100 Tahun Studi Berkas Sinar kosmis dan Kontribusi Ilmiah dari Kota Bandung

Pada bulan Agustus 2012 ini, maka perjalanan studi ilmu pengetahuan pada fenomena alam yang dikenal sebagai berkas sinar kosmis (Cosmic Ray), telah mencapai 100 tahun. Tentunya, adalah sebuah perjalanan yang panjang bagi kemajuan ilmu pengetahuan di dunia, untuk memahami keberadaan berkas sinar kosmis, dari mana asalnya, dan bagaimana pengaruhnya pada kehidupan di Bumi. Akan tetapi, apakah diketahui oleh umum, bahwa pada awal kajian berkas sinar kosmis, kota Bandung telah terlibat secara aktif dalam mempelajarinya? Tentunya ini menarik untuk disimak.

Sejarah Singkat Penemuan Berkas sinar kosmis
Di akhir abad 19, Henri Becquerel menemukan sebuah proses di alam yang disebut sebagai peluruhan radioaktif, yaitu ketika unsur-unsur tertentu berada pada keadaan tidak stabil, dan dapat berubah menjadi elemen lain. Ketika proses itu terjadi, terpancar adanya seperti partikel, yang disebut sebagai partikel radiasi, oleh karena itu, prosesnya disebut sebagai proses peluruhan radioaktif.

Di tahun 1900, seorang fisikawan dari Skotlandia C. T. R. Wilson menemukan bahwa pola ionisasi atmosfer adalah berkesinambungan.Diduga hal tersebut diakibatkan adanya radiasi dari Bumi, dari bawah ke atas.

Dengan penemuan tersebut, maka pemahaman pada kelistrikan atmosfer Bumi, proses ionisasi di udara, (pada masa itu) diyakini disebabkan karena adanya radiasi dari unsur radioaktif di permukaan Bumi oleh gas-gas radioaktif atau isotop radon yang terproduksi olehnya. Pengukuran yang dilakukan pada awal abad ke-20 menunjukkan bahwa dengan meningkatnya ketinggian dari permukaan tanah, terjadi penurunan rasio ionisasi, yang diduga karena penyerapan radiasi ionisasi karena pengaruh udara.

Tetapi pandangan tersebut berubah, dimulai dari, ketika di tahun 1909, Romo Theodor Wulf, SJ., mengembangkan alat yang disebut sebagai electrometer untuk menguji perbedaan tingkat radioaktif terhadap tinggi untuk menentukan darimana sumbernya. Alat yang dikembangkannya dapat mengukur muatan listrik pada suatu lokasi, dan dengan demikian dapat mengukur rasio produksi ionisasi. Berbekal alat electrometer yang lebih disempurnakan, maka pada tahun 1912, Victore Hess (yang kemudian dikenal sebagai bapak berkas sinar kosmis), melakukan pengukuran dengan naik balon udara, sampai ketinggian 5 km. Ia menemukan bahwa rasio ionisasi mencapai empat kali lipat dari yang terjadi di permukaan tanah. Artinya, makin tinggi dari permukaan tanah, ionisasi terjadi semakin besar.

Dengan demikian, maka dapat disangkal bahwa sumber radiasi itu berasal dari permukaan atau bahkan dalam tanah. Selanjutnya, diduga sumber penyebabnya adalah dari radiasi Surya; akan tetapi, ketika pengukuran dilakukan pada saat gerhana Matahari, diperoleh hasil yang serupa. Artinya, ada sebuah sumber radiasi yang sangat kuat dari langit yang menerobos masuk ke dalam atmosfer Bumi.Sampai saat itu, asumsi yang dipercayai, penyebab utamanya adalah radiasi elektromagnet dari alam.

Adalah Robert Millikan, seorang fisikawan besar dari Amerika yang memenangkan hadiah Nobel untuk pengukuran muatan elektron dan pada efek fotolistrik, memperkenalkan istilah “berkas sinar kosmis (cosmic rays)”, untuk menjelaskan bahwa berkas sinar kosmis merupakan foton berenergi tinggi, seperti sinar gamma. Millikan berteori, berkas sinar kosmis adalah hasil produksi dari proses yang terjadi di luar angkasa, sebagai produk sampingan fusi hidrogen menjadi elemen yang lebih berat, dan elektron-elektron kemudian diproduksi di atmosfer akibat sebaran Compton oleh sinar gamma.

Usulan teori Millikan tersebut memunculkan perdebatan tentang teori asal-usul berkas sinar kosmis, antara usulan Millikan: Berkas sinar kosmis tersusun dari foton-foton berenergi tinggi, ataukah dari sumber yang lain (partikel bermuatan). Proponen yang paling terkenal dari teori bahwa berkas sinar kosmis tersusun atas partikel bermuatan adalah Arthur Compton.Pada masa-masa inilah, sebuah laboratorium di Bandung, (yang saat ini dikenal sebagai Departemen Fisika ITB), berkontribusi besar pada perdebatan ilmiah tentang berkas sinar kosmis tersebut.

Sebuah Laboratorium Fisika Di Negeri Tropis

Pada awal abad ke-20, kebutuhan akan pendidikan tinggi di seluruh dunia, mulai dirasakan menjadi amat sangat penting, demikian juga diHindia Belanda (saat ini adalah Indonesia). Kendati, pada titik ini, sepertinya tidak berhubungan, antara studi berkas sinar kosmis dengan pendidikan tinggi (secara khusus pada perjalanan sejarah pendidikan tinggi di Indonesia), akan tetapi, yang terjadi adalah sebaliknya, sebagaimana akan diperlihatkan pada tulisan berikut.

Sebagaimana di Indonesia, kebangkitan kaum muda (Kebangkitan Nasional) yang sangat mungkin terjadi, karena tersedianya pendidikan dokter-dokter pribumi, merupakan contoh bahwa, pemerintah Belanda pada masa itu menyediakan kesempatan bagi generasi muda Indonesia untuk memperoleh pendidikan tinggi/tingkat universitas.

Demikian juga untuk pendidikan tinggi sains-teknologi, disediakan melalui pembentukan Technische Hoogeschool (TH) di Bandung (saat ini dikenal sebagai ITB).  Pada massa itu, TH menyediakan pendidikan teknis utama yaitu: Teknik Sipil dan Teknik Kimia, tetapi juga ilmu murni Matematika dan Fisika juga mendapat perhatian yang tak kalah pentingnya. Sebagaimana pada ilmu astronomi, Karel Albert Rudolf Bosscha juga menjadi penyumbang utama pada awal perkembangan fisika di Indonesia, dengan memberikan sumbangan besar pada pembangunan laboratorium Fisika milik TH (Bosscha Laboratorium Natuurkunde).

Guru besar Fisika TH yang pertama adalah Prof. Dr. Jacob Clay (Claij dalam bahasa Belanda). Clay pada awalnya adalah pengajar di TU Delft, yang kemudian mendapatkan tawaran untuk menjadi guru besar di TH, Bandung.Pada saat kedatangannya, bersama dengan Bosscha yang berperan besar pada kemajuan sains di negeri Hindia Belanda, mereka berdua mempunyai visi besar pada kemjauan sains. Tentunya menarik untuk disimak, apa yang dapat dilakukan untuk memperoleh sesuatu hal yang baru, di sebuah kampus yang baru, serta semua pendukung yang masih belum semaju laboratorium di negeri asalnya?

Setahun sebelum kedatangannya ke Hindia Belanda, Clay menghabiskan waktu di Inggris bersama Ernest Rutherford, untuk mempelajari radioaktif serta hal-hal baru pada fisika atom. Ketika telah berada di TH, ia memanfaatkan sumber radiasi yang tidak dapat diperoleh dari sumber-sumber di laboratorium buatan, yaitu – atmosfer, sebagai laboratorium ilmiahnya. Segera itu juga, setelah TH diresmikan di tahun 1920, maka kegiatan ilmiah fisika atmosfer dimulai di TH.

Clay mulai meluncurkan balon-balon yang terbang tinggi, dilengkapi oleh peralatan pengukur kelistrikan atmosfer.  Fokus Clay adalah fenomena yang telah diamati oleh Hess pada tahun 1912.  Pengukuran yang sangat cermat, serta penuh kesabaran tersebut dilakukan sampai dengan tahun 1927 ketika ia kembali ke Belanda untuk cuti.  Bahkan dalam perjalanan cuti ke Belanda tersebut, Clay masih melakukan pengukuran sepanjang perjalanannya.Apa yang telah ia peroleh menunjukkan bahwa intensitas radiasi itu bergantung pada lintangnya. Pada tahun 1929, Clay kembali ke Belanda untuk posisi di Universitas Amsterdam.Akan tetapi, studi berkas sinar kosmis yang telah dilakukan oleh Clay selama di Bandung, justru memasuki babakan baru pada studi berkas sinar kosmis di dunia fisika modern kala itu.Bahkan sampai akhir karirnya, Clay terus berkontribusi pada pengukuran berkas sinar kosmis.

Kontroversi Berkas sinar kosmis dan Kontribusi dari Bandung
Komunitas ilmiah di negeri Belanda sangatlah mengakui karya Clay, tetapi tidak demikian adanya dengan ilmuwan-ilmuwan dari belahan benua yang lain. Kembali kepada perdebatan tentang teori berkas sinar kosmis, Millikan berpegangan kuat pada teorinya bahwa berkas sinar kosmis adalah foton, sehingga posisi lintang tidak akan ada pengaruhnya. Bahkan, ketika salah seorang siswa-nya Henry Victor Neher melaporkan adanya efek lintang di tahun 1933, ide tersebut tidak bisa segera diterima oleh Millikan.

Akan tetapi, bahkan ketika Arthur Compton di tahun 1932 mengonfirmasi temuan Clay, tidak serta merta mengakui kesahihan pekerjaan Clay.Masih dibutuhkan waktu bagi pekerjaan Clay untuk dapat diterima oleh komunitas ilmuwan global.Selain komunitas Belanda, Victor Hess-lah yang mengakui bahwa pekerjaan Clay mendukung dan mengonfirmasi pengukuran yang telah dilakukannya bertahun-tahun lalu.

Ini terbukti, bahkan setelah pekerjaan Clay yang fundamental dan telah dilakukan sampai akhir tahun 1920an, perdebatan tentang apakah berkas surya merupakan radiasi elektromagnetik — secara khusus sinar gamma (versi Millikan) versus berkas sinar kosmis partikel bermuatan (yang menurut sebagian orang adalah versi Compton), masih menjadi perdebatan di tahun 1930an, bahkan menjadi berita utama di media massa Amerika kala itu.

Baru pada tahun 1935 Compton mengakui pekerjaan Clay, bahkan mengusulkan Clay dan Hess untuk memperoleh hadiah Nobel untuk temuannya itu.Demikian juga untuk salah seorang murid Millikan, Carl David Anderson atas temuan positron.Akan tetapi, hadiah Nobel 1936 untuk bidang Fisika diberikan kepada Hess dan Anderson.

Walaupun pekerjaan Clay tidaklah pernah menjadi patokan utama bagi pekerjaan-pekerjaan yang dilakukan para ahli fisika di Amerika Serikat, akan tetapi bukan berarti apa yang telah dikerjakan itu dapat diabaikan begitu saja.

Hal fundamental dari pekerjaan Clay adalah, jika memang sumber utama berkas sinar kosmis adalah partikel bermuatan, tentunya akan dipengaruhi oleh medan magnetik ketika memasuki lingkungan atmosfer Bumi. Efek yang berbeda berdasar lintang akan teramati, melemah pada daerah katulistiwa, sebagaimana yang telah diukur oleh Clay antara tahun 1927 dan 1929, merentang dari Jawa sampai Belanda.

Walaupun Clay tidak pernah memperoleh hadiah Nobel atas kerja kerasnya, akan tetapi pengakuan dari komunitas ilmu pengetahuan diperoleh, dengan dimuatnya dua pekerjaan Clay sebagai artikel terdepan pada Reviews of Modern Physics tentang berkas sinar kosmis tahun 1939.Sebuah warisan yang membanggakan atas sumbangan pekerjaan dari sebuah laboratorium fisika di Bandung.

Babakan Baru Fisika Modern
Dengan diperkenalkannya alat ukur cacah Geiger-Muller di tahun 1928, maka pengukuran adanya radiasi kosmis dapat dilakukan dengan lebih baik lagi. Pengukuran lanjutan oleh Bothe dan Kolhöster memperkuat bahwa radiasi kosmis tersusun dari partikel, akan tetapi resistensi Millikan akan pendapat itu masih sangat kuat. Millikan mulai berubah pikiran, ketika ia mulai melakukan pengukuran ulang atas variasi berkas sinar kosmis terhadap posisi lintang, dan menemukan bahwa efek tersebut memang ada.

Pada dasawarsa 1930an, ketika perdebatan tentang asal usul berkas sinar kosmis masih panas, temuan-temuan yang mendukung studi berkas sinar kosmis memperoleh kemajuan yang luar biasa. Pada tahun 1934, diperoleh adanya ketidaksimetrian timur-barat arah datang berkas sinar kosmis, yang mengindikasikan adanya interaksi dengan medan magnet, serta dugaan berkas sinar kosmis bermuatan positif.

Dua orang ahli fisika yang bekerja secara independen, Pierre Auger dan Bruno Rossi menemukan adanya efek ‘air showers’, sebagai dampak dari curahan partikel kedua akibat tumbukan berkas ber-energi tinggi dengan inti atom udara.

Neddermeyer dan Anderson menemukan adanya partikel sub-atomik yang disebut sebagai muon pada tahun 1937, dan kemudian ditemukan sub-partikel-partikel yang lain, seperti meson dan pion bertahun-tahun kemudian.Ini adalah babakan baru pada pehaman tentang fisika partikel di kemudian hari.

Antara periode 1930an sampai 1950an, sebelum pemercepat partikel hadir pada penelitian modern, berkas sinar kosmis menjadi sumber utama partikel ber-energi tinggi guna kajian fisika energi-tinggi, serta berbagai temuan partikel-partikel sub-atomik.Seiring dengan semakin meningkatnya pemahaman astrofisika, kajian berkas sinar kosmis diarahkan pada dari manakah berkas sinar kosmis berasal?Bagaimana bisa partikel-partikel kosmis mengalami percepatan yang sangat tinggi?Dan masih banyak misteri-misteri alam semesta lain yang bisa dikuak dari studi berkas sinar kosmis.

Saat ini, 100 tahun kemudian, studi berkas sinar kosmis adalah studi yang terdepan pada kajian energi-tinggi, dan temuan-temuannya telah menjadi fundamental pada model standar fisika partikel.Mengingat bahwa sumber berkas sinar kosmis bisa berasal dari sumber-sumber astrofisika yang ber-energi sangat tinggi, seperti supernova atau lubang hitam, yang artinya, sumber energi yang jauh lebih kuat dibandingkan yang dapat dibangkitkan oleh laboratorium buatan di Bumi, maka studi berkas sinar kosmis masih memungkinkan pemanfaatan laboratorium alamiah yang masih menyimpan misteri yang terus menerus perlu disingkap. Seperti temuan partikel Higgs beberapa waktu lalu, semakin menguak hal-hal yang sebelumnya terpahami, bukan tidak mungkin kajian dan temuan baru dari berkas sinar kosmis akan semakin menyingkap hal-hal yang tidak terbayangkan sebelumnya.

Dan kiranya, setelah 90 tahun berlalu dari Bandung, diharapkan pekerjaan ini bisa menginspirasi temuan-temuan fisika baru dari Bandung.

Alternate Epilogue
Adalah keniscayaan sejarah, ketika kebangkitan akademis di dasawarsa kedua abad ke-20 di Indonesia telah mendorong semangat nasionalisme, saat ini kita kenal sebagai Kebangkitan Nasional. Pada masa itu, telah lahir tokoh-tokoh akademis yang menyumbang banyak bagi nasionalisme Indonesia, sebut saja Mohammad Hatta – sarjana ekonomi lulusan Nederland Handelshoogeschool (sekarang Universitas Erasmus Rotterdam); Sam Ratulangi – sarjana dan Doktor matematika pertama Indonesia lulusan de Vrije Universiteit van Amsterdam.

Demikian juga, dari tanah negeri, di TH, tercatat seseorang sarjana asli bumiputra di bulan Mei tahun 1926, akan tetapi ia menolak megajar Arsitektur di Departemen Sipil TH, bahkan sepanjang perjalanan Hindia Belanda, ia tidak pernah tercatat bekerja sama dengan pemerintah Hindia Belanda. Nama pemuda itu adalah Soekarno.