19 September 2017

Nobel Fisika 2005: Optika Kuantum dan Spektroskopi Laser Teknik Sisir Kuantum

Nobel fisika 2005 diberikan kepada Roy Glauber atas kontribusinya dalam memberikan penjelasan teoritis perilaku partikel-partikel cahaya, foton. Serta, John Hall dan Theodor Hansch atas hasil karya keduanya berupa pengembangan spektroskopi presisi berbasis laser, Dengan teknik spektroskopi ini, warna cahaya atom-atom dan molekul-molekul dapat ditentukan dengan keakuratan yang sangat tinggi.

Gelombang atau partikel?


Pengetahuan yang kita peroleh tentang alam sekitar kita, didapatkan melalui pengamatan. Proses pengamatan dapat berlangsung berkat kemampuan kita melihat dengan bantuan cahaya. Cahaya sendiri adalah gelombang elektromagnetik. Dengan cahaya kita dapat mengamati kehidupan kita dari hari ke hari. Bahkan lebih dari itu, dengan bantuan cahaya kita dapat mengamati galaksi-galaksi terjauh di alam semesta ini.

Dalam fisika, optik merupakan bagian yang khusus mempelajari cahaya. Telah lama bidang optik dikembangkan dan telah menjadi alat fisikawan sejak zaman dahulu untuk mengkaji tentang cahaya. Beberapa pertanyaan-pertanyaan mendasar tentang cahaya itu, antara lain apakah cahaya itu sesungguhnya dan bagaimana sebuah cahaya dapat berbeda satu sama lain? Bagaimana cahaya dipancarkan dari sebuah lilin pada makan malam yang romantis dapat berbeda dengan berkas cahaya yang dihasilkan oleh sebuah laser dalam pemutar CD? Menurut Einstein, kelajuan cahaya dalam ruang hampa adalah konstan. Berdasarkan pandangan ini, mungkinkah kita menggunakan cahaya untuk mengukur waktu dengan tingkat presisi yang lebih tinggi dibandingkan dengan jam atomik yang digunakan selama ini?

Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan di atas inilah yang telah mengantarkan Roy Glauber, John Hall, dan Theodor Hansch meraih nobel fisika tahun 2005.

Roy Glauber mengkaji secara mendalam dan memberikan jawaban secara teoritis atas pertanyaan: apakah cahaya itu sesungguhnya dan bagaimana sebuah cahaya dapat berbeda satu sama lain? Bagaimana cahaya dipancarkan dari sebuah lilin pada makan malam yang romantis dapat berbeda dengan berkas cahaya yang dihasilkan oleh sebuah laser dalam pemutar CD? Sedangkan John Hall dan Theodor Hansch menemukan jawaban atas pertanyaan mungkinkah kita menggunakan cahaya untuk mengukur waktu dengan tingkat presisi yang lebih tinggi dibandingkan dengan jam atomik yang digunakan selama ini?

Hakikat Cahaya


Di akhir abad ke-19, fenomena elektromagnetik diyakini dapat dijelaskan dengan menggunakan teori yang telah dikemukakan oleh seorang fisikawan Skotlandia, James Clerk Maxwell. Menurut Maxwell cahaya adalah bentuk gelombang. Namun demikian, terdapat masalah jika teori Maxwell ini diterapkan dalam memahami radiasi yang dipancarkan oleh benda-benda yang berpijar, misalnya matahari. Sebaran “kekuatan” warna yang dipancarkan oleh benda berpijar itu sama sekali tidak sesuai dengan perkiraan teori yang telah dikembangkan berdasarkan hasil pemikiran Maxwell mula-mula. Menurut teori Maxwell, seharusnya akan sangat banyak radiasi gelombang ungu dan ultra ungu yang terpancarkan oleh benda yang berpijar, seperti pada matahari tetapi pada faktanya, berdasarkan hasil pengamatan justru jumlah radiasi ungu dan ultra ungu ini relatif berjumlah sedikit.

Dilema ini pada akhirnya dipecahkan oleh Max Planck pada tahun 1900, (memperoleh penghargaan Nobel tahun 1918), melalui sebuah persamaan yang diajukannya yang sangat cocok dengan sebaran “kekuatan warna” radiasi yang teramati secara eksperimental. Planck memandang sebaran warna ini berasal dari getaran-getaran yang terjadi pada bagian dalam sebuah benda yang dipanaskan.

Selain itu, dari salah satu hasil karya Einstein yang terkenal pada tahun 1905, Einstein juga mengatakan bahwa energi radiasi, yaitu cahaya, adalah terdiri atas paket-paket energi, yang disebut kuanta. Apabila paket energi kuanta ini memasuki permukaan sebuah logam, maka energi yang dimilikinya akan diserahkan ke sebuah elektron, yang memungkinkan elektron tersebut terlepas dan meninggalkan logam “rumahnya”. Peristiwa ini disebut efek fotolistrik, yang mengantarkan Einstein menerima hadiah nobel fisika pada tahun 1921.

Hipotesis Einstein mengandung makna bahwa terdapat sebuah paket energi tunggal, yang belakangan kemudian disebut foton, yang dapat memberikan semua energinya hanya untuk satu elektron. Dengan demikian, kita bisa menghitung berapa banyak kuanta dalam sebuah radiasi dengan mengamati dan menghitung jumlah elektron, tidak lain merupakan arus listrik yang berasal dari permukaan logam. Hampir semua detektor cahaya bekerja berdasarkan efek ini.

Ketika teori kuantum dikembangkan pada tahun 1920-an, teori ini diperhadapkan dengan kesulitan yang tidak masuk akal, yakni persamaan yang tidak berhingga. Masalah ini tidak terpecahkan sampai selesainya perang dunia II, yaitu ketika elektrodinamika kuantum, QED, dikembangkan (pengembangan teori elektrodinamika kuantum ini mengantarkan Tomonaga, Schwinger, dan Feynman memperoleh hadiah nobel pada tahun 1965). QED menjadi teori yang lebih akurat dalam fisika dan merupakan teori utama dalam pengembangan fisika partikel.

Namun demikian, pada awalnya, teori ini dianggap tidak perlu diterapkan jika kita ingin membahas masalah cahaya tampak. Cahaya tampak cukup dianalisis dengan memandangnya sebagai gerak gelombang biasa dengan berbagai nilai intensitas yang acak. Penggambaran cahaya tampak dengan menggunakan teori kuantum secara detail dianggap tidak diperlukan.




Cahaya yang teratur vs cahaya yang acak


Sebelum Laser dan alat-alat yang serupa dikembangkan, pada umumnya fenomena cahaya dapat dipahami dengan menggunakan teori klasik Maxwell. Salah satu contoh fenomena yang terkenal yang dapat dijelaskan dengan teori klasik Maxwell adalah fenomena cahaya yang merambat melalui celah ganda yang menghasilkan pola intensitas yang periodik di atas sebuah layar. Jika cahaya sumber hanya terdiri atas sebuah panjang gelombang tunggal, maka cahayanya akan koheren, yang dapat digambarkan seperti dalam gambar 1 (a) berikut.

Gambar 1. Perbedaan antara radiasi (a) koheren (b) tidak koheren (acak). Pada cahaya yang koheren, sinar-sinar akan memiliki fase, panjang gelombang, dan arah yang sama.

Penjelasan yang lebih realistik diperlukan jika kita akan membahas tentang cahaya yang berasal dari bohlam lampu. Gelombang cahaya seperti ini mengandung cahaya dengan frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda-beda dan pada saat yang sama gelombang-gelombang ini berbeda fase satu sama lain. Cahaya yang tidak koheren ini dapat digambarkan seperti dalam gambar 1b. Dengan demikian, ketidak-koheren-an akan menyebabkan pola interferensi seperti yang diperlihatkan dalam gambar 2 akan sedikit berbeda.

Sebelumnya, hampir semua sumber cahaya didasarkan pada radiasi termal dan dibutuhkan susunan tertentu agar dapat teramati pola interferensi dari sumber cahaya ini. Hal ini kemudian berubah saat laser, sebuah sumber cahaya koheren, dikembangkan. Radiasi dengan fase dan frekuensi yang terdefinisikan dengan baik, tentu saja telah dikenal dalam teknologi radio. Namun entah bagaimana, rasanya agak asing memandang cahaya yang berasal dari sebuah sumber cahaya termal sebagai sebuah gerak gelombang –tampaknya akan lebih mudah menggambarkan ketidakberaturan itu yang berasal dari sumber cahaya yang memang mengandung panjang gelombang yang tidak beratur sebagai foton-foton yang terdistribusi acak.

Kelahiran optika kuantum


Di sinilah Roy J. Glauber memberikan kontribusinya yakni sebagai pionir dalam menerapkan fisika kuantum dalam fenomena optik. Pada tahun 1963, Glauber melaporkan hasil penelitiannya, bahwa dia telah mengembangkan sebuah metode penggunaan kuantitasi elektromagnetik dalam memahami hasil pengamatan optik. Dia memberikan penjelasan yang konsisten tentang deteksi fotoelektrik dengan menggunakan teori medan kuantum. Dengan teori yang sama dia dapat menunjukkan bahwa peristiwa “bunching” yang ditemukan oleh R. Hanbury Brown dan R. Twiss tidak lain merupakan konsekuensi alamiah dari sifat acak radiasi termal. Berkas sinar laser koheren yang ideal sama sekali tidak menunjukkan efek yang sama.

Tetapi bagaimana mungkin aliran foton-foton, sebuah partikel yang bebas, dapat menghasilkan pola interferensi?

Peristiwa ini merupakan contoh dari sifat dualitas cahaya. Energi elektromagnetik ditransmisikan dalam bentuk pola-pola yang ditentukan oleh optika klasik. Distribusi energi seperti ini membentuk lanskap dimana foton-foton akan terdistribusi dalam daerah lanskap tersebut. Pola-pola ini terpisah secara individual, tetapi masing-masing mengikuti lintasan yang ditentukan oleh optika. Inilah sebabnya disebut optika kuantum. Untuk cahaya dengan intensitas yang rendah, keadaan ini akan diberikan oleh beberapa foton saja. Pengamatan partikel secara individu akan membentuk pola-pola optik setelah sejumlah tertentu fotoelektron telah teramati. Tidak seperti dalam gambar 2.a, fisika kuantum malah akan menghasilkan bentuk pola seperti pada gambar 2.b.

Gambar 2. Perbedaan cara pandang antara fisika klasik dan fisika kuantum tentang cahaya. Pola berkas cahaya setelah melewati dua celah berdasarkan cara pandang (a) klasik (b) kuantum.


Fitur penting dari gambaran teoritis kuantum terhadap gejala optik yang teramati adalah bahwa ketika sebuah fotoelektron teramati, sebuah foton telah diserap oleh fotoelektron tersebut dan keadaan medan foton telah mengalami perubahan. Pada saat sejumlah detektor dihubungkan, sistem akan menjadi peka terhadap efek-efek kuantum, yang akan tampak lebih jelas jika hanya beberapa foton yang ada dalam medan. Sejumlah eksperimen dengan menggunakan beberapa detektor foto telah dilakukan beberapa waktu kemudian, dan hasil eksperimen tersebut semuanya dapat dijelaskan dengan teori Glauber.

Hasil kerja Glauber di tahun 1963 ini memberikan fondasi untuk pengembangan lebih lanjut dalam bidang baru optika kuantum.

Sebuah efek sifat kuantum cahaya yang teramati merupakan kebalikan dari sifat “berkelompok (bunching)” seperti yang disebutkan di atas yang diperlihatkan oleh foton. Sifat ini disebut “anti-berkelompok (anti-bunching)”. Kenyataannya adalah dalam beberapa situasi, foton lebih lebih sering muncul dalam bentuk berpasangan ketimbang muncul sebagai sebuah sinyal yang acak. Foton-foton seperti ini berasal dari sebuah keadaan kuantum yang tidak dapat digambarkan dengan teori gelombang klasik. Hal ini karena sebuah proses kuantum dapat menghasilkan sebuah keadaan dimana foton-foton terpisah dengan jelas, berbeda dengan hasil yang ditimbulkan oleh sebuah proses yang murni terjadi secara acak.

Fisika kuantum menentukan batas lebih tinggi dan menjanjikan penerapan yang baru


Dalam penerapannya, efek kuantum sering kali sangat kecil. Medan keadaan yang dipilih harus sedemikian rupa sehingga medan tersebut memiliki fase dan karakteristik amplitudo yang terdefinisi dengan baik. Lagi pula, dalam pengukuran laboratorium, ketidakpastian fisika kuantum jarang membatasi. Namun demikian, ketidakpastian itu bagaimana pun tetap ada, dan muncul sebagai sebuah variasi yang acak dalam pengamatan. Hal ini disebut derau kuantum. “Derau kuantum” ini menentukan batas tertinggi ketepatan pengamatan gejala optik.

Pengetahuan kita tentang keadaan kuantum dapat juga diterapkan secara langsung. Kita dapat menerapkan fenomena kuantum ini misalnya dalam melakukan enkripsi keamanan data pesan yang dikirimkan dalam teknologi pemrosesan dan informasi.

Spektroskopi akurat berbasis laser


Sejarah telah mengajarkan kepada kita bahwa fenomena baru atau struktur baru dapat ditemukan sebagai sebuah hasil dari perbaikan akurasi pengukuran. Sebuah contoh yang sangat baik adalah spektroskopi atom, yang mempelajari struktur tingkat-tingkat energi atom. Peningkatan resolusi spektroskopi telah memberi kita pemahaman yang lebih mendalam baik tentang struktur halus atom-atom maupun karakteristik dari inti atomik. Dalam konteks inilah John L. Hall dan Theodor W. Hansch, juga dianugerahi penghargaan nobel fisika dalam tahun 2005 ini.

Kedua fisikawan ini telah berjasa dalam penelitian dan pengembangan spektroskopi yang lebih akurat berbasis laser, dengan mengembangkan teknik khusus yang disebut teknik sisir frekuensi optik (optical frequency comb technique).

Kemajuan yang telah dicapai dalam bidang ini dapat memberi kita kemungkinan-kemungkinan yang tidak terpikirkan sebelumnya dalam meneliti konstanta-konstanta alamiah, menemukan perbedaan antara materi dan antimateri serta pengukuran waktu dengan ketelitian yang belum pernah dapat diperoleh sebelumnya. Akurasi spektroskopi ini menuntut dikembangkan ketika ilmuwan mencoba menyelesaikan beberapa masalah yang telah cukup jelas dan gamblang berikut.

Seberapa panjang satu meter itu?


Masalah penentuan berapa panjang yang tepat dari satu meter merupakan salah satu tantangan yang diberikan kepada teknik spektroskopi. Konvensi Umum Berat dan Ukuran (General Conference Weight and Measures), yang berhak menentukan definisi yang tepat dari satu meter sejak tahun 1889, telah mengabaikan kemurnian material batang pengukur pada tahun 1960.

Dengan menggunakan pengukuran spektra, sebuah definisi berbasis atom untuk standar satu meter diperkenalkan:

“Satu meter didefinisikan sebagai sejumlah tertentu panjang gelombang sebuah garis spektra khusus yang terdapat dalam gas lembam kripton.”

Beberapa tahun kemudian, definisi yang berbasis atomik untuk satu detik juga diberikan:

“Waktu yang diperlukan untuk melakukan sejumlah osilasi tertentu dari frekuensi resonansi sebuah transisi tertentu dalam atom sesium”,

Definisi ini dapat disebut sebagai jam atomik berbasis sesium. Definisi ini memungkinkan untuk menentukan kecepatan cahaya sebagai perkalian dari panjang gelombang dan frekuensi.

John Wall merupakan tokoh terdepan dalam upaya pengukuran kecepatan cahaya, yang menggunakan laser dengan stabilitas frekuensi yang sangat tinggi. Namun demikian, akurasi pengukuran ini ditentukan oleh definisi meter yang telah dipilih. Oleh sebab itu, pada tahun 1983, kecepatan cahaya didefinisikan tepat sebesar 299 792 458 m/s, yang sesuai dengan hasil pengukuran yang terbaik. Dengan menggunakan teknik pengukuran yang dilakukan John Wall, kecepatan cahaya dapat terukur tepat sebesar 299 792 458 m/s tanpa kesalahan pengukuran! Berdasarkan hasil ini, maka satu meter tidak lain merupakan jarak yang ditempuh oleh cahaya dalam waktu 1/299 792 458 s.

Namun demikian, pengukuran frekuensi optik yang nilainya berada dalam rentang 1015 Hz masih sangat sulit dilakukan karena osilasi jam sesium kira-kira hanya 105 kali lebih kecil. Untk mengatasi masalah ini, serangkaian laser dengan stabilitas yang tinggi dan sumber gelombang mikro harus digunakan. Pemakaian praktis dari definisi baru satu meter ini dalam bentuk panjang gelombang yang tepat masih tetap bersifat problematik; ada fakta yang menunjukkan bahwa kita perlu metode yang sederhana untuk melakukan pengukuran frekuensi.

Seiring dengan fakta-fakta ini, terjadi perkembangan yang sangat pesat dalam bidang pemanfaatan laser sebagai instrumen spektroskopi secara umum. Di samping itu, metode untuk mengeliminasi efek Doppler terus menerus dikembangkan. Efek Doppler ini jika dibiarkan akan menimbulkan puncak spektrum yang lebih lebar dan sulit ditentukan. Pada tahun 1981, N. Bloembergen dan A.L. Schawlow dianugerahi nobel fisika atas kontribusi mereka dalam pengembangan laser spektroskopi. Akan menjadi lebih menarik sekiranya sebuah tingkat ketelitian yang sangat tinggi dapat dicapai oleh alat ini, sehingga memungkinkan pertanyaan mendasar yang berkaitan dengan realitas alam dapat ditelusuri lebih jauh dan mendalam.

Hall dan Hansch telah menjadi bagian dalam proses ini, melalui pengembangan sistem laser yang berfrekuensi sangat stabil serta teknik pengukuran tingkat lanjut yang dapat memperdalam pengetahuan kita tentang sifat-sifat materi, ruang dan waktu.

Sisir frekuensi – sebuah batang ukur baru


Mengukur frekuensi dengan ketelitian yang sangat tinggi membutuhkan laser yang dapat memancarkan sejumlah besar frekuensi osilasi yang koheren. Jika osilasi seperti ini dengan frekuensi yang sedikit berbeda satu sama lain, dihubungkan, maka akan dihasilkan pulsa-pulsa yang sangat pendek akibat interferensi. Namun demikian, hal ini hanya akan terjadi jika frekuensi osilasi yang berbeda itu terkunci satu sama lain dalam keadaan yang disebut “mode-locking”. (lihat gambar 3). Semakin banyak frekuensi osilasi yang berbeda yang dapat dikunci, maka semakin pendek pulsa yang dihasilkan. Sebuah pulsa sepanjang 5 fs (femtosekon, 10-15 s) mengunci sekitar satu juta frekuensi yang berbeda, yang diperlukan untuk mengcover sejumlah rentang lebar frekuensi tampak. Dewasa ini, hal tersebut dapat diwujudkan dalam media laser seperti “dyes” atau kristal safir yang dicampur titanium. Sebuah “bola cahaya kecil” yang terpantul bolak-balik di antara cermin dalam laser muncul karena sejumlah besar mode frekuensi yang terdistribusi rata dan tajam menyala sepanjang waktu. Secuplik cahaya kecil ini dilepaskan sebagai rentetan pulsa-pulsa laser melalui cermin yang transparan sebagian pada salah satu ujungnya. Karena laser pulsa ini juga memancarkan frekuensi yang tajam, maka laser ini dapat digunakan sebagai spektroskopi laser beresolusi sangat tinggi. Hal ini pertama kali disadari oleh Hansch pada tahun 1970-an sekaligus berhasil menunjukkannya secara eksperimental.

Gambar 3. Prinsip teknik sisir frekuensi. Gambar di atas menunjukkan secara skematis bagaimana pulsa-pulsa laser terbentuk. Gambar di bawah, sebelah kiri, menggambarkan kebergantungan pulsa terhadap waktu, dimana setiap pulsa hanya mengandung beberapa osilasi, dan bagaimana mode ini terdistribusi di antara frekuensi yang berbeda-beda. Distribusi spektral terdiri atas sebuah sisir frekuensi yang terpisah sangat jelas. Namun demikian, titik nol spektrum tidak diketahui dan menyatakan sebuah pergeseran fo. Dengan menggunakan teknik optika non-linear, frekuensi spektrum tersebut dapat digandakan, seperti yang terlihat dalam gambar di bawah sebelah kanan. Frekuensi terendahnya kemudian dapat dibandingkan dengan frekuensi tertinggi sebenarnya dan selanjutnya pergeseran fo dapat ditentukan.


Namun demikian, terobosan yang sebenarnya baru terjadi pada tahun 1999, dimana Hansch menyadari bahwa laser dengan pulsa yang sangat pendek yang ada pada saat itu dapat digunakan untuk mengukur frekuensi optik secara langsung relatif terhadap jam sesium. Hal ini disebabkan karena laser ini memiliki sebuah sisir frekuensi yang mencakup seluruh rentang cahaya tampak. Dengan demikian teknik sisir frekuensi optik, seperti yang tersirat dalam namanya, merupakan teknik yang didasarkan pada sebuah rentang frekuensi yang terdistribusi rata, kurang lebih sama dengan gigi-gigi sebuah sisir atau garis-garis pada sebuah mistar. Frekuensi yang tidak diketahui yang akan ditentukan, dapat dihubungkan dengan salah satu dari frekuensi sepanjang “batang pengukur” ini. Hansch dan koleganya dengan jelas mendemonstrasikan bahwa “skala” frekuensi ini benar-benar terdistribusi secara merata dengan presisi yang sangat tinggi. Namun demikian, terdapat satu masalah, yaitu bagaimana menentukan nilai mutlak frekuensi. Meskipun jarak pisah antara gigi-gigi sisir terdefinisi dengan sangat jelas, sebuah pergeseran frekuensi yang tidak diketahui dapat saja terjadi. Penyimpangan ini harus ditentukan secara tepat jika sebuah frekuensi yang tidak diketahui akan diukur. Hansch mengembangkan teknik untuk tujuan ini dimana frekuensi juga dapat distabilkan, tetapi masalah tersebut tidak terselesaikan secara praktis dan sederhana hingga akhirnya Hall dan kelompoknya mendemonstrasikan sebuah solusi atas masalah tersebut di sekitar tahun 2000.

Jika frekuensi sisir dapat dibuat cukup lebar sehingga frekuensi tertingginya lebih besar dua kali lipat dibandingkan dengan frekuensi terendah (osilasi oktaf), maka pergeseran frekuensi, fo, dapat dihitung melalui perkurangan sederhana yang melibatkan frekuensi-frekuensi di ujung-ujung oktaf (lihat gambar 3)

2fn – f2n = 2(nfr + f0) – (2nfr + fo) = fo

Kita bisa membuat pulsa seperti ini dengan rentang frekuensi yang cukup lebar dalam bahan yang disebut fiber kristal fotonik, dimana material ini sebagian diisi dengan saluran yang berisi udara. Dalam fiber seperti ini spektrum frekuensi yang lebar dapat dibangkitkan oleh cahaya itu sendiri. Hansch dan Hall beserta kolega masing-masing secara bergantian, sebagai bagian dari kerja sama penelitian, memperbaiki teknik ini sehingga akhirnya dapat dihasilkan sebuah instrumen sederhana yang dapat digunakan secara luas dan tersedia secara komersial. Dengan teknik ini, sebuah frekuensi laser yang tajam dan tidak diketahui sekarang dapat diukur dengan mengamati layangan antara frekuensi-frekuensi tersebut dengan gigi terdekat dari frekuensi sisir; layangan ini berbentuk rentang frekuensi radio yang mudah diatur. Hal ini analog dengan fakta bahwa layangan antara dua garpu tala dapat terdengar memiliki frekuensi yang jauh lebih rendah dibandingkan frekuensi individu garpu tala tersebut.

Teknik sisir frekuensi ini telah diperluas sampai pada rentang frekuensi ultraviolet. Hal ini berarti presisi pengukuran yang sangat tinggi dapat diperoleh yang dapat mengarah ke kemungkinan pembuatan jam yang lebih akurat pada frekuensi sinar-X.

Sumber: www.nobelprize.org

14 September 2017

MENGENAL CARA KERJA KAPAL SELAM

sebuah kapal selam di pangkalan laut sebuah negara
Sumber gambar: The national interest
Salah satu perkembangan yang sangat mengesankan dalam bidang militer adalah penemuan dan pembuatan kapal selam. Kapal selam, yang merupakan perlengkapan angkatan laut sebuah negara, telah memungkinkan tentara marinir hidup selama berbulan-bulan bahkan bertahun-tahun di bawah permukaan samudra.

Bagaimana kapal selam ini bekerja?

Menyelam dan Muncul di permukaan


sebuah kapal selam yang sedang muncul ke permukaan
Sebuah kapal selam, seperti halnya kapal laut biasa, dapat mengapung di permukaan air karena berat air yang dipindahkan dan ditempati oleh bagian kapal yang masuk ke dalam air sama dengan berat kapal tersebut. Berat dari air yang dipindahkan tersebut (karena kapal mengisi tempat itu) akan menghasilkan gaya ke atas yang disebut gaya apung (bouyant force) dan bekerja melawan gaya gravitasi yang menarik kapal ke bawah. Pengetahuan tentang gaya-gaya dalam fisika yang sederhana dapat Anda baca di eduFisika, artikel tentang mengenal gaya-gaya dalam mekanika.

Berbeda halnya dengan kapal laut biasa, kapal selam memiliki kemampuan untuk mengatur gaya apung yang dialaminya. Dengan mengatur gaya apung ini, kapal selam dapat menyelam di dasar samudera atau muncul di permukaan air.

Untuk keperluan mengontrol gaya apungnya, kapal selam memiliki tangki yang disebut tangki pemberat (ballast tank) dan pendukungnya, serta tangki penyeimbang (trim tanks). Tangki ini dapat diisi dengan air atau udara. Saat kapal selam berada di permukaan air, tangki pemberat berisi udara yang menyebabkan kerapatan (rapat massa) keseluruhan kapal selam lebih kecil dibandingkan dengan kerapatan air di sekitarnya. Saat kapal selam ini menyelam ke dalam air, tangki pemberat kemudian diisi dengan air sehingga kapal selam akan tenggelam karena kerapatan keseluruhan kapal selam bertambah seiring dengan bertambahnya massa air yang diisikan ke dalam tangki dan kerapatan ini melebihi kerapatan air di sekitarnya. Udara terkompresi yang dibutuhkan dalam kapal selam diperoleh dari sebuah tabung udara. Udara terkompresi ini diperlukan untuk kelangsungan hidup para awak kapal dan digunakan bersama dengan tangki pemberat. Selain itu, kapal selam juga memiliki perangkat “sayap” pendek yang dapat bergerak yang disebut dengan hydroplane. Hydroplane terdapat di bagian belakang kapal yang berfungsi untuk mengontrol sudut penyelaman. Sayap hydroplane ini diarahkan sedemikian rupa agar air mengalir melalui bagian belakang kapal, yang memaksa bagian belakang ini agak terangkat ke atas. Dengan demikian kapal selam akan sedikit menukik ke arah bawah.

Gaya apung yang dialami kapal selam


Untuk menjaga agar kedalaman kapal selam berada pada level tertentu yang diinginkan, kapal selam menjaga keseimbangan udara dan air dalam sebuah tangki penyeimbang (trim tangk) sedemikian rupa sehingga rapat jenis keseluruhan kapal sama dengan rapat jenis air di sekitarnya (di luar kapal selam). Ketika kapal selam telah mencapai level kedalaman jelajah yang diinginkan, sayap hydroplane kemudian diatur dalam posisi rata agar kapal bergerak pada kedalaman yang tetap di dalam air. Air juga dimasukkan di antara bagian depan dan bagian belakang tangki penyeimbang untuk menjaga kedataran.

Kapal selam dapat berputar dalam air dengan menggunakan kemudi di bagian belakang untuk berputar ke kanan atau ke kiri serta menggunakan sayap hydroplane untuk mengatur sudut depan-buritan kapal selam. Selain itu, kapal selam juga dilengkapi dengan motor propeler sekunder yang dapat ditarik dan dapat berotasi 360 derajat.

Saat kapal selam akan muncul di permukaan, udara terkompresi akan mengalir dari tabung udara ke dalam tangki ballast dan air didorong (dipaksa) keluar dari badan kapal selam sampai rapat jenis keseluruhan kapal selam lebih kecil dibandingkan dengan air di sekitarnya. Seiring dengan semakin banyak air yang keluar dari kapal selam, rapat jenis keseluruhan kapal pun semakin mengecil. Akibatnya, secara pelan-pelan gaya apung yang dialami oleh kapal akan lebih besar dibandingkan gaya beratnya sehingga kapal bergerak naik ke permukaan air. Sayap hydroplanes diarahkan sedemikian rupa sehingga air bergerak mengalir ke atas melalui buritan, sehingga bagian buritan ini akan terdorong ke arah bawah yang menyebabkan sudut kapal selam menukik ke atas. Dalam keadaan darurat, dimana diinginkan untuk muncul ke permukaan secepat mungkin, tangki ballast dapat diisi dengan udara bertekanan tinggi secepat mungkin.




Pendukung kehidupan dalam kapal selam


Awak kapal selam harus dapat hidup di dalam air berbulan-bulan bahkan bertahun-tahun. Oleh sebab itu, kapal selam harus didesain agar memiliki sumber pendukung kehidupan baik saat berada di permukaan air, apalagi saat menyelam di permukaan laut yang dalam. Terdapat tiga masalah utama yang dihadapi terkait dengan kelangsungan kehidupan awak kapal di bawah permukaan laut, yaitu:

1. Bagaimana memenuhi kebutuhan udara yang berkualitas
2. Bagaimana memenuhi kebutuhan air segar
3. Menjaga dan mengatur agar temperatur tetap nyaman sesuai kebutuhan

1. Pemenuhan kebutuhan udara berkualitas


Udara yang kita hirup sehari-hari mengandung empat jenis gas dalam jumlah yang signifikan, yaitu: nitrogen (78 persen), oksigen (21 persen), argon (0,94 persen), dan karbon dioksida (0,04 persen). Ketika kita bernapas di udara, badan kita menggunakan oksigen yang dikandung udara itu dan mengubahnya menjadi karbon dioksida. Udara yang kita lepaskan mengandung sekitar 4,5 persen karbon dioksida. Sedangkan nitrogen dan argon yang terdapat dalam udara tidak diapa-apakan oleh tubuh kita.

Sebuah kapal selam merupakan ruang tertutup yang dihuni sejumlah orang (awak kapal dan penumpang lainnya) dengan kandungan udara yang terbatas. Agar udara yang ada dalam kapal selam tetap dapat digunakan untuk pernapasan, maka tiga hal berikut harus dilakukan:

  • Oksigen harus terisi kembali saat dikonsumsi selama proses pernapasan. Jika persentase oksigen dalam udara ini terlalu rendah, seseorang dapat meninggal dalam keadaan lemas,
  • Karbon dioksida yang berlebihan harus dibuang dari udara. Jika konsentrasi karbon dioksida ini bertambah, maka dapat menjadi sumber racun,
  • Uap air yang dihasilkan saat mengeluarkan nafas harus dibuang.

Kebutuhan oksigen dapat dipenuhi baik berasal dari tangki bertekanan, dari generator oksigen (misalnya dengan melakukan elektrolisis terhadap air), atau dari suatu “kaleng oksigen” yang akan melepaskan oksigen melalui reaksi kimia yang sangat panas. Oksigen dilepaskan ke udara secara kontinu melalui sebuah sistem terkomputerisasi yang dapat mendeteksi persentase kandungan oksigen dalam udara, atau dilepaskan dalam jumlah tertentu secara periodik sepanjang hari.

Karbon dioksida dapat dibuang secara kimiawi dengan menggunakan kapur soda (sodium hidroksida dan kalsium hidroksida) dalam sebuah alat yang disebut scrubber. Karbon dioksida ditangkap dalam soda kapur melalui reaksi kimia tertentu dan dibuang dari udara. Uap air dari pernapasan juga dibuang melalui reaksi kimiawi atau dengan menggunakan sebuah alat pengontrol kelembaban.

Selain itu, gas-gas lainnya seperti karbon monoksida atau hidrogen, yang dihasilkan oleh peralatan yang mengeluarkan asap dan rokok, dapat dibuang dengan menggunakan pembakar. Terakhir, penyaring udara digunakan untuk menghilangkan bakteri-bakteri, kotoran dan debu dari udara.

Suplai air segar bersih


Keperluan air bersih dalam kapal selam diperoleh dari proses penyulingan air laut. Hampir semua kapal selam memiliki peralatan distilasi yang dapat mengambil air laut dan menyulingnya menjadi air segar. Peralatan distilasi memanaskan air laut menjadi uap air, yang akan menghilangkan kandungan garamnya, dan kemudian mendinginkan uap air tersebut ke dalam tangki penampungan air segar. Alat distilasi kapal selam dapat menghasilkan 10.000 sampai 40.000 galon air bersih per harinya. Air ini utamanya digunakan untuk mendinginkan peralatan elektronik (seperti komputer dan perlengkapan navigasi) serta untuk keperluan awak kapal (misalnya untuk minum, memasak, dan kebersihan pribadi).

Menjaga temperatur


Temperatur lautan di sekeliling kapal selam umumnya sebesar 39 derajat Fahrenheit (4 derajat selsius). Dinding-dinding kapal selam yang terbuat dari logam akan menghantarkan panas internal ke luar kapal selam atau ke air di sekitarnya melalui proses konduksi. Dengan demikian, untuk menjaga agar temperatur ruangan tetap nyaman bagi awak kapal, digunakan pemanas listrik. Daya listrik untuk pemanasan ini dapat berasal dari reaktor nuklir, mesin disel, atau baterai (biasanya untuk keadaan darurat).

Sumber tenaga kapal selam


Kapal selam menggunakan reaktor nuklir, tubin uap, dan roda gigi untuk mengendalikan arah propeler utama yang akan memberikan dorongan ke depan atau ke belakang dalam air. Selain itu, kapal selam juga membutuhkan daya listrik untuk mengoperasikan peralatan yang ada di ruang utama. Untuk memenuhi kebutuhan energi ini, kapal selam memiliki mesin disel yang menggunakan bahan bakar dan atau reaktor nuklir yang menggunakan proses fisi inti. Selain itu, kapal selam juga memiliki sejumlah baterai untuk menyuplai kebutuhan listrik ini. Peralatan yang membutuhkan listrik dalam kapal selam sering kali kehabisan daya listrik dari baterai sehingga daya listrik dari mesin disel atau reaktor nuklir harus digunakan untuk mengisi ulang baterai tersebut. Dalam kondisi darurat, baterai biasanya merupakan satu-satunya sumber energi listrik untuk menjalankan kapal selam.

Kapal selam dengan mesin disel merupakan sebuah contoh jenis kendaraan hibrid. Hampir semua kapal selam disel memiliki dua atau lebih mesin disel. Mesin disel ini dapat menjalankan propeler atau dapat menjalankan generator yang mengisi ulang baterai yang sangat besar. Mesin disel ini juga dapat bekerja secara kombinasi, yakni satu mesin disel mengendalikan propeler dan mesin disel lainnya mengendalikan generator.

Kapal selam harus berada di permukaan untuk dapat menjalankan mesin disel. Saat baterai telah terisi penuh, kapal dapat menyelam kembali ke dalam air. Motor listrik bertenaga baterai bertugas menggerakkan propeler. Kinerja dari baterai inilah sebenarnya yang menentukan kemampuan menyelam kapal selam disel. Keterbatasan teknologi baterai ini yang membatasi berapa lama sebuah kapal selam bermesin disel dapat berada di bawah air. Karena keterbatasan baterai ini, maka dikembangkanlah sumber energi nuklir yang jelas memberikan keuntungan yang besar mengingat generator energi ini tidak membutuhkan oksigen. Dengan demikian, kapal selam bertenaga nuklir dapat tinggal lebih lama lagi di bawah permukaan air.

Navigasi


kru pesawat sedang mengontrol sistem sonar
Salah satu komponen penting bagi kapal, termasuk kapal selam adalah sistem navigasi. Di bawah permukaan laut yang dalam, cahaya tidak dapat masuk. Kapal selam yang berada di bawah laut betul-betul buta. Karena itu kapal selam dilengkapi dengan peta navigasi dan perlengkapan navigasi yang canggih. Ketika berada di permukaan laut, sebuah GPS yang canggih dapat menentukan dengan akurat posisi latitud dan longitud. Tetapi GPS ini tidak dapat bekerja saat berada di dasar laut.

Di dasar lautan, kapal selam akan menggunakan sistem navigasi yang disebut navigasi sistem panduan inersial yang akan menjaga lintasan gerak kapal terhadap sebuah titik tetap. Sistem navigasi ini menggunakan giroskop. Sistem navigasi panduan inersial hanya akurat selama 150 jam operasi. Setelah itu harus dikalibrasi kembali dengan menggunakan sistem navigasi yang bergantung permukaan (misalnya GPS, radio, radar, satelit). Dengan menggunakan sistem-sistem ini, sebuah kapal selam dapat dikendalikan secara presisi.

Untuk menentukan sebuah target, kapal selam menggunakan sistem SONAR (sound navigation and ranging) baik aktif maupun pasif. Sonar aktif memancarkan pulsa-pulsa gelombang suara yang merambat di dalam air, yang kemudian dipantulkan oleh objek target, dan kembali ke kapal. Dengan mengetahui kecepatan rambat suara di air dan durasi waktu waktu tempuh bolak-balik gelombang suara tersebut, komputer dapat dengan cepat menghitung jarak antara kapal dengan target. Sistem SONAR ini menyerupai teknik yang digunakan hewan-hewan tertentu seperti lumba-lumba dan kelelawar untuk berkomunikasi. Sedangkan SONAR pasif semata-mata hanya “mendengarkan” suara yang dibangkitkan oleh target. Sistem SONAR juga dapat digunakan untuk mengatur ulang sistem navigasi inersial dengan mengidentifikasi karakteristik dasar lautan yang telah diketahui.

Oleh: Marshall Brain dan Craig Freudenrich, Ph.D
www.howstuffworks.com

02 Mei 2017

Proses Fotosintesis dalam Material

Guru besar kimia di University of Central Florida menemukan cara untuk memicu proses fotosintesis pada sebuah material sintesis yang dapat mengubah gas-gas rumah kaca menjadi udara yang bersih dan menghasilkan energi pada proses konversi tersebut. Cara ini sangat potensial dalam menghasilkan teknologi yang secara signifikan dapat mengurangi jumlah gas rumah kaca yang erat kaitannya dengan perubahan iklim, sekaligus juga menghasilkan energi yang ramah lingkungan.

Uribe-Romo, guru besar di UCF, menemukan cara memicu proses fotosintesis pada material sintesis
Uribe-Romo, guru besar di UCF, menemukan cara memicu proses fotosintesis pada material sintesis 
(sumber gambar: UCF Today)

Uribe-Romo, guru besar di University of Central Florida (UCF) bersama tim penelitiannya menemukan cara tersebut dalam material sintesis yang disebut metal-organic frameworks (MOF) yang dapat memecah karbon dioksida menjadi material organik yang tidak berbahaya. Bandingkan hal ini sebagai proses fotosintesis buatan yang sama dengan proses fotosintesis yang dilakukan oleh tumbuhan, yaitu mengubah karbon dioksida (CO2) dengan menggunakan cahaya matahari menjadi makanan. Tetapi dalam penelitian Uribe-Romo ini, bukannya menghasilkan makanan, tetapi menghasilkan energi yang berasal dari matahari.

Proses ini sebenarnya telah lama dipelajari dan telah berupaya diwujudkan oleh ilmuwan di seluruh dunia, tetapi terkendala pada bagaimana agar pemicu proses kimiawi itu dipicu oleh cahaya tampak. Selama ini diketahui bahwa sinar ultraviolet memiliki energi yang cukup untuk memungkinkan terjadinya reaksi pada material yang umum seperti titanium oksida. Sayangnya, sinar ultraviolet hanya 4% dari cahaya matahari yang mencapai bumi.

Ads by Google
Cahaya tampak —dari warna ungu hingga merah— adalah spektrum yang paling dominan dalam sinar matahari. Sehingga spektrum cahaya ini yang diupayakan untuk dapat menjadi pemicu proses fotosintesis buatan tersebut. Namun, hanya sedikit material yang mampu menyerap energi ini untuk dapat menyebabkan terjadinya reaksi kimiawi mengubah CO2 menjadi energi. Para peneliti telah mencobanya dengan berbagai jenis material, tetapi material yang dapat memenuhi sangat sedikit dan mahal seperti platinium, rhenium, dan iridium. Akibatnya proses ini sangat menguras biaya.

Pada akhirnya Uribe-Romo menggunakan titanium, logam tak beracun yang umum, dan menambahkan molekul-molekul organik yang bertindak sebagai antena pengumpul cahaya, untuk mengamati apakah proses ini dapat bekerja. Molekul yang digunakan sebagai antena pengumpul cahaya, yang disebut N-alkil-2-aminoterephthalates, dapat diatur untuk menyerap cahaya tertentu jika digabungkan dengan MOF. Dalam penelitian yang dilakukannya, Uribe-Romo mengatur antena ini untuk cahaya biru.

Bersama dengan timnya, Uribe-Romo menggunakan fotoreaktor (reaktor cahaya) untuk menguji hipotesis ini. Sejumlah karbon dioksida dengan jumlah yang terukur dialirkan secara perlahan ke fotoreaktor —fotoreaktor ini secara fisis berupa tabung silinder yang menyala biru yang tampak seperti sebuah tempat penyamakan— untuk melihat apakah terjadi reaksi terhadap karbon dioksida tersebut. Pendaran sinar biru dalam fotoreaktor ini berasal dari strip lampu LED biru dalam tabung silinder dan merupakan tiruan dari panjang gelombang biru sinar matahari.

Hasil yang diperoleh sesuai dengan hipotesis mereka. Terjadi reaksi kimia dimana CO2 diubah menjadi bentuk karbon tereduksi, format dan formamida, pada saat terjadinya proses pembersihan udara ini.

Menurut Uribe-Romo, sasaran selanjutnya dari penelitian yang telah dilakukannya tersebut adalah melanjutkan dan mengembangkan pendekatan yang telah digunakannya agar dapat dihasilkan jumlah karbon tereduksi yang lebih banyak sehingga lebih efisien. Uribe-Romo ingin melihat jika panjang gelombang cahaya tampak yang lainnya, selain warna biru yang digunakannya, juga dapat memicu reaksi kimia seperti ini. Caranya dengan melakukan pengaturan pada material sintesis. Jika hal tersebut berhasil, maka proses ini akan menjadi teknik yang sangat penting dalam mengurangi gas-gas rumah kaca.

“Ideanya adalah membangun stasiun yang akan menangkap sejumlah besar CO2, di dekat sebuah pembangkit energi. Gas-gas kemudian diisap ke stasiun tersebut dan pada saat proses pembersihan dan daur ulang gas-gas rumah kaca akan dihasilkan energi yang akan dikembalikan sebagai sumber energi pada pembangkit energi itu.”, urai Uribe.

Jika semua hal tersebut berhasil dikembangkan dan diproduksi, bukan tidak mungkin jika suatu hari nanti pemilik rumah dapat membeli atap rumah yang terbuat dari material seperti ini sehingga mereka dapat mengubah udara di sekitarnya sambil menghasilkan energi yang dapat digunakan untuk kebutuhan energi rumah tangganya.

Hal ini bukan hal yang mustahil untuk diwujudkan, tetapi jelas membutuhkan teknologi baru dan infrastruktur, tandas Uribe-Romo.

Nah, ada yang ingin berkontribusi dalam mengembangkan penelitian ini?

Penjelasan tentang proses ini dapat dilihat di kanal Youtube: Proses Fotosintesis dalam Material

Sumber: Science Daily

26 Februari 2017

J. J. Thompson : Penerima Nobel Fisika 1906

John Joseph Thompson, atau J. J. Thomson dilahirkan di Bukit Cheetham, sebuah daerah di Manchester pada tanggal 18 Desember 1856. Pada tahun 1870, Thomson terdaftar sebagai pelajar di Owens College, Manchester, lalu pada tahun 1876 masuk di Trinity College, Cambridge sebagai seorang siswa minor. Thomson menjadi mahasiswa di Trinity College pada tahun 1880, saat dia menjadi seorang Wrangler tingkat dua (seorang Wrangler adalah siswa yang memperoleh penghargaan tingkat pertama pada tahun ketiga di jurusan matematika Universitas Cambridge) serta penghargaan Smith’s Prizeman kedua (Smith’s Prizeman merupakan penghargaan yang diberikan kepada dua orang mahasiswa peneliti dalam bidang matematika dan fisika teoritis di Universitas Cambridge).

J. J. Thompson menjadi anggota dari College tersebut sepanjang hayatnya, menjadi dosen pada tahun 1883, dan menjadi Master (pimpinan College) pada tahun 1918.

Thomson adalah seorang profesor dalam bidang eksperimen di Laboratorium Cavendish Cambridge, dan penerus dari Lord Rayleigh, mulai dari tahun 1884 sampai tahun 1918 kemudian menjadi profesor kehormatan Fisika di Cambridge dan Royal Institution, London.
Minat awal Thomson pada struktur atomik tercermin pada tulisannya yang berjudul Treatise on Motion of Vortex Rings. Tulisan ini memenangkan penghargaan Adam Prize, sebuah penghargaan paling bergengsi di Universitas Cambridge, pada tahun 1884. Tulisannya yang lain dengan judul Application Dynamics to Physics and Chemistry muncul pada tahun 1886, dan pada tahun 1892, Thomson kembali menerbitkan tulisan dengan judul Notes on Recent Researches in Electricity and Magnetism. Tulisan ini mencakup hasil-hasil penelitian yang telah diperoleh ilmuwan sejak terbitnya “risalah” James Clerk Maxwell yang terkenal. Tulisan Thompson ini sering disebut sebagai “volume ketiga Maxwell”.

J. J. Thomson pernah bekerja sama dengan Profesor J. H. Poynting dalam menulis sebuah buku teks Fisika volume ke empat yang berjudul Properties of Matter. Pada tahun 1895 Thomson menulis Elements of Mathematical Theory of Electricity and Magnetism, edisi ke lima yang terbit tahun 1921.

Pada tahun 1896, Thomson mengunjungi Amerika untuk memberikan kuliah yang terdiri atas lima seri, di Princeton. Seri kuliah ini merangkum penelitian-penelitian terbaru yang dilakuakannya. Seri kuliah ini secara berturut-turut dipublikasikan dalam buku berjudul Discharge of Electricity through Gases (1897).

Sekembalinya dari Amerika, J. J. Thomson akhirnya meraih hasil dari pekerjaannya yang paling brilian selama hidupnya, yaitu sebuah studi orisinal tentang sinar katode yang berujung pada penemuan elektron, yang diumumkannya pada salah satu perkuliahan sorenya di Royal Institution pada hari Jum’at, tanggal 30 April 1897. Bukunya yang berjudul, Conduction of Electricity through Gases, diterbitkan pada tahun 1903, yang digambarkan oleh Lord Rayleigh sebagai review hari-hari luar biasa Thomson di laboratorium Cavendish. Edisi selanjutnya dari buku ini, yang ditulis kolaborasi dengan putranya, George, muncul dalam dua volume (1928 dan 1933).

Ads by Google

Tahun 1904, Thomson kembali ke Amerika untuk membawakan enam seri kuliah tentang kelistrikan dan materi di Yale University. Seri kuliah ini berisi beberapa saran-saran penting mengenai struktur atom. Thomson menemukan sebuah metode untuk memisahkan jenis atom dan molekul yang berbeda-beda dengan menggunakan sinar positif, sebuah ide yang kemudian dikembangkan oleh Aston, Dempster, dan yang lainnya yang akhirnya mengarah pada penemuan banyak isotop. Sebagai tambahan dari apa yang telah disebutkan, Thomson juga menulis sejumlah buku di antaranya: The Structure of Light (1907), The Corpuscular Theory of Matter (1907), Rays of Positive Electricity (1913), The Electron in Chemistry (1923) dan autobiografinya, Recollections and Reflection (1936), di antara publikasi-publikasi lainnya.

Thomson juga adalah seorang penerima medali Merit yang dianugerahkan pada tahun 1908. Seorang anggota terpilih pada Royal Society pada tahun 1884 dan menjadi presiden selama tahun 1916-1920. Thomson juga menerima medali Royal dan Hughes pada tahun 1894 dan 1902; Medali Franklin dan Medali Scott (Philadelphia), pada tahun 1923; medali Mascart (Paris) pada tahun 1927, Medali Dalton (Manchester) tahun 1931, dan Medali Faraday (Institute of Civil Engineers) pada tahun 1938. Thomson adalah Presiden British Association pada tahun 1909 (dan merupakan ketua seksi A pada tahun 1896 dan 1931) serta penerima gelar doktor honoris dari Universitas Oxford, Dublin, London, Victoria, Columbia, Cambridge, Durham, Birmingham, Gottingen, Leeds, Oslo, Sorbonne, Edinburgh, Reading, Princeton, Glasgow, John Hopkins, Aberdeen, Athens, Cracow dan Philadelphia.

Pada tahun 1890, J. J. Thomson menikah dengan Rose Elisabeth, puteri dari Sir George E. Paget, K. C. B. Dari pernikahan ini, Thomson memiliki seorang putera, bernama Sir George Paget Thomson, seorang profesor Emeritus di London University, yang juga menerima hadiah nobel fisika pada tahun 1937; serta seorang puteri.

J. J. Thomson meninggal dunia pada tanggal 30 Agustus 1940.

Sumber: "The Nobel Prize in Physics 1906". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 25 Feb 2017.

10 November 2016

Nobel Fisika 2016: FENOMENA ASING DI JAGAD MATERI DATAR

Penghargaan Nobel dalam bidang fisika pada tahun 2016 ini diberikan kepada tiga fisikawan: David J. Thouless dari University of Washington, Seattle; F. Duncan M. Haldane dari Princeton University, serta J. Michael Kosterlitz, dari Brown University Providence. Penghargaan nobel diberikan atas penelitian mereka tentang sebuah dunia yang asing, yaitu dunia dimana materi muncul dengan keadaan yang aneh. Penemuan mereka telah membawa terobosan baru dalam pemahaman teoritis tentang misteri materi dan menghasilkan perspektif baru tentang pengembangan material inovatif.

Apa yang telah dilakukan oleh para ilmuwan ini sehingga diberi penghargaan paling bergengsi dalam dunia akademik ini?

David Thouless, Duncan Haldane, dan Michael Kosterlitz memanfaatkan metode matematika lanjut, dengan menggunakan konsep topologi, dalam menjelaskan fenomena aneh pada fase (keadaan) yang tidak lazim dari materi seperti superkonduktor, superfluida, atau pun lapisan magnetik tipis. Kosterlitz dan Thouless mempelajari fenomena yang muncul dalam sebuah dunia yang datar –yaitu pada bagian permukaan atau bagian paling dalam dari lapisan tipis yang dapat dianggap hanya memiliki dua dimensi. Sedangkan Haldane mempelajari materi yang berbentuk benang yang sangat tipis, sedemikian tipisnya sehingga dapat dianggap sebagai benda satu dimensi.

Hukum fisika dalam dunia datar seperti yang mereka teliti, sangat berbeda dengan apa yang kita sadari dari dunia di sekitar kita, yaitu dunia berdimensi ruang-3. Meskipun sangat tipis, materi yang terdistribusi dalam dunia itu tetap mengandung jutaan atom, dan meskipun tiap-tiap perilaku atom dapat dijelaskan dengan menggunakan fisika kuantum, atom-atom dalam dunia itu rupanya menunjukkan karakteristik yang sangat berbeda jika mereka bergabung. Sedikit demi sedikit, fenomena baru yang muncul akibat bergabungnya atom-atom ini ditemukan dalam jagat dunia datar tersebut.

Penggunaan konsep topologi dalam fisika yang telah dilakukan oleh ketiga pemenang nobel fisika tahun 2016 ini sangat berperan dalam temuan mereka. Topologi adalah salah satu cabang dari matematika yang menggambarkan karakteristik atau properti yang berubah secara bertahap. Dengan topologi modern sebagai alat, para nobelis fisika ini memberikan hasil yang mengejutkan, yang membuka bidang penelitian baru dan akan membawa pada lahirnya konsep-konsep baru yang penting dalam beberapa bidang fisika.

Fisika Kuantum Teramati pada Temperatur Rendah


Pada skala yang sangat renik, semua materi mengikuti hukum-hukum fisika kuantum. Gas, cairan, dan padatan adalah fase materi yang sudah kita kenali. Pada fase-fase materi ini, gejala kuantum tidak tampak oleh kita karena tertutupi oleh gerakan-gerakan atomik material yang bersifat acak. Tetapi pada kondisi yang sangat dingin, mendekati nilai nol mutlak, (-273 derajat selsius) materi akan membentuk fase baru yang asing dan berperilaku dengan cara yang tak terduga. Dalam kondisi ini, fenomena fisika kuantum, yang berlaku pada dunia sangat renik, yang awalnya tidak tampak tiba-tiba dapat terlihat.
Fase materi yang kita ketahui adalah gas, cair, dan padat.


Fase-fase materi yang sudah kita kenali, seperti padat, cair, dan gas, juga akan mengalami transisi dari satu fase ke fase lain jika terjadi perubahan temperatur. Sebagai contoh, transisi fase akan terjadi jika es, yang terdiri atas kristal-kristal yang tersusun secara teratur, dipanaskan dan mencair menjadi air, yang merupakan sebuah fase yang keteraturannya lebih rendah dibandingkan dengan es. Ketika kita melongok ke dalam dunia datar materi, dengan pengetahuan kita yang masih terbatas tentang dunia tersebut, kita akan menemukan adanya fase lain materi yang belum sepenuhnya kita jelajahi.

Banyak hal-hal yang aneh yang dapat terjadi pada kondisi temperatur rendah. Sebagai contoh, hambatan yang selalu dialami oleh semua partikel yang bergerak pada kondisi temperatur yang rendah akan tiba-tiba hilang. Misalnya pada apa yang dialami oleh aliran arus listrik yang tidak merasakan hambatan dalam bahan superkonduktor, atau saat sebuah vorteks (pusaran) dalam superfluida dapat berputar terus menerus tanpa mengalami penurunan laju.

Orang pertama yang mempelajari secara sistematis tentang superfluida ini adalah seorang Rusia bernama Pyotr Kapitsa pada tahun 1930. Kapitsa mendinginkan helium-4, yang dapat ditemukan di udara, pada temperatur -271 derajat selsius dan menemukan bahwa helium-4 ini bergerak ke atas di sepanjang sisi wadahnya. Dengan kata lain, helium-4 ini berperilaku seolah-olah superfluida yang viskositasnya tiba-tiba hilang. Atas fenomena aneh ini, Kapitsa kemudian dianugerahi nobel fisika pada tahun 1978. Semenjak itu beberapa jenis superfluida telah berhasil dibuat dalam laboratorium. Superfluida helium, lapisan tipis atau superkonduktor, lapisan tipis material magnetik dan benang nano konduktif elektris merupakan beberapa dari fase material baru yang sekarang ini sedang diteliti secara intensif.

Solusi oleh Pasangan Vorteks


Ads by Google

Para peneliti telah lama mempercayai bahwa fluktuasi termal akan menghancurkan semua tatanan dalam materi menjadi bentuk yang datar, dunia dimensi dua, bahkan pada temperatur nol mutlak. Jika tidak terdapat fase yang teratur, tidak akan ada transisi fase. Tetapi di awal tahun 1970-an, David Thouless dan Michael Kosterlitz yang bertemu di Birmingham, Inggris Raya, sama-sama tertantang untuk menemukan teori seperti yang yang telah berkembang sekarang. Mereka mempelajari dan menganalisis masalah transisi fase dalam dunia datar ini. Kolaborasi keduanya akhirnya menghasilkan sebuah teori yang memberikan pemahaman yang benar-benar baru tentang transisi fase. Bahkan pemahaman ini dianggap sebagai satu dari penemuan paling penting pada abad ke dua puluh ini dalam bidang fisika zat padat. Teori ini disebut transisi KT ( transisi Kosterlitz-Thouless) atau transisi BKT (huruf B untuk Vadim Berezinskii), mendiang fisikawan teoritis dari Moskow yang mengemukakan ide yang sama.

Transisi fase topologis bukanlah transisi fase biasa, seperti pada transisi fase antara es ke air. Dalam transisi fase topologis, yang berperan penting dalam proses ini adalah adanya vorteks (pusaran) kecil pada material datar. Pada temperatur yang rendah vorteks ini terjadi secara berpasangan. Saat temperatur dinaikkan, terjadilah transisi fase, yaitu vorteks-vorteks tersebut tiba-tiba bergerak saling menjauh satu sama lain dan mengarungi material secara acak.


Hal yang menakjubkan dari teori ini adalah teori ini rupanya dapat digunakan untuk jenis material yang berbeda-beda dalam dimensi yang rendah, dengan kata lain, transisi KT bersifat universal. Teori ini menjadi alat yang bermanfaat, tidak hanya dapat diterapkan dalam dunia materi zat padat, tetapi juga dalam bidang fisika lainnya, seperti fisika atomik atau mekanika statistik. Teori di balik transisi KT juga telah dikembangkan baik oleh pencetusnya maupun ahli fisika lainnya, serta juga telah terkonfirmasi secara eksperimen.

Lipatan Kuantum yang Misterius


Perkembangan eksperimental akhirnya menghasilkan sejumlah fase materi baru yang memerlukan penjelasan. Pada tahun 1980-an, David Thouless dan Duncan Haldane menyajikan landasan kerja teoritis baru yang menantang teori sebelumnya, yang salah satunya adalah teori mekanika kuantum untuk menentukan material apa yang dapat menghantarkan listrik. Teori ini awalnya dikembangkan pada tahun 1930-an, dan setelah beberapa dekade kemudian, bidang ini dianggap telah dipahami dengan baik.

Namun, tiba-tiba sebuah kejutan terjadi pada tahun 1983. David Thouless membuktikan bahwa gambaran tentang fase-fase materi sebelumnya belumlah lengkap, dan pada temperatur yang rendah dan medan magnetik yang kuat, dibutuhkan sebuah jenis teori yang baru dimana dalam teori tersebut konsep topologi adalah sesuatu yang penting. Pada waktu yang sama, Duncan Haldane juga sampai pada kesimpulan yang serupa, kesimpulan yang ttidak diharapkan, saat menganalisis rantai atomik magnetik. Hasil kerja mereka telah menjadi instrumen dalam rentetan pengembangan yang dramatis teori fase baru materi.

Fenomena misterius yang digambarkan oleh David Thouless secara teoritis, dengan menggunakan topologi, adalah efek Hall kuantum. Efek ini ditemukan oleh fisikawan Jerman Klaus von Klitzing pada tahun 1980, dan dianugerahi penghargaan nobel fisika pada tahun 1985. Thouless mempelajari lapisan konduksi tipis yang diapit oleh dua lapisan semikonduktor, dimana elektron didinginkan sampai beberapa derajat di atas nol mutlak dan diberi medan magnetik yang kuat.

Dalam fisika, bukanlah hal aneh jika terjadi sesuatu secara drastis saat temperatur diturunkan; misalnya, dalam kondisi temperatur yang rendah banyak material akan menjadi bersifat magnetik. Hal ini terjadi karena semua magnet-magnet atom kecil dalam material tiba-tiba sama-sama menunjuk ke arah yang sama, sehingga medan magnetiknya menguat, dan juga dapat diukur.

Namun demikian, efek Hall kuantum lebih sulit untuk dipahami; konduktansi listrik pada lapisan kelihatannya hanya dapat dianggap memiliki nilai tertentu, yang sangat presisi. Hal ini sangat tidak lazim dalam fisika. Hasil pengukuran akan memberikan hasil yang tepat sama meskipun temperatur, medan magnetik atau jumlah ketidakmunian dalam semikonduktor bervariasi. Apabila medan magnetik sedikit berubah, konduktansi lapisan juga berubah, tetapi hanya dalam satu tahap; mengurangi kekuatan medan magnetik menyebabkan konduktansi listrik pertama kali akan dua kali lebih besar, kemudian menjadi tiga kali, empat kali, dan seterusnya. Kelipatan bulat ini tidak dapat dijelaskan oleh teori fisika yang dikenal pada saat itu, tetapi David Thouless menemukan solusi terhadap hal ini dengan menggunakan topologi.

Topologi Jawabannya


Topologi menggambarkan sifat-sifat yang tetap utuh ketika sebuah benda diregangkan, dipelintir, atau dideformasi, tetapi akan berubah jika dipisahkan. Secara topologis, sebuah bola dan sebuah mangkuk memiliki kategori yang sama, karena segumpal tanah lempung yang berbentuk bola dapat diubah menjadi mangkuk. Tetapi sebuah roti donat yang memiliki lubang di tengahnya dan sebuah cangkir kopi yang memiliki lubang di pegangannya memiliki kategori yang lain; keduanya juga dapat dimodel ulang untuk dapat membentuk roti atau cangkir. Objek topologis dengan demikian dapat mengandung satu lubang, dua lubang, tiga lubang, atau empat lubang, dan seterusnya, tetapi angka-angka ini harus dalam bentuk bilangan bulat. Hal ini kemudian bermanfaat dalam menggambarkan konduktansi listrik yang ditemukan dalam efek Hall kuantum, yang hanya berubah satu tahapan yang merupakan kelipatan dari bilangan bulat.



Pada efek Hall kuantum, elektron relatif bebas berpindah dalam lapisan antara semikonduktor dan membentuk sesuatu yang disebut cairan kuantum topologis. Dengan cara yang sama, sebuah karakteristik baru sering muncul jika banyak partikel-partikel yang bergabung, elektron-elektron dalam cairan kuantum topologis juga menunjukkan karakteristik yang menarik. Seperti halnya kita tidak dapat mengetahui apakah terdapat sebuah lubang di sebuah cangkir kopi hanya dengan melihat pada sebagian kecil cangkir tersebut, adalah tidak mungkin juga menentukan apakah elektron telah membentuk sebuah cairan kuantum topologis jika kita hanya mengamati apa yang terjadi pada sebagian dari elektron tersebut. Namun demikian, konduktansi menggambarkan gerak kolektif elektron dan, karena topologi, konduktansi ini memiliki nilai yang terkuantitasi. Karakteristik lain dari cairan kuantum topologis adalah bahwa batas cairan ini memiliki sifat yang tidak lazim. Hal ini telah diprediksi oleh teori dan telah terkonfirmasi secara eksperimen.

Momen penting lain terjadi pada tahun 1988, tatkala Duncan Haldane menemukan bahwa cairan kuantum topologis, seperti halnya pada efek Hall kuantum, dapat terbentuk dalam lapisan semikonduktor tipis walaupun tidak terdapat medan magnetik. Haldane mengatakan bahwa dia tidak pernah memimpikan model teoritisnya akan terbukti secara eksperimental tetapi, sekitar tahun 2014, model ini tervalidasi dalam sebuah eksperimen yang menggunakan atom yang didinginkan hingga temperaturnya hampir mencapai nol mutlak.

Topologi Material baru dalam pipa


Dari hasil pekerjaan yang dilakukannya, sejak tahun 1982, Duncan Haldane telah memberikan sebuah prediksi yang mengejutkan bahkan oleh fisikawan yang ahli di bidangnya sekalipun. Dalam studi teoritis tentang rantai atom magnetik yang terjadi dalam beberapa material, Haldane menemukan bahwa rantai-rantai tersebut memiliki karakteristik yang berbeda secara mendasar bergantung pada karakter magnet atomiknya. Dalam fisika kuantum terdapat dua jenis magnet atomik, yaitu magnetik atomik ganjil dan genap. Haldane mendemonstrasikan bahwa sebuah rantai yang terbentuk dari magnet genap akan bersifat topologis, sedangkan rantai magnet ganjil tidak. Seperti halnya cairan kuantum topologis, tidak mungkin untuk menentukan apakah sebuah rantai atomik bersifat topologis atau tidak hanya dengan menganalisis sebagian kecil dari rantai atomik tersebut. Dan, seperti pada cairan kuantum, karakteristik topologis tersebut mengungkap dirinya sendiri di pinggir-pinggir rantai atomik. Dalam hal ini, pinggir-pinggir tersebut adalah di ujung-ujung rantai karena karakteristik kuantum diketahui sebagai spin setengah di ujung-ujung sebuah rantai topologis.

Pada awalnya tidak seorang pun yang memercayai penalaran Haldane tentang rantai atomik ini; para peneliti sangat yakin bahwa mereka telah memahaminya. Tetapi kemudian Haldane menemukan contoh pertama dari jenis topologi material yang baru, yang sekarang menjadi bidang penelitian yang hidup dalam fisika zat padat.

Baik cairan Hall kuantum maupun rantai atomik magnetik merupakan bagian dari kelompok baru keadaan topologis ini. Belakangan, para peneliti menemukan beberapa keadaan topologis materi lainnya yang tidak terduga, bukan hanya dalam bentuk rantai, atau lapisan tipis, tetapi juga dalam material tiga dimensi yang biasa.

Isolator topologis, superkonduktor topologis, dan logam topologis sekarang ini sedang hangat dibincangkan. Kita menaruh harapan bahwa material topologis ini akan bermanfaat untuk menghasilkan generasi baru elektronika dan superkonduktor, atau pada komputer kuantum di masa depan.

Selamat kepada penerima anugerah Nobel fisika 2016!

sumber: Laman the Royal Swedish Academy of Sciences, http://kva.se



07 Oktober 2015

Nobel Fisika 2015: Neutrino yang Bermetamorfosis

Sedikit demi sedikit teka teki tentang si partikel hantu “neutrino” mulai terungkap dan membuka fakta baru dalam fisika partikel. Tahun 2015 ini, nobel fisika dianugerahkan kepada seorang fisikawan Jepang, Takaaki Kajita dan seorang fisikawan dari Kanada, Arthur B. McDonald, keduanya adalah ilmuwan kunci di dua kelompok penelitian besar, Super-Kamiokande di Jepang dan Sudbury Neutrino Observatory, yang telah menemukan bahwa dalam perjalanannya menuju bumi, neutrino ternyata mengalami metamorfosis (berubah identitas menjadi neutrino bentuk lain).

tiga jenis neutrino yang dapat saling bermetamorfosis satu sama lain
Perburuan neutrino telah dimulai jauh di kedalaman bumi di tengah-tengah fasilitas berupa ribuan mata buatan yang menunggu saat yang tepat untuk menyingkap rahasia tentang neutrino. Pada tahun 1998, Takaaki Kajita menyampaikan temuan bahwa neutrino nampaknya mengalami metamorfosa. Neutrino bertukar identitas ketika masih dalam perjalanan menuju detektor Super-Kamiokande di Jepang. Neutrino yang tertangkap di detektor tersebut tercipta melalui reaksi antara sinar-sinar kosmik dan atmosfer bumi.

Di sisi lain belahan bumi, para ilmuwan di Sudbury Neutrino Observatory di Kanada, SNO, sedang meneliti neutrino yang berasal dari matahari. Pada tahun 2001, kelompok penelitian yang dipimpin oleh Arthur B. McDonald membuktikan persis seperti yang ditemukan di Super-Kamiokande, bahwa neutrino mengalami perubahan identitas.

Perubahan neutrino ini merupakan sebuah gejala yang baru teramati, dan disebut dengan osilasi neutrino. Kesimpulan yang sejauh ini diperoleh dari berbagai eksperimen mengenai gejala ini adalah bahwa neutrino, yang selama sekian waktu dianggap tidak bermassa, haruslah memiliki massa untuk memungkinkan terjadinya metamorfosa tersebut. Ini merupakan salah satu “batu fondasi pertama” bagi fisika partikel untuk dapat memahami alam semesta ini.

Si pahlawan yang jumlahnya melimpah


Kita hidup di dunia neutrino. Triliunan neutrino mengalir melewati tubuh-tubuh kita setiap detiknya. Hanya saja kita tidak dapat menginderanya, tak dapat melihat ataupun merasakannya. Neutrino berkelebat dengan cepat dalam ruang dengan kecepatan yang hampir sama dengan kelajuan cahaya sehingga sulit berinteraksi dengan materi.

Dari mana mereka berasal?


Beberapa di antaranya tercipta pada saat peristiwa Big Bang, sebagian tercipta secara teratur melalui pelbagai proses dalam ruang di bumi –dari peristiwa ledakan supernova, kematian bintang-bintang massif, hingga pada reaksi penumbuhan daya inti dan yang terjadi secara alami melalui peluruhan radioaktif. Bahkan bagian dalam tubuh kita secara rata-rata menghasilkan 5000 neutrino setiap detik jika sebuah isotop potasium meluruh. Umumnya neutrino-neutrino yang mencapai bumi merupakan neutrino yang berasal dari reaksi inti di bagian dalam matahari. Menempati urutan kedua setelah partikel cahaya, foton, neutrino merupakan partikel yang paling melimpah jumlahnya di jagat raya ini.

Ads by Google
Selama ini, kehadiran neutrino ini bahkan tidak pasti. Keberadaan partikel ini pertama kali dikemukakan oleh Wolfgang Pauli, sebagai upaya di ambang keputusasaannya untuk menjelaskan tentang kekekalan energi dalam peluruhan beta, salah satu jenis peluruhan radioaktif dalam inti atomik. Pada bulan Desember 1930, Pauli menulis sebuah surat ke sejawatnya yang disebutnya sebagai Tuan dan Nyonya Radioaktif. Dalam surat itu, Pauli menyarankan bahwa sejumlah energi dalam peluruhan radioaktif dibawa oleh sebuah partikel yang sangat ringan, berinteraksi sangat lemah, dan secara listrik bermuatan netral. Pauli sendiri sulit memercayai keberadaan partikel ini. Bahkan, Pauli mengatakan, “Saya telah melakukan sesuatu yang sangat buruk, saya telah mempostulatkan sebuah partikel yang tidak dapat dideteksi”.

Beberapa waktu kemudian, Enrico Fermi, berhasil mendemonstrasikan sebuah teori yang elegan yang mencakup sebuah partikel netral, sangat ringan ala Pauli. Partikel itu kemudian disebut neutrino. Tak seorang pun yang dapat memprediksi bahwa partikel kecil ini akan merevolusi baik fisika partikel maupun kosmologi.

Dibutuhkan waktu sekitar seperempat abad untuk dapat menemukan neutrino. Kesempatan itu datang di sekitar tahun 1950-an, ketika neutrino mulai mengalir dalam jumlah yang sangat banyak dari penumbuhan daya inti yang dibangun belakangan. Pada bulan Juli 1956, dua orang fisikawan Amerika, Frederick Reines dan Clyde Cowan mengirimkan sebuah telegram kepada Wolfgang Pauli yang mengabarkan bahwa neutrino-neutrino itu telah meninggalkan jejak di detektor mereka. Temuan tersebut menunjukkan bahwa hantu neutrino adalah sesuatu yang benar-benar nyata.

Trio yang Aneh


Nobel fisika tahun 2015 ini dianugerahkan terhadap penemuan yang memecahkan sebuah teka-teki tentang neutrino itu sendiri selama ini. Sejak tahun 1960an, secara teoritis fisikawan telah menghitung jumlah neutrino yang tercipta dalam reaksi inti pada proses yang menghasilkan cahaya matahari. Tetapi ketika pengukuran dilakukan di bumi, ternyata lebih dari 2/3 jumlah hasil hitungan tersebut menghilang.

Kemana neutrino-neutrino itu?


Apakah mungkin ada yang salah dengan perhitungan teoritis tersebut? Salah satu jawaban terhadap teka teki neutrino solar ini adalah neutrino mengalami pertukaran identitas. Menurut Model Standar fisika partikel ada tiga jenis neutrino, trio neutrino. Mereka adalah neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau. Tiap-tiap neutrino ini memiliki pasangan muatan masing-masing, elektron, dan dua muatan yang relatif lebih berat dan berusia singkat, yaitu muon dan tau.

Matahari hanya menghasilkan neutrino elektron. Tetapi jika mereka dapat bertransformasi menjadi neutrino muon atau neutrino tau dalam perjalanan menuju bumi, maka hal itu akan menyebabkan terjadinya kehilangan neutrino elektron dapat dipahami.

Perburuan neutrino bawah tanah


Spekulasi tentang perubahan identitas neutrino tetap menjadi spekulasi sampai sejumlah fasilitas yang lebih canggih dan lebih besar dilibatkan dalam perburuan neutrino. Siang malam neutrino diburu dengan menggunakan detektor dalam jumlah yang banyak yang ditempatkan jauh di kedalaman bumi, dengan maksud menghindari adanya derau dari radiasi kosmik yang berasal dari ruang serta dari peluruhan radioaktif spontan di sekitar. Ya, memang adalah hal yang sulit untuk memisahkan sejumlah sinyal neutrino yang sebenarnya dengan triliunan sinyal-sinyal palsu yang bukan berasal dari neutrino.

Tahun 1996, Super-Kamiokande dioperasikan dalam sebuah tambang seng 250 kilometer Barat Daya Tokyo, sedangkan Sudbury Neutrino Observatory, yang dibangun dalam sebuah tambang nikel di Ontario, mulai beroperasi pada tahun 1999. Secara bersama-sama, kedua laboratorium ini dapat menyingkap perilaku neutrino yang seperti bunglon, berubah-ubah wujud, penemuan yang diberi anugerah nobel pada tahun 2015 ini.

skema laboratorium neutrino Super-Kamiokande Jepang


Super-Kamiokande merupakan detektor raksasa yang dibangun 1000 meter di bawah permukaan bumi. Detektor ini terdiri atas sebuah tangki dengan tinggi dan lebar sebesar 40 m yang kemudian di isi dengan 50.000 ton air. Air ini sangat murni sehingga berkas cahaya dapat melewatinya sejauh 70 meter sebelum intensitasnya menjadi setengah dari nilai awalnya. Jika dibandingkan dengan air yang berada di kolam renang, cahaya hanya dapat menempuh beberapa meter sebelum intensitasnya tersisa separuhnya. Lebih dari 11000 detektor cahaya ditempatkan di bagian atas, samping, dan bagian bawah tangki dengan tugas untuk menemukan, memperkuat dan mengukur kelipan cahaya yang sangat lemah dalam air berkemurnian sangat tinggi.

Hampir semua neutrino masuk dan lewat di dalam tangki, tetapi kadang-kadang, sebuah neutrino bertumbukan dengan inti atomik atau sebuah elektron dalam air. Dalam peristiwa tumbukan ini partikel-partikel bermuatan terbentuk –muon terbentuk dari neutrino muon, dan elektron dari neutrino elektron. Di sekitar partikel-partikel bermuatan tersebut, kerlipan lemah sinar biru terbentuk. Kerlip cahaya ini disebut sinar Cherenkov, yang timbul jika sebuah partikel bergerak melebihi kelajuan cahaya. Hal ini tidak bertentangan dengan teori Relativitas Einstein yang mengatakan bahwa tidak ada yang bergerak lebih cepat dari cahaya dalam ruang vakum. Dalam air, cahaya diperlambat hingga nilainya 75% dari kelajuan maksimumnya, dan dapat “dikalahkan” oleh partikel bermuatan. Bentuk dan intensitas cahaya Cherenkov akan mengungkap jenis neutrino apa yang menjadi penyebabnya, dan dari mana asalnya.

Sebuah penyelesaian teka-teki


Selama dua tahun pertama operasinya, Super-Kamiokande memproses sekitar 5000 sinyal neutrino. Jumlah ini sangat banyak dibandingkan dengan eksperimen sebelumnya, tetapi masih sedikit dibandingkan dengan apa yang diharapkan berdasarkan penaksiran fisikawan mengenai jumlah neutrino yang dihasilkan oleh radiasi kosmik. Partikel radiasi kosmik berasal dari segala arah dalam ruang dan pada saat partikel-partikel berkelajuan penuh tersebut bertumbukan dengan dengan molekul-molekul pada atmosfer bumi, guyuran neutrino pun tercipta.

Super-Kamiokande menangkap neutrino muon yang datang dari atmosfer di atasnya, termasuk yang menumbuk detektor dari arah bawah setelah melintasi bola bumi secara penuh. Seharusnya terdapat jumlah neutrino yang sama dari kedua arah tersebut; bumi tidak mengandung bahan-bahan yang dapat merintangi partikel-partikel tersebut. Namun demikian, neutrino muon yang langsung bergerak ke bawah menumbuk detektor Super-Kamiokande jumlahnya jauh lebih banyak dibandingkan dengan neutrino muon yang bergerak melalui bola bumi.

Hal ini mengindikasikan bahwa neutrino muon yang bergerak lebih lama memiliki waktu untuk melakukan pertukaran identitas, yang tidak tidak terjadi pada neutrino muon yang bergerak langsung ke bawah dari arah atas dan hanya menempuh beberapa puluh kilometer saja. Jika jumlah neutrino elektron yang berasal dari arah-arah yang berlawanan sesuai dengan yang diharapkan, neutrino muon pasti telah berubah menjadi neutrino jenis ketiga yaitu neutrino tau. Namun demikian, hal ini tidak dapat terdeteksi di detektor Super-Kamiokande.

Keping teka-teki yang menentukan ini ada di Sudbury Neutrino Observatory (SNO) ketika kelompok ilmuwan di tempat tersebut melakukan pengukuran neutrino yang berasal dari matahari dan terdeteksi di bumi. Proses inti di matahari hanya menghasilkan neutrino elektron. Dua kilometer di bawah permukaan bumi neutrino elektron yang melimpah terdeteksi oleh 9500 detektor cahaya dalam sebuah tangki yang berisi 1000 ton air berat. Air berat ini berbeda dengan air yang biasa karena pada tiap-tiap atom hidrogen dalam molekul air ini memiliki sebuah neutron tambahan dalam intinya, sehingga membentuk isotop hidrogen deuterium.

Inti deuterium memberikan peluang tambahan kepada neutrino untuk bertumbukan dengan detektor. Pada beberapa reaksi hanya jumlah neutrino elektron yang dapat ditentukan, sementara yang lainnya memberi jalan kepada ilmuwan untuk mengukur ketiga jenis neutrino tersebut secara bersamaan, tanpa membedakan jenis-jenis neutrino tersebut satu sama lain.

Karena hanya neutrino elektron dari matahari yang dianggap sampai di bumi, maka kedua cara pengukuran neutrino tersebut di atas seharusnya memberikan hasil yang sama. Dengan demikian, jika neutrino elektron yang terdeteksi lebih sedikit jumlahnya dibandingkan dengan jumlah ketiga jenis neutrino, hal ini mengindikasikan bahwa sesuatu telah terjadi terhadap neutrino elektron ketika mereka dalam perjalanan panjang 150 juta kilometer dari matahari.

Dari 60 miliar neutrino per sentimeter persegi per sekon yang mencapai bumi dalam sekali perjalanan dari matahari ke bumi, Sudbury Neutrino Observatory hanya menangkap tiga neutrino per hari selama dua tahun pertama operasi observatorium tersebut. Jumlah ini bersesuaian dengan sepertiga jumlah neutrino elektron yang diharapkan dapat tertangkap oleh detektor. Dua per tiganya hilang! Namun demikian, jika kita menjumlahkan banyaknya ketiga jenis neutrino tersebut, hasil yang diperoleh akan sesuai dengan jumlah neutrino yang diharapkan. Kesimpulan yang mungkin dari hasil ini adalah bahwa neutrino elektron pastilah telah berubah identitas selama dalam perjalanannya.

Metamorfosis dalam dunia kuantum


Kedua eksperimen tersebut telah membenarkan kecurigaan bahwa neutrino dapat berubah identitas menjadi neutrino lainnya. Penemuan ini telah memacu eksperimen baru lainnya dan memaksa fisikawan partikel untuk berpikir dengan cara berpikir yang baru.

Secara bersama-sama, kedua eksperimen ini telah memberikan sebuah kesimpulan mendasar: metamorfosa neutrino menyaratkan bahwa neutrino tersebut harus memiliki massa. Jika tidak demikian, maka metamorfosa tidak mungkin terjadi.

Lalu, bagaimana metamorfosa ini bisa terjadi?


Fisika kuantum dibutuhkan untuk menjelaskan hal ini. Dalam dunia kuantum, partikel dan gelombang adalah aspek berbeda dari keadaan fisis yang sama. Sebuah partikel dengan energi tertentu digambarkan dengan sebuah gelombang yang sesuai dengan frekuensi tertentu. Dalam fisika kuantum, neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau dinyatakan oleh gelombang-gelombang yang bersuperposisi yang bersesuaian dengan keadaan neutrino dengan massa yang berbeda-beda.

Ketika gelombang-gelombang tersebut sefase, maka tidak mungkin untuk membedakan keadaan neutrino yang berbeda satu sama lain. Tetapi manakala neutrino telah bergerak dalam ruang, maka gelombangnya akan menjadi tidak sefase. Sepanjang perjalanannya gelombang-gelombang itu bersuperposisi dengan berbagai cara. Superposisi pada sebuah tempat tertentu akan menghasilkan probabilitas jenis neutrino apa yang paling mungkin untuk ditemukan di tempat tersebut. Probabilitas ini berubah-ubah dari satu lokasi ke lokasi lain, mereka berosilasi, dan neutrino tampak dalam berbagai identitasnya.

Perilaku yang ganjil ini adalah akibat dari perbedaan massa neutrino. Eksperimen mengindikasikan bahwa perbedaan massa ini sangat kecil. Massa neutrino memang diperkirakan sangat kecil, meskipun belum pernah diukur secara langsung. Namun demikian, karena neutrino ada dalam jumlah yang luar biasa melimpah di semesta ini, jumlah dari massa-massa kecil ini menjadi cukup signifikan. Berat gabungan neutrino-neutrino ini secara kasar diperkirakan sama dengan massa semua bintang yang tampak di alam semesta ini.

Gerbang ke fisika baru


Penemuan massa neutrino adalah semacam “peletakan batu pertama” untuk membangun fisika partikel. Model Standar bagian paling dalam dari materi telah berhasil dengan baik dan selama dua puluh tahun telah menghadapi semua tantangan-tantangan eksperimental. Tetapi model standar ternyata mensyaratkan bahwa neutrino tidak bermassa. Dengan demikian, eksperimen peraih nobel fisika 2015 ini telah menyingkap sebuah retakan pada model standar. Telah menjadi jelas bahwa Model Standar tidak dapat merupakan teori yang komplit tentang bagaimana konstituen mendasar alam semesta berfungsi.

Sejumlah pertanyaan kunci tentang dunia neutrino perlu dijawab oleh teori-teori baru melebihi Model Standar untuk dapat dikembangkan secara penuh. Berapakah massa neutrino? Mengapa neutrino sangat ringan? Apakah ada jenis neutrino lainnya selain dari ketiga jenis yang telah dikenal selama ini? Apakah neutrino adalah antipartikel mereka sendiri? Mengapa neutrino sangat berbeda dibandingkan dengan partikel elementer lainnya?

Penemuan yang meraih penghargaan nobel fisika tahun 2015 ini telah memberikan pandangan yang krusial pada dunia neutrino yang hampir-hampir merupakan daerah yang tersembunyi. Eksperimen-eksperimen lainnya masih sedang berlangsung intensif di bawah tanah di pelbagai belahan dunia untuk terus menangkap neutrino dan memeriksa sifat dan karakteristiknya secara lebih rinci. Penemuan baru tentang rahasia terdalam neutrino diharapkan akan mengubah pemahaman kita tentang sejarah, struktur, dan takdir masa depan alam semesta ini.

Ilmu Allah masih sangat luas. Celupkanlah jarimu di lautan, air yang ikut di jarimu adalah ilmu manusia, dan sisanya, lautan yang maha luas itu adalah ilmu Allah.

Selamat kepada penerima anugerah Nobel fisika 2015!


sumber: Laman the Royal Swedish Academy of Sciences, http://kva.se

04 Oktober 2015

Toshihide Maskawa, Penerima Nobel Fisika 2008: Penyuka Matematika yang Lebih Memilih Fisika

Toshihide Maskawa adalah fisikawan Jepang yang berhasil menerima nobel fisika tahun 2008, bersama dengan Yoichiro Nambu, dan Makoto Kobayashi.

Dilahirkan pada tahun 1940, Maskawa adalah anak kedua dalam sebuah keluarga yang tinggal di Nagoya. Saudaranya tertua Maskawa, seorang perempuan, meninggal pada usia yang masih sangat muda, ketika baru akan memasuki sekolah dasar, akibat penyakit tuberkulosis. Maskawa adalah seorang anak yang lemah fisik, postur tubuhnya kurus karena mengalami masalah pada pencernaan. Orang tuanya sempat mengkhawatirkan kesehatannya sehingga berkali-kali harus membawanya ke dokter terkenal untuk diperiksa. Praktis, dalam masa pertumbuhannya, Maskawa kecil tidak menggunakan waktunya untuk bermain-main dengan anak-anak lain seusianya, tetapi justru berkembang di tengah interaksinya dengan orang-orang dewasa. Hal ini menjadi penyebab sehingga gaya bicara Maskawa kecil terdengar lebih dewasa dari usianya. Tetapi justru karena kondisi inilah, saat bersekolah di sekolah dasar, Maskawa pernah mendapatkan skor yang sempurna dalam ujian Bahasa Jepang yang dirancang untuk menguji kemampuan murid-murid sekolah dasar dalam menggunakan kata-kata bahasa Jepang dalam kehidupan sehari-hari, misalnya dengan membuat kalimat sederhana menggunakan kata-kata tertentu. Namun di sisi lain, untuk aspek membaca dan menulis dalam huruf-huruf China yang digunakan juga di Jepang, Maskawa paling sering mendapat nilai nol.

Ketika sebuah perpustakaan baru di kota dibuka di dekat sekolahnya, Maskawa segera menjadi salah satu pengunjung yang paling rajin dan mulai berkenalan dengan buku-buku jenis apapun. Kebiasaan ini pelan-pelan membuat Maskawa memiliki kemampuan membaca secara efektif yang baik. Pertanyaan yang sering sekali muncul dalam benak Maskawa ketika membaca sebuah buku adalah mengapa seorang penulis memilih untuk menuliskan suatu cara tetapi tidak menuliskan cara yang lain meskipun kedua cara itu memiliki arti yang hampir sama? Pada masa tersebut, Maskawa sering sekali tenggelam dalam kebiasaan memikirkan tentang keadaan psikologi penulis-penulis buku yang dibacanya. Kebiasaan tersebut terbukti sangat bermanfaat beberapa masa kemudian dalam kariernya sebagai peneliti. Saat Maskawa berdiskusi dengan teman-temannya, sering sekali Maskawa dapat memperoleh informasi yang lebih banyak dibandingkan dengan teman-temannya yang lain dari makalah yang sama mereka baca. Walaupun tak disangkal, sering pula dia melakukan kesalahan dengan membaca apa yang tidak tertulis dalam makalah.

Di sekolah dasar dan sekolah menengah pertamanya, Maskawa tidak terlalu fokus pada kelas dan tidak dapat dianggap sebagai seorang murid yang baik dengan standar apapun. Pernah suatu ketika, di akhir tahun ketiganya di SMP, ada kelas bahasa Jepang dimana guru mata pelajaran tersebut meminta siswa untuk menulis esai yang akan disertakan dalam sebuah kumpulan karangan kenangan alumni. Semua teman-teman sekelas Maskawa menulis esai mereka tentang ambisi masing-masing di masa depan. Ada yang mau menjadi tukang kayu mengikuti jejak bapaknya, ada yang berharap dapat kuliah di perguruan tinggi agar bisa menjadi insinyur, dan sebagainya, tetapi Maskawa justru menulis esainya tentang evolusi bintang, topik yang ia baca dari sebuah majalah remaja pada masa itu. Maskawa rupanya tidak mendengarkan penjelasan gurunya bahwa esai itu akan dimasukkan ke dalam jilid buku tentang kenangan alumni.

Pada masa-masa kecilnya, Maskawa tidak pernah berpikir tentang masa depannya atau pun tujuan-tujuan tertentu yang ingin diraihnya. Maskawa masuk SMA tanpa motivasi yang kuat, hanya sekedar ikut-ikutan dengan teman-temannya. Namun demikian, ada sebuah kenangan yang terpatri di memori Maskawa. Sebuah kenangan yang dialaminya saat baru saja tamat SMP dan akan masuk SMA. Ketika itu, Maskawa membeli sebuah buku yang diperlukan untuk SMA dan membawanya ke rumah. Saat dia sedang membuka-buka buku teks matematika yang dibelinya itu, Maskawa memperhatikan sebuah karakter yang asing baginya, sebuah simbol penjumlahan sigma. Segera setelah Maskawa membaca penjelasannya, akhirnya dia memahami bagaimana menggunakan simbol tersebut. Dari penjelasan itu, Maskawa mengetahui bahwa dengan menggunakan simbol sigma tersebut, dia dapat menghitung jumlah pangkat ke-n dari bilangan asli, 1n + 2n + ... + kn untuk sebarang nilai n. Maskawa sangat tertarik sehingga dia menghitung hasil penjumlahan tersebut untuk pangkat n yang lebih tinggi meskipun membutuhkan waktu yang cukup lama baginya. Tidak mengherankan untuk seorang laki-laki yang belum masuk SMA, sebab untuk murid seusia itu belum memiliki pengetahuan yang cukup untuk memikirkan sebuah fungsi pembangkit untuk penjumlahan tersebut.

Saat masa perang dunia kedua usai, orang tua Maskawa menjalankan bisnis kecil-kecilan yang menuntutnya untuk ikut terlibat bekerja sama dari pagi-pagi sekali sampai menjelang malam, sehingga mereka tidak memiliki waktu untuk memperhatikan studi anak-anaknya. Mengambil keuntungan dari kesibukan orang tuanya, Maskawa hanya mengisi waktunya dengan bermain dan bermain saja seharian tanpa pernah belajar. Meski demikian, Maskawa sangat mencintai buku. Uang jajan dan uang tambahan yang ia terima jika membantu-bantu bisnis orang tuanya hampir semuanya digunakan oleh Maskawa untuk membeli buku. Dalam membeli buku pun, Maskawa membelinya begitu saja, tanpa memilah-milah buku yang dibutuhkannya. Maskawa baru membaca buku itu setelah tanpa sengaja ia melihatnya di rak buku-bukunya.

Saat di SMA, sebagai dampak dari perang dunia II, buku sulit ditemukan. Maskawa yang suka membeli buku terpaksa berkeliling daerah untuk mencari toko buku bekas setiap akhir pekan. Dengan uang sakunya Maskawa membeli buku-buku cerita detektif dan misteri serta novel karangan Ryunosuke Akutagawa. Belakangan, Maskawa secara perlahan-lahan mulai membeli buku-buku matematika.

Buku matematika pertama yang dibelinya adalah buku yang berjudul “Theory of Functions” yang diterbitkan sebagai sebuah volume dalam buku New Mathematics Series oleh Baifu-kan, Tokyo. Maskawa sangat terpesona bagaimana sebuah buku matematika ditulis, karena selama ini dia hanya selalu melihat buku-buku teks sekolah yang biasa saja. Maskawa mengetahui istilah “fungsi” itu hanya dari buku teks matematika untuk pelajar. Buku “Theory of Functions” tersebut telah memberi sedikit pandangan kepada Maskawa tentang fungsi variabel kompleks yang dapat didiferensialkan dan merasa pusing seolah-olah dia terjebak ke dalam sebuah dunia yang asing, yang sangat berbeda dengan yang sering dihadapi sehari-hari.

Ads by Google
Pada masa-masa akhir SMA Maskawa, Uni Sovyet berhasil mendaratkan satelit buatan pertamanya, Sputnik I. Setelah peristiwa tersebut, Maskawa mulai menghitung orbit satelit dan roket dengan menggunakan sebuah aturan penggeseran dan sebuah sempoa. Dari posisi relatif bulan dan bumi, Maskawa menunjukkan kepada temannya prediksinya kapan Sovyet akan meluncurkan sebuah roket untuk tahapan berikutnya. Untuk dapat mengonfirmasi kebenaran prediksinya itu, Maskawa selalu mendengarkan pancaran radio Moskow mulai pukul 11.00 malam hari. Maskawa kemudian menyadari bahwa ada sebuah isu tentang ketepatan waktu yang ditunjukkan oleh jam. Berdasarkan pengukuran yang dilakukannya, Maskawa menemukan bahwa jam yang dia miliki memiliki kesalahan sistematis sebesar -8 sekon tiap hari dan kesalahan acak kurang lebih 2 sekon per hari. Hal tersebut muncul sebagai akibat dari adanya perubahan musim dan merupakan sumber kesalahan sistematik. Jika temperatur naik, keseimbangan roda menjadi lebih besar, momen inersia juga menjadi lebih besar, sehingga jam akan menjadi lebih lambat. Kebergantungan temperatur pada penyimpangan inilah yang membelokkan perkiraan Maskawa. Hal ini telah mengganggunya selama beberapa tahun sehingga Maskawa selalu mencari-cari buku tentang jam dan menelaahnya tiap kali dia mengunjungi sebuah toko buku besar, namun penjelasan yang dicari-carinya tidak ditemukan juga. Butuh waktu lima tahun kemudian sampai akhirnya Maskawa menemukan jawabannya. Pemuaian termal keseimbangan roda dan perubahan inersia tersebut sebenarnya dikompensasi oleh sebuah alat mekanis yang hebat. Dari pengalamannya ini, Maskawa belajar bahwa jam dinding memiliki semacam alat koreksi temperatur yang dapat dilihat dengan jelas. Kejadian ini mengandung nilai moral bagi Maskawa bahwa sesuatu harus dipikirkan secara hati-hati, menimbang sebanyak mungkin hal-hal yang relevan dengan apa yang dipikirkan itu.

Maskawa terdaftar di Nagoya University setelah setahun belajar keras, termotivasi oleh keinginannya untuk menghindari menjadi pelanjut bisnis orang tuanya sebagai penjual gula. Kelas pertama di universitas itu adalah analisis matematis yang dibawakan oleh seorang profesor berinisial H. Maskawa mengingat betul kata-kata dosennya itu seperti ini, “Misalkan ada dua bilangan positif sebarang e dan a, maka akan selalu ada sebuah bilangan asli N sedemikian sehingga berlaku Ne > a. Pernyataan ini disebut aksioma Archimedes.” Setelah dosen itu mengatakan, “Saya akan membuktikannya”, maka dimulainyalah kuliah itu dengan menjelaskan tentang potongan Dedekind. Maskawa heran, “apa pula ini!” batinnya. “Mengapa tidak langsung saja kita menghitung a/e dan mengambil N sebagai bagian integer ditambah dengan satu?”. Maskawa mengalami keterkejutan budaya.

Kelas berikutnya adalah kelas biologi oleh profesor T. Ketika Maskawa mengambil tempat duduk di barisan depan, selembar kertas diarahkan kepadanya dari belakang. Kertas itu mengandung tantangan, dengan perintah “Selesaikanlah masalah berikut ini!” lalu di bawahnya terdapat 6 soal matematika. Soal-soal matematika itu adalah soal-soal yang memerlukan pemecahan persamaan diferensial seperti penentuan catenary, bentuk rantai yang menggantung, dan sejenisnya. Dengan cara seperti ini lingkaran teman Maskawa bertambah dan dia dapat bertemu dengan sejumlah guru-guru yang bagus.

Situasi di Nagoya University saat Maskawa mulai menjalani masa-masa mahasiswa secara tidak langsung mendukung karier fisikanya. Pada saat itu, kampus untuk mahasiswa yang masih baru dan mereka yang sudah tingkat lanjut terpisah. Kurikulum untuk kuliah-kuliah pendidikan yang umum bagi mahasiswa dua tahun pertama sebelumnya merupakan pelajaran yang dipelajari di sekolah menengah atas pada sistem pendidikan yang lama oleh karena itu ada beberapa pengajar pada sistem lama tersebut masih tetap tinggal di jurusan fisika. Maskawa dan teman-teman yang berdiskusi tentang soal-soal yang tidak mereka pahami, sering kali menemui guru-guru ini di ruangan mereka untuk minta penjelasan. Awalnya hal ini biasa saja. Namun, lama kelamaan, para guru-guru itu mulai menghindari Maskawa dan teman-temannya karena mereka sering kali menanyakan pertanyaan yang rumit-rumit. Tetapi ada seorang dosen yang dengan kalemnya menjawab pertanyaan mereka di balik kursinya saja. Dosen itu adalah seorang profesor yang masih muda. Jika ditanya suatu pertanyaan, jawab dosen itu, “Saya tidak dapat dengan segera menjawab pertanyaan-pertanyaan yang muncul secara mendadak seperti itu. Cobalah mengkajinya sendiri. Saya siap meminjamkan buku saya jika perlu.”

Bagi Maskawa, itulah pertemuan pertamanya dengan seseorang guru yang berkarakter seorang peneliti. Guru yang dihadapi Maskawa selama ini adalah model guru yang hanya mengajarkan apa yang mereka ketahui. Maskawa kemudian menyadari bahwa seorang dosen di perguruan tinggi juga harus melakukan penelitian, menemukan hal-hal yang baru. Para mahasiswa yang dekat dengan profesor muda ini akhirnya mulai membentuk kelompok yang relatif tetap, yang melakukan banyak hal bersama-sama. Kelompok ini beranggotakan mahasiswa dari seluruh jurusan di fakultas sains, walaupun demikian yang paling banyak adalah mahasiswa jurusan fisika. Kelompok ini mereka beri nama DEPHIO, inisial dari nama-nama Dirac, Einstein, Pauling, Hilbert, Ingold, Oparin, yang merupakan ilmuwan-ilmuwan hebat yang mewakili tiap jurusan di fakultas sains.

Dalam kelompoknya, Maskawa lebih sering berdiskusi tentang matematika. Kebiasaannya berburu buku di toko buku-toko buku bekas masih terus berlanjut. Dari toko buku bekas itu Maskawa sering kali menemukan buku matematika yang bagus seperti Seri Kuliah Matematika yang diterbitkan oleh penerbit Iwanami sebelum perang.

Ketika Maskawa pindah ke kampus Higashiyama sebagai seorang mahasiswa yunior, Maskawa masih belum dapat memutuskan apakah akan fokus ke matematika atau akan mengambil fisika. Namun, Maskawa akhirnya memilih menggeluti fisika lebih dalam. Di kelas fisika tingkat lanjut, ada sekitar sepuluh mahasiswa yang tertarik mengkaji fisika teoritis, dan dari sepuluh orang tersebut sekitar enam orang yang memilih fisika partikel. Jumlah peminat fisika partikel yang banyak ini semata-mata hanya disebabkan karena para mahasiswa itu mengabaikan berbagai cabang sains lain yang juga menarik. Setelah mengikuti perkuliahan sekitar satu tahun para mahasiswa ini pun akhirnya tersebar-sebar ke dalam berbagai cabang yang menarik hasrat mereka, seperti astrofisika dan fisika inti.

Sebagai mahasiswa master di jurusan fisika Nagoya University, tahun pertama mahasiswa yang mengambil kekhususan fisika teoritis harus mengikuti seminar tentang teori medan sebagai mata kuliah yang wajib selama setahun. Pada hari-hari itu, semua fisikawan partikel di seluruh dunia mempercayai berbagai alasan bahwa teori medan akan segera digantikan dengan teori yang lebih baru. Demikian pula di laboratorium Sakata. Kurikulum teori medan yang dipelajari pada waktu itu merupakan kurikulum yang dirancang pada tahun 1950an. Kurikulum itu dimulai dengan kuantitasi medan Dirac dengan menggunakan variabel amplitudo dan fase. Kemudian dilanjutkan dengan teori medan Heisenberg-Pauli dan ruang Fock, dan dengan teori Feynman, menggambarkan interaksi elektromagnetik sebagai sebuah aksi dari sebuah jarak meniadakan gambaran foton, yang diakhiri dengan teori renormalisasi Dyson dengan tambahan makalah Salam tentang divergensi-b. topik-topik kuliah ini membuat Maskawa begitu fokus pada teori medan, yang tak seorang pun memperhatikannya di tahun 1960an. Dari sinilah Maskawa tertarik pada masalah teoritis yang berkaitan dengan interaksi lemah. Ketika pentingnya teori medan ini mulai disadari beberapa waktu kemudian, situasi pun telah berubah 360 derajat dan kurikulum fisika teori pada program tingkat lanjut (magister) di Nagoya University kembali berada di garis terdepan dunia fisika.

Maskawa bergabung dengan laboratorium Profesor Sakata di tahun 1964 dan memulai penelitiannya dalam bidang fisika partikel. Namun demikian, sifatnya yang tidak teratur tidak juga berubah ketika melakukan penelitian-penelitian tentang fisika partikel. Maskawa kemudian melanjutkan berkolaborasi dengan fisikawan yang menekuni bidang lain seperti fisika inti, fisika zat padat, dan sebagainya.

Tahun 2008 adalah puncak tertinggi karier Toshihide Maskawa. Di tahun itu, bersama Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa dianugerahi penghargaan Nobel Fisika atas penemuan mereka tentang asal usul kerusakan simetri yang memprediksi keberadaan paling tidak tiga keluarga kuark di alam ini.

“... Bagi seorang fisikawan teoritis, periode yang paling mengesankan adalah bangun di pagi hari untuk menemukan sebuah kebenaran yang Anda tidak dapat bayangkan sebelumnya”, begitulah bagi Toshihide Maskawa ketika ditanya tentang saat-saat yang menyenangkan dalam hidupnya.