Obituari Vitaly Ginzburg (1916 – 2009): Superkonduktivitas dan partikel kosmik

Ahli fisika Rusia, Vitaly Ginzburg, meninggal dunia dalam usia 93 pada tanggal 8 November 2009.

Lahir pada tahun 1916, Ginzburg berarti telah hidup dalam tiga periode sejarah Rusia: zaman sekaratnya Tsar Rusia, periode pemerintahan komunis Uni Soviet, dan masa Federasi Rusia. Di antara kehidupannya yang panjang ia juga telah diganjar Hadiah Nobel Fisika (dibagi bersama Alexei Abrikosov dan Tony Legget) pada tahun 2003 atas kontribusinya pada teori superkonduktor. Karier panjang Ginzburg di dunia fisika merambah berbagai cabang. Untuk menyebut beberapa: superkonduktivitas, teori sinar kosmis, teori mengenai emisi pulsar, radiasi sinkrotron, sinyal radio dari matahari, dan bidang-bidang lainnya.

Pengetahuan teoritis Ginzburg mengenai ilmu fisika diterapkannya terutama dalam dua fenomena yang paling banyak digelutinya: superkonduktivitas dan sinar kosmis. Perilaku superkonduktivitas sudah ditemukan semenjak tahun 1911 oleh fisikawan Heike Kamerlingh Onnes di Negeri Belanda. Keadaan ini muncul apabila sebuah benda didinginkan hingga mencapai suhu mendekati nol mutlak (0 Kelvin atau sama dengan -273 derajat Celsius), benda tersebut akan kehilangan perlawanannya terhadap aliran listrik. Aliran listrik tidak akan banyak mengalami hambatan dan dengan demikian menghantarkan listrik dengan baik. Objek ini juga kehilangan medan magnetik internalnya. Suhu ketika benda-benda menjadi superkonduktor berbeda-beda berdasarkan jenis bahannya. Seng, misalnya, menjadi superkonduktor pada suhu 0.88 Kelvin sementara keramik sintesis yang mengandung Tembaga dan Barium dapat menjadi konduktor pada suhu yang lebih tinggi pada 125 Kelvin. Dengan merendam bahan-bahan ini di dalam Helium cair (Helium-3 mendidih pada suhu 3.2 Kelvin) atau Nitrogen cair (mendidih pada suhu 77 Kelvin. Bandingkan dengan air yang mendidih pada 373 Kelvin).

Untuk memahami kenapa sebuah benda dapat kehilangan resistensinya pada aliran listrik, kita perlu menggambarkan benda padat sebagai kumpulan atom-atom yang terhubung satu sama lain oleh kisi-kisi. Kisi-kisi ini juga bergetar dan kecepatan getarnya ditentukan oleh suhu benda tersebut. Semakin tinggi suhunya, semakin cepat getarannya dan semakin rendah suhunya semakin lambat getarannya. Aliran listrik adalah aliran elektron yang berusaha melewati kisi-kisi ini dengan aman. Dapat dibayangkan, apabila kisi-kisi tersebut bergetar cepat maka kemungkinannya besar sekali elektron akan menabrak atom dan kehilangan energinya yang kemudian akan berubah menjadi panas. Aliran listrik menjadi tidak terlalu lancar karena ada yang hilang sebagian. Objek yang seperti demikian berarti memiliki resistensi yang tinggi terhadap listrik dan bukan sebuah konduktor yang baik. Namun bila objek yang sama ini didinginkan maka getaran antara kisi tidak akan terlalu hebat dan kemungkinan elektron yang lewat akan bertabrakan menjadi lebih kecil. Selain bergantung pada suhu, resistensi juga bergantung pada struktur kisi-kisi sebuah bahan. Itulah sebabnya ada bahan yang dapat menjadi konduktor yang baik sementara bahan lain tidak bisa menjadi konduktor.

Fenomena “aneh” lain yang terkait dalam superkonduktor adalah ia dapat menolak keberadaan medan magnet. Akibatnya akan timbul fenomena yang disebut Efek Meissner atau sering disebut juga levitasi magnetik. Magnet yang ditaruh di atas sebuah superkonduktor akan melayang di atasnya karena medan magnet tidak dapat menembus bahan superkonduktor dan akibatnya harus “mengalir” di atas superkonduktor. Efek ini dapat diterus dipertahankan selama suhu bahan dijaga tetap dibawah suhu kritis tertentu (nilainya berbeda-beda tergantung bahan yang digunakan. Beberapa bahan bisa mencapai superkonduktivitas pada suhu 90 Kelvin atau -183 derajat Celsius).

Ahli fisika ingin mengetahui mengapa bahan-bahan yang didinginkan bisa berperilaku demikian. Dalam teori elektrodinamika klasik (teori listrik-magnet yang dikembangkan oleh James Clerk Maxwell pada akhir abad ke-19) kita dapat mengandaikan suatu benda “konduktor sempurna,” namun perilaku superkonduktivitas ternyata tidak dapat dipahami begitu saja oleh teori klasik. Gambaran mengenai kisi-kisi yang bergetar lemah apabila didinginkan ternyata memprediksikan penurunan resistensi yang lebih lambat apabila dibandingkan dengan realitas yang diukur melalui eksperimen. Dibutuhkan penjelasan lain yang lebih memuaskan dan ternyata ini adalah fenomena dalam ranah mekanika kuantum, sebuah teori yang mendeskripsikan dunia subatomik.

Vitaly Ginzburg masuk Universitas Negeri Moskow pada tahun 1933 dan lulus lima tahun kemudian. Gelar Doktor diperolehnya pada tahun 1942. Kariernya dimulai sebagai eksperimentalis dalam bidang optika, namun ia kemudian menyadari bahwa bakat sebenarnya berada di bidang teori. Ia kemudian mulai mengerjakan masalah-masalah penting dalam berbagai bidang fisika dan astrofisika. Kontribusinya dalam teori superkonduktivitas dikerjakannya bersama rekannya sebangsa, Lev Davidovich Landau. Teori ini kemudian disebut sebagai Teori Ginzburg-Landau dan merupakan sebuah teori fenomenologi.

Dalam fisika teori, fenomenologi adalah upaya untuk membuat suatu ekspresi matematika atas hasil-hasil eksperimen atas fenomena tertentu. Kadangkala kita tidak dapat menjelaskan suatu fenomena berdasarkan teori-teori dasar yang sudah ada (misalnya Teori Gravitasi Newton atau Teori Elektromagnetika Klasik) dan sudah teruji dengan baik. Salah satu alasannya bisa jadi karena teorinya memang belum diciptakan sehingga langkah pertama untuk memahami fenonema ini adalah dengan membuat deskripsi matematika yang dapat membuat prediksi-prediksi yang kemudian dapat dibuktikan.

Teori Ginzburg-Landau yang dipublikasikan pada tahun 1950 ini berhasil memprediksikan banyak hal, dua yang terpenting adalah prediksi tentang fluktuasi termodinamika dan seberapa dalam medan magnet dapat menembus permukaan suatu superkonduktor. Barulah pada tahun 1957 dikembangkan teori yang lebih mendasar untuk menjelaskan superkonduktivitas. Teori ini disebut Teori BCS, dinamakan menurut nama belakang tiga penciptanya: John Bardeen, Leon Cooper, dan John Schrieffer (Ketiganya dari Amerika Serikat).

Teori BCS menyempurnakan gambaran mengenai kisi dengan mengatakan bahwa aliran elektron bergerak menembus kisi-kisi secara berpasangan. Ketika sebuah elektron bermuatan negatif bergerak melintasi kisi, ion-ion bermuatan positif pada kisi akan tertarik dan mendistorsikan bentuk kisi dan membentuk semacam “terowongan.” Sebelum elektron tersebut lewat dan juga sebelum kisi-kisi tersebut berbalik ke posisi semula, sebuah elektron kedua akan ditarik ke dalam terowongan dan terhubung dengan elektron kedua. Kedua elektron akan bergerak bersama-sama dan dengan demikian pergerakan elektron melintasi kisi-kisi lebih lancar. Inilah hakikat dari superkonduktivitas.

Bidang lain yang dirambah Vitaly Ginzburg adalah studi sinar kosmik. Sinar kosmik adalah partikel enerjik yang datang dari luar antariksa. Partikel ini memiliki energi yang sangat tinggi dan bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Berdasarkan pengamatan, 90% partikel sinar kosmik adalah proton, dan hampir 10% adalah inti Helium dan sisanya adalah elektron atau elemen-elemen berat, misalnya inti Besi. Partikel-partikel ini diamati memiliki energi yang sangat tinggi, jauh lebih tinggi daripada energi diamnya. Ini menunjukkan bahwa partikel ini telah dipercepat oleh sesuatu objek dan tentu saja pertanyaan selanjutnya adalah: Objek macam apa yang dapat mempercepat partikel-partikel ini hingga memiliki energi yang demikian dahsyatnya?

Kini kita telah menemukan partikel kosmik dengan energi 10^20 elektronVolt, sementara Large Hadron Collider (LHC) di Jenewa saja baru berencana mempercepat sebuah proton hingga energinya “hanya” 10^12 elektronVolt. Artinya, akselerator alamiah ini mampu mempercepat hingga 100 juta kali yang bisa dilakukan LHC. Apabila kita kembali kepada masa-masa tahun 1950an, jangankan komposisi sinar kosmik yang tidak diketahui oleh siapapun, datangnya dari mana pun tidak diketahui. Orang tahu bahwa partikel ini punya energi sangat tinggi namun partikel apakah ini pun tidak ada yang tahu. Pada tahun 1955 Ginzburg mulai meneliti sinar kosmis dan menunjukkan bahwa tidak mungkin sinar kosmik berasal dari radiasi panas, melainkan berasal dari partikel bermassa yang memperoleh energi tinggi dari medan magnet. Proses pemercepatan sebuah partikel karena melintasi medan magnet dinamakan radiasi sinkrotron. Berbeda dengan radiasi panas, radiasi sinkroton membutuhkan keberadaan medan magnet yang sangat kuat dan ini tidak ada di Matahari kita. Datangnya sinar kosmik pasti dari luar tata surya. Ginzburg kemudian memberikan bukti kuantitatif bahwa salah satu sumber sinar kosmik berasal dari supernova.

Supernova dapat menjadi sumber dipercepatnya sinar kosmik karena sisa reruntuhan bintang memiliki medan magnet yang kuat. Bila sebuah bintang masif meledak, inti bintang akan runtuh menjadi pulsar atau lubang hitam (tergantung pada massa inti yang tersisa dan tidak meledak). Hukum konservasi medan magnet mengharuskan kecepatan aliran magnetik tetap bernilai sama. Jadi ketika sebuah objek mengecil namun kecepatan aliran magnetik harus tetap maka kekuatan medan magnetik menjadi bertambah. Sebagai ilustrasi, bila Matahari kita yang jejarinya 6400 km berubah menjadi bintang neutron yang jejarinya 10 km, maka kekuatan medan magnetik akan meningkat kurang lebih 400 ribu kali lipat(!) Dengan demikian wajarlah apabila sebuah partikel yang melewati medan magnetik sebuah sisa reruntuhan supernova akan dipercepat hingga kecepatannya mendekati kecepatan cahaya. Salah satu reruntuhan supernova yang banyak diteliti adalah Nebula Kepiting yang berlokasi 6500 tahun cahaya dari Bumi kita.

Pada tahun 1949 ditemukan adanya sinyal radio dari pusat reruntuhan tersebut. Radiasi ini adalah radiasi sinkroton dalam panjang gelombang radio dan Ginzburg kemudian menerbitkan makalah yang berargumentasi bahwa partikel kosmik energi tinggi juga dapat dipancarkan dari pusat reruntuhan tersebut. Ia juga meramalkan bentuk spektrum energi yang mungkin dipancarkan.

Vitaly Ginzburg kini telah meninggalkan kita semua, namun warisannya tetap hidup melalui 450an makalah ilmiah yang diterbitkan selama kariernya dan mencakup berbagai bidang dalam fisika dan astrofisika teoritis. Berbagai buku teks pun telah ditulisnya dan tiga yang terpenting adalah mengenai subjek-subjek yang menjadi fokus kariernya: superkonduktivitas, astrofisika teoritis, dan sinar kosmik.