra-relativistic intensities could unify nuclear physics, high-energy physics, astrophysics and cosmology.
Apart from these truly exotic research fields, other nonlinear quantum electrodynamics effects could be accessed at slightly modest fields. The ELI community is eager to study such phenomena which consist in converting photon energy directly into creation of electrons and positrons. There are plenty of strong-field QED processes, which may be roughly categorized into two classes: “loop” (strong-field vacuum polarization, spontaneous pair production) and “tree-level” (perturbative pair production, pair annihilation, Compton scattering) processes. For petawatt-class lasers, a nontrivial electron-positron pair can be created. Nowadays positron emission from direct interaction of petawatt laser pulses with solid targets has the main disadvantage of no operation at high repetition rate, thus limiting the yield of positron emission. However this limit will be easily overcome at the future ELI facility. From this point of view, ELI will explore new regimes and try to map out the basic phenomena concerning the QED theory. Distorting the vacuum with lasers has been suggested long time ago but never achieved experimentally due to the lack of sufficient laser power. ELI laser intensity regime will open up the way towards novel experimental capabilities.

Some of the particular QED phenomena that will be studied at ELI are:

1. Electron-positron plasmas
2. Vacuum four-wave mixing
3. Vacuum polarisation
4. Vacuum birefringence
5. Unruh radiation
6. QED cascades: Inverse Compton Scattering
7. Quark-gluon plasmas

Main outcomes of the Research Activity

The unprecedented laser intensities available at ELI will allow to test the fundamental predictions of Quantum Electrodynamics (QED) in external strong laser fields. Within this Research Activity, we will theoretically investigate purely quantum electrodynamical (classically forbidden) processes that occur in the presence of extremely intense laser field and which can be observed experimentally at ELI. In particular, we will consider absorptive vacuum polarization effects and dispersive vacuum polarization effects. The main outputs will be advanced theories describing QED processes relevant to exotic physics, numerical modelling, and preparation of proof-of-principle experiments. A versatile target area with multiple high intensity beams will be designed. Some of these experiments will be based on a configuration of two counter propagating fundamental beams focussed to the highest possible intensity. Specialized workshops/brainstorming to discuss these ultimate scientific challenges of ELI will be regularly organized.

credit : http://www.eli-beams.eu/science/exotic-physics-and-theory/

GALAKSI

Galaksi adalah kumpulan berjuta-juta bintang, gas dan debu yang sangat luas yang terikat bersama gravitasi. Di alam semesta ini diperkirakan ada satu bilyun galaksi, yang masing-masing beranggotakan jutaan bintang. Kita dapaat mengamati galaksi dengan menggunakan teleskop besar.

Galaksi tempat bumi kita berada, berikut matahari dan 8 planet lainnya (merkurius, venus, mars, jupiter, saturnur, uranus, neptunus dan pluto) adalah Galaksi Bima Sakti (Milky Way).

Hasil pengamatan mengung kapkan bahwa matahari kita hanyalah salah satu dari beribu matahari lainnya yang beredar mengikuti pusat bintang-bintang tersebut.

Gugus bintang galaksi Bima Sakti ini telah dapat diamati semejak peradaban kuno, khususnya dimalam hari pada musim kemarau. Galaksi Bima Sakti ini akan terlihat seperti jalur putih yang membentang dari utara ke selatan, jalur tersebut seolah membelah langit malam menjadi dua bagian disisi timur dan barat.

Galaksi kita ini berotasi (berputar) dengan arah berlawanan jarum jam. Galaksi Bima Sakti memiliki ± 100 ribu juta bintang. Selain itu terdapat pula gumpalan-gumpalan gas dalam ukuran kecil yang jumlahnya sangat banyak. Dari pengamatan yang teratur, diketahui bahwa jumlah bintang di pusat galaksi lebih banyak daripada ditepinya. Matahari merupakan bintang yang terletak di tepi galaksi. Matahari bergerak mengelilingi pusat galaksi Bima Sakti dengan kecepatan 220 km/detik. Untuk mengitari pusat galaksi matahari memerlukan waktu selama 2,4 x 108 tahun (=240 juta tahun).

Pemahaman astronom mengenai bentuk galaksi Bima Sakti, tidak terlepas dari perkembangan pengetahuan dimulai dari:

a. Thomas Wright (1750):

Matahari bersama bintang-bintang lainnya membentuk satu kelompok seperti pulau perbintangan di tengah-tengah jagad raya.

b. William Herschel (1784) :

Kelompok bintang-bintang dalam galaksi Bima Sakti membentuk piringan pipih seperti cakram.

c. Kapteyn (1910) :

Wujud galaksi Bima Sakti adalah pipih.

d. Hasil studi cacah bintang dari Harold Shapley (1917):

Galaksi Bima Sakti berbentuk cakram dengan garis tengah 100.000 tahun cahaya, dan matahari berada di daerah tepi sekitar 30.000 tahun cahaya dari pusat galaksi.

Galaksi lainnya adalah : galaksi Andromeda (galaksi tetangga terdekat dengan galaksi kita yang berjarak 870.000 tahun cahaya = ± 1.10¹³km). 

Berdasarkan bentuknya, galaksi dapat dikategorikan kedalam 3 bentuk :

a. Galaksi yang berbentuk spiral

Sebagian galaksi berbentuk spiral, seperti Bima Sakti, Galaksi Andromeda, dan galaksi Canes Venatici spiral. Galaksi yang berbentuk spiral berjumlah 80% dari galaksi yang ada. Galaksi ini memiliki struktur paling teratur terhadap pusat.

b. Galaksi yang berbentuk elips

Galaksi yang berupa gumpalan pekat disebut Galaksi Eliptik. Galaksi yang berbentuk elips ber- jumlah 17% dari seluruh galaksi yang ada. Bentuk galaksi ini lebih sederhana dibanding galaksi spiral, kerapatan bintang lebih tinggi di pusat dibanding di tepinya.

c. Galaksi yang tidak beraturan

Galaksi ini berjumlah 3% dari seluruh galaksi yang ada.

AL-QURAN,KOSMOLOGI DAN FISIKA ENERGI TINGGI

Pasangan manusia pertama, Adam dan Hawa, diturunkan Allah ke bumi secara terpisah di dua tempat yang sangat jauh. Adam diturunkan di daerah Palestina, sedangkan Hawa diturunkan di daerah Yaman. Selama kurang-lebih 500 tahun pencarian itu mereka jalani. Sehingga dengan bantuan wahyu, mereka akhirnya dipertemukan di Padang Arafah. Adam membawa Hawa kembali ke Palestina. Dan di situlah mereka beranak-pinak, dari dua menjadi enam, kemudian dua puluh, kemudian seratus, kemudian empat ratus, kemudian seribu, sepuluh ribu, dan seterusnya. Hingga terbentuklah sebuah bangsa, generasi pertama bangsa-bangsa di seluruh dunia.
Setelah sistem pendidikan melemah pada beberapa generasi setelah Adam, manusia menjadi bingung akan eksistensinya. Sebagai makhluk, manusia mengakui segala kelemahannya. Di balik kekuatan pikirannya yang luar biasa, manusia hanyalah seonggok daging yang tak berdaya menghadapi kekuatan alam. Oleh sebab itu, rasa ketuhanan mereka menghadirkan kekuatan dari luar yang dianggapnya bisa membentengi mereka dari kekuatan alam. Generasi-generasi awal manusia melihat kekerdilan dirinya ketika mereka berada di dekat objek-objek alam yang tak lazim, misalnya pohon-pohon besar, bebatuan raksasa, gunung-gunung, dan sebagainya. Akhirnya mereka meyakini bahwa di balik objek-objek tersebut, tersimpan kekuatan yang dianggap mampu menolongnya dari segala marabahaya. Itulah asal-mula munculnya animisme dan dinamisme.
Kosmologi Primitif
Setelah peradaban manusia semakin maju, pandangan manusia menuju langit. Sejak beribu tahun yang lalu, para pemikir menganggap bahwa bumi dan kehidupan kita adalah pusat aktivitas alam raya. Pandangan ini disebut Geosentrisme.
Manusia dianugerahi pikiran dengan berbagai kemampuannya untuk menalarkan segala sesuatu. Indera manusia menginformasikan segala hal yang pernah dilihat, didengar, dan dirasa, lalu dikirim ke otak, sehingga pikiran mengolahnya menjadi apa yang disebut ‘penjelasan’. Pada zaman permulaan, belum ada peralatan canggih untuk membantu penginderaan ke langit, misalnya teropong atau teleskop. Oleh sebab itu, terjadi kepicikan pemikiran yang menganggap bahwa bumi dan segala kehidupannya adalah pusat semesta. Ketika itu, mereka justru kesulitan apabila harus berpikir bahwa bumi bergerak dan mengelilingi matahari. Maka spekulasi bahwa bumi diam mutlak dan menjadi pusat pergerakan bulan, bintang-bintang, planet-planet, dan matahari adalah keniscayaan. Spekulasi ini pertama kali diluncurkan Aristoteles sekitar 300 tahun sebelum masehi. Pada abad 2, Claudius Ptolemeus, menyempurnakannya sehingga menjadi teori utuh yang memiliki sistem matematis.
Sekitar abad 16, alat bantu penginderaan jauh baru berkembang di Eropa. Salah satu perancangnya yang paling terkemuka adalah Galileo Galilei dari Pisa, Italia. Dengan teropong buatannya, Galileo menyelidiki keadaan langit. Ternyata kegiatan tersebut membongkar kebobrokan filsafat Aristotelian. Banyak spekulasi yang tidak sesuai dengan pengamatan beliau, termasuk Geosentrisme. Pengamatan beliau justru mendukung Heliosentrisme, yang dianggap mustahil pada masa itu.
Heliosentrisme pertama kali diluncurkan Aristarchus, rival intelektual Aristoteles dalam bidang astronomi. Pada abad 14, Heliosentrisme dikembangkan oleh Ibnu Al-Shatir dari Damaskus. Teori ini dikenal luas ketika Nicholas Copernicus menuliskannya dalam De Revolutionibus Orbium Caelestium (Tentang Revolusi Benda-benda Langit) pada tahun 1543. Beberapa dekade kemudian, Johannes Kepler menyempurnakan sistem Copernicus dengan orbit yang berbentuk elips. Di tangan mereka, orientasi semesta sedikit berpindah, yakni dari bumi ke matahari.
Kosmologi Abad 20
Pada abad 20, para peneliti di Amerika dan Eropa membuat teleskop antariksa, suatu teleskop supercanggih yang dipasang di awang-awang, salah satunya Teleskop Hubble milik Lembaga Antariksa dan Aeronautik Amerika Serikat (NASA). Dengan teleskop itu, para astronom mengamati bahwa di luar tata surya kita terdapat begitu banyak bintang dan galaksi. Heliosentrisme mengharuskan bahwa mereka semua berpusat pada matahari. Namun, pengamatan justru tak memberi sedikit pun bukti yang membenarkan asumsi ini. Matahari sendiri hanyalah sebuah bintang menengah yang merupakan bagian dari sebuah galaksi yang diberi nama Milky Way atau Bimasakti, bersama dengan bermiliar-miliar bintang lainnya. Sekarang para kosmolog meyakini bahwa alam semesta tidak memerlukan pusat lagi.
Pada 1922, Friedmann mengemukakan dua pengandaian yang sangat sederhana, bahwa semesta ini tampak identik ke arah manapun kita memandang, dan bahwa sifat itu akan tetap sama dari manapun kita mengamati. Dari kedua gagasan itu, Friedmann menunjukkan bahwa seharusnya kita tidak mengharapkan bahwa jagat itu statis. Pada 1924, astronom Amerika ternama, Edwin Hubble, menunjukkan bahwa Bimasakti bukanlah satu-satunya galaksi. Sebenarnya banyak sekali galaksi, dan diantara galaksi-galaksi ini terdapat kawasan yang sangat luas, yang merupakan ruang kosong. Untuk membuktikan gambaran ini, ia perlu menentukan jarak ke galaksi-galaksi ini, yang terletak begitu jauh sehingga tampak betul-betul terpaku, tidak seperti bintang-bintang yang dekat. Oleh karena itu, Hubble terpaksa menggunakan metode tidak langsung untuk mengukur jarak-jarak itu. Kecermelangan suatu bintang telah maklum bergantung pada dua faktor, yakni banyaknya cahaya yang dipancarkan (luminositas) dan jaraknya dari mata kita. Oleh karena itu, seandainya variabel luminositas dan kecermelangan diketahui, maka jarak bintang dapat kita hitung.
Dengan variabel-variabel itu, Hubble menghitung jarak galaksi-galaksi dari bumi. Sekarang kita tahu bahwa Bimasakti hanyalah satu dari beberapa ratus miliar galaksi yang dapat dilihat dengan menggunakan teropong modern. Sedangkan setiap galaksi sendiri memiliki beberapa ratus miliar bintang. Galaksi kita sendiri mempunyai garis tengah sekitar 100.000 tahun cahaya. Galaksi ini berputar lambat-lambat, bintang-bintang dalam lengan-lengan spiralnya beredar mengitari pusat galaksi sekali dalam beberapa ratus juta tahun. Matahari hanyalah sebuah bintang kuning biasa dengan ukuran rata-rata dan terletak di dekat pinggir dari salah satu lengannya. Tentulah generasi kita jauh melangkah dibandingkan Aristoteles dan Ptolemius yang menganggap bumi sebagai pusat semesta ataupun Aristarchus, Ibnu Al-Shatir, Copernicus, Kepler, dan Galileo yang menganggap bahwa matahari sebagai pusat semesta.
Semesta Memuai
Para astronom pada 1920-an mulai memeriksa spektrum bintang-bintang dalam galaksi-galaksi lain. Mereka menjumpai sesuatu yang sangat aneh, yakni terdapat perangkat karakter warna-warna yang hilang seperti pada bintang-bintang di Bimasakti. Hampir semuanya bergeser ke arah ujung merah spektrum. Kuantitas pergeserannya sama. Untuk memahami implikasi pergeserannya, terlebih dulu kita harus memahami efek Doppler, yang merupakan pengalaman sehari-hari.
Seperti telah dipahami bahwa cahaya tampak terdiri atas fluktuasi gelombang dalam medan elektromagnetik. Frekuensi cahaya luar biasa tinggi, berkisar dari 4×108 MHz sampai 7×108 MHz atau sekitar empat sampai tujuh ratus triliun gelombang setiap detik. Frekuensi cahaya yang berbeda akan diterima sebagai warna yang berbeda, dimana ujung merah berada pada frekuensi paling rendah dan ujung biru berada pada frekuensi paling tinggi. Bayangkan suatu sumber cahaya dari jarak yang konstan dari mata kita, misalnya bintang, dimana frekuensi yang kita terima akan sama seperti frekuensi ketika ia dipancarkan, karena medan gravitasi galaksi tidak cukup kuat untuk mempengaruhi. Andaikan sumber itu mulai bergerak mendekat ke arah kita, sehingga ketika sumber itu memancarkan gelombang-gelombang berikutnya, waktu yang dibutuhkan olehnya untuk mencapai mata kita akan lebih pendek dari sebelumnya. Jumlah gelombang yang kita terima atau frekuensinya akan lebih tinggi daripada jika ia diam. Fenomena ini akan menghasilkan pergeseran biru (blue shift). Sebaliknya, jika suatu sumber bintang bergerak menjauhi kita, maka spektrumnya akan bergeser ke arah merah (red shift). Hubungan antara frekuensi dan laju gerak sumber disebut sebagai Efek Doppler.
Setelah Hubble membuktikan adanya galaksi lain, ia menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk mengamati spektrum galaksi-galaksi. Kebanyakan orang membayangkan galaksi-galaksi bergerak kian-kemari secara acak. Mereka berharap bisa menjumpai pergeseran merah dan pergeseran biru sama banyak. Namun sangat mengejutkan bahwa kebanyakan galaksi ternyata mengalami pergeseran merah, bahkan hampir semuanya bergerak menjauhi kita. Pada tahun 1929, Hubble mengumumkan pergeseran merah itu berbanding lurus dengan jarak galaksi. Makin jauh ia dari kita, makin cepat ia bergerak menjauh. Ini ditafsirkan sebagai semesta yang mengembang, seperti apa yang diperkirakan Friedmann.
Dalam tahun 1965, dua fisikawan Amerika yang bekerja pada Bell Telephone Laboratories Amerika Serikat, Arno Penzias dan Robert Wilson, menemukan derau gelombang radio dari latar belakang kosmik. Gelombang latar belakang ini dianggap sebagai sisa-sisa ledakan besar di masa lalu, yang menyebabkan pemuaian jagat raya. Penemuan ini dianggap sebagai bukti bahwa semesta ini memuai setelah suatu ledakan mahadahsyat di masa lalu.1
Tujuh Lapis Langit
Segala sesuatu selain Allah adalah alam—termasuk kita sendiri sebagai subjek yang menyadari keberadaan mereka. Di situ ada daratan, lautan, pegunungan, sungai-sungai, danau-danau, hutan belantara, berbagai binatang, berbagai tanaman dan pepohonan yang tercakup dalam sebuah planet bernama ‘Bumi’. Bumi dikelilingi sebuah satelit alami bernama ‘Bulan’. Selain itu, bumi juga memiliki banyak rekan sejawat: Merkurius, Venus, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus, Pluto dan mungkin ada lagi planet yang belum diketahui, puluhan satelit alami yang mengelilingi mereka, planetoid-planetoid, asteroid-asteroid, komet, meteor, dan debu-debu angkasa. Bumi, bulan, dan mereka semua bersama-sama mengelilingi sebuah bintang sedang dengan sinar yang kekuning-kuningan bernama ‘Matahari’. Ternyata, matahari juga memiliki rekan sejawat yang demikian banyak, mencapai miliaran jumlahnya. Mereka pun bersama-sama mengelilingi sebuah bintang raksasa di pusatnya. Bintang pusat tersebut diperkirakan besarnya 100.000 kali besar matahari. Mereka membentuk suatu sistem berbentuk cakram yang luar biasa menakjubkan bernama ‘Bimasakti’. Tidak cukup sampai di situ, Bimasakti juga punya rekan-rekan sejawat yang demikian banyak. Mereka bersama-sama mengelilingi sebuah bintang super raksasa di pusat kelompok galaksi. Dan sistem itu juga memiliki rekan-rekan sejawat yang juga sangat banyak. Mereka bersama-sama mengelilingi sebuah bintang hiper raksasa di pusat kelompok sistem itu. Dan tak habis sampai di situ, ternyata mereka juga memiliki rekan sejawat yang juga sangat banyak, dan mereka pun mengelilingi sebuah bintang yang secara fisik lebih besar lagi. Dan demikian seterusnya sampai tujuh kali tingkatan. Ini akan menuntut peralatan eksperimen (teleskop) yang lebih kuat lagi di masa-masa yang akan datang.
Demikianlah sistem semesta yang telah dijelaskan Allah dalam ayat: “Dia-lah Allah, yang menjadikan segala yang ada di bumi untuk kamu dan Dia berkehendak (menciptakan) langit, lalu dijadikan-Nya tujuh langit. Dan Dia Maha Mengetahui segala sesuatu (QS. 2:29)”.
Tujuh Lapis Bumi
Hal yang sama akan kita dapatkan kalau kita menilik ke bawah. Fisikawan yang reduksionis meyakini bahwa wujud dan lingkungan kita di Bumi (dan di luar Bumi) tersusun atas unit-unit kecil materi yang disebut partikel elementer. Pada zaman Yunani, Democritus mengklaim bahwa atom adalah partikel elementer yang dimaksud. Misalnya Anda melihat miniatur kastil dari pasir yang dibuat para wisatawan di pinggir pantai Kuta. Apabila Anda memandangnya dari jauh, seolah-olah ia terlihat padat, kokoh, dan tak bercelah. Tapi apabila Anda perhatikan lagi baik-baik dari jarak yang cukup dekat, maka Anda akan mendapati bahwa kastil tersebut tersusun atas butir-butir kecil pasir pantai. Sekarang ambillah satu butir pasir saja. Meskipun kita sudah melihatnya sedekat mungkin, ia tetap terlihat seperti pasir yang kompak, tapi sebetulnya ia pun tersusun atas molekul-molekul yang lebih halus lagi. Molekul-molekul itu juga tersusun atas atom-atom yang jauh lebih halus lagi. Nah, menurut Demokritus, atom adalah penyusun pasir yang paling kecil dan tidak dapat dibagi lagi.
Fisikawan tidak mau percaya begitu saja dengan spekulasi Democritus. Mereka lalu merancang peralatan untuk membantu meramalkan tersusun atas apakah atom-atom itu. Hasilnya diketahui bahwa atom ternyata tersusun atas inti yang dikelilingi elektron-elektron. Sejauh ini elektron disepakati sebagai zarah yang elementer, namun dalam berbagai percobaan, inti ternyata bisa dipecah lagi menjadi hadron-hadron yang disebut proton dan neutron. Dengan peralatan yang lebih canggih lagi, neutron ditembakkan dari sebuah sumber menuju target. Ketika ia menumbuk target, terdeteksilah beberapa partikel yang lain: proton, elektron, neutrino, dan sebagainya.
Kecanggihan teknologi di era modern telah menciptakan peralatan eksperimen yang luar biasa: akselerator berputar atau sinklotron. Pada sepanjang abad 20 dan 21, CERN dan lembaga-lembaga riset lain di Amerika dan Eropa telah membangun alat seperti ini. Hasilnya, atom telah dipecah-pecah menjadi ratusan zarah subatom. Dengan bekal SDM dan dana yang sangat besar, yang di tanggung berbagai negara maju di dunia, CERN membangun sinklotron terbesar di planet. Peralatan paling mutakhir dibangun di perbatasan Swiss dan Perancis adalah sebuah akselerator raksasa sepanjang 27 km bernama Large Hadron Collider (LHC). LHC akan digunakan untuk memburu partikel bernama boson Higgs, yang diduga memberi massa semua partikel. Ia dikatakan sebagai partikel terakhir yang akan menjawab semua problem fisika.2
Beberapa orang (termasuk saya) mungkin meragukannya, apakah boson Higgs benar-benar terakhir? Suatu masa di abad-abad mendatang, kita akan semakin teliti dalam memecah partikel subatom. Kalau kita menilik Alquran, pertanyaan ini akan segera terjawab. Alquran menyatakannya dalam ayat: “Allah-lah yang menciptakan tujuh langit dan seperti itu pula bumi. Perintah Allah berlaku padanya, agar kamu mengetahui bahwasanya Allah Maha Kuasa atas segala sesuatu, dan sesungguhnya Allah ilmu-Nya benar-benar meliputi segala sesuatu (QS. 65:12)”.
Alquran secara eksplisit mengemukakan bahwa bumi (materi yang bisa diamati di bumi) tersusun atas tujuh lapis seperti pula lapisan-lapisan langit. Dengan peralatan yang semakin canggih dan semakin berenergi, kelak manusia akan terus memecah-mecah zarah-zarah yang menyusun bumi hingga ditemukan zarah paling kecil pada pemecahan yang ketujuh. Misalnya saja apabila Anda mengambil sebutir batu kerikil, maka ia bisa kita haluskan sampai tujuh tingkat energi. Tingkat energi pertama akan memecah batu itu menjadi molekul-molekul (unsur dan senyawa), tingkat energi kedua akan memecah molekul-molekul itu menjadi atom-atom, tingkat energi ketiga akan memecah atom-atom menjadi inti dan elektron-elektron, tingkat energi keempat akan memecah inti-inti menjadi hadron-hadron (proton, neutron, dan lain-lain), tingkat energi kelima akan memecah hadron-hadron menjadi kuark, tingkat energi keenam akan memecah kuark-kuark menjadi zarah yang lebih elementer lagi, dan tingkat energi ketujuh akan memecahnya menjadi zarah-zarah yang lebih elementer lagi. Sejauh ini, peralatan eksperimen baru mencapai tingkat energi kelima.
Apakah ini tidak cukup untuk mengatakan bahwa Al Quran memuat ilmu pengetahuan yang jauh lebih tinggi dari kosmologi dan fisika energi tinggi yang dimiliki generasi sekarang?
Disarikan dari:
1Riwayat Sang Kala (Stephen William Hawking)