Membuka Dunia Baru Dengan Fisika Kuantum

Fisika kuantum adalah cabang ilmu fisika yang cenderung baru, usianya kurang dari 1 abad. Dalam fisika kuantum, kita berurusan dengan ukuran pada skala atomik dan bahkan subatomik guna mempelajari karakteristik/sifat partikel. Berdasarkan pernyataan orang-orang yang telah mempelajari fisika kuantum, ilmu ini dikategorikan sebagai salah satu cabang ilmu tersulit di fisika. Bahkan “empu” fisika kuantum, Richard Feynman mengatakan “if you think you understand quantum mechanics, you don’t understand quantum mechanics”.

Bagaimana tidak sulit. Pada fisika kuantum, kita harus meninggalkan konsep klasik yang sudah kita terima berabad-abad. Dalam fisika  klasik, suatu benda memiliki lintasan gerak yang pasti. Namun dalam ranah kuantum, partikel tidak bergerak pada lintasan yang pasti. Lebih hebat lagi, lintasan yang mungkin ditempuh sebuah partikel tak-berhingga jumlahnya! Akibatnya, diperlukan konsep matematika yang lebih rumit untuk menjelaskan fenomena dalam ranah kuantum.

Erwin Schrödinger merupakan salah satu pionir dalam fisika kuantum. Persamaannya yang terkenal, yaitu persamaan Schrödinger, dapat diibaratkan sebagai hukum Newton dalam ranah kuantum. Jika hukum Newton digunakan untuk mengetahui posisi benda pada waktu tertentu, persamaan Schrodinger digunakan untuk mendapatkan fungsi gelombang (wave function) dari benda yang kita tinjau. Kita tidak perlu terlalu mendalami apa itu fungsi gelombang karena konsep matematikanya cukup rumit. Mudahnya, dari fungsi gelombang kita dapat mengetahui karakter benda, seperti posisi, momentum, energi, dll.

Jika kita telaah lebih lanjut, fungsi gelombang memiliki tiga kelompok besar, yaitu fungsi gelombang simetrik, antisimetrik, atau bukan keduanya. Partikel yang fungsi gelombangnya simetrik disebut dengan boson, sedangkan partikel yang fungsi gelombangnya antisimetrik disebut sebagai fermion.

Sejauh ini, seluruh partikel yang ada di alam semesta adalah boson atau fermion. Boson merupakan partikel yang dapat “bertumpukkan”, yaitu satu lokasi dapat diisi oleh lebih dari satu partikel boson. Contoh partikel boson adalah foton, gluon, dan graviton. Sementara fermion merupakan partikel yang tidak dapat “bertumpukkan” karena fermion mematuhi prinsip larangan Pauli. Prinsip larangan Pauli mengatakan bahwa tidak boleh ada lebih dari satu partikel fermion yang menempati lokasi yang sama. Contoh partikel fermion adalah elektron, proton, dan neutron.

Memahami Bintang Katai Putih dengan Fisika Kuantum

Setelah pengantar mengenai fisika kuantum yang melelahkan di atas, kita kembali ke ilmu yang lebih kita cintai, astronomi. Ternyata fisika kuantum juga membantu astronom untuk memahami fenomena astronomi. Sangat banyak bantuan fisika kuantum terhadap astronomi, namun yang akan penulis sorot di sini adalah penjelasan mengenai suatu objek astronomi yang menakjubkan, yaitu bintang katai putih.

Bintang katai putih pertama kali ditemukan pada tahun 1910 oleh Henry Russell, Edward Pickering, dan Williamina Fleming. Katai putih yang diamati adalah 40 Eridani B yang merupakan anggota sistem bintang bertiga 40 Eridani. Walaupun bintang 40 Eridani B redup, spektrumnya menunjukkan bahwa bintang tersebut memiliki temperatur yang tinggi, sehingga warnanya putih. Akhirnya disimpulkan bahwa bintang tersebut haruslah berukuran kecil, sehingga dinamakan katai putih.

Bintang katai putih merupakan tahap akhir dari evolusi bintang yang massanya sekitar massa Matahari. Pada akhir hayatnya, bintang akan kehabisan bahan bakar di intinya untuk melanjutkan reaksi nuklir. Akibatnya, tidak ada gaya yang melawan gravitasi sehingga partikel-partikel pada bintang akan ditarik oleh gaya gravitasi menuju pusat bintang.  Namun, karena partikel-partikel penyusun bintang sebagian besar terdiri atas fermion, prinsip larangan Pauli menyebabkan keruntuhan partikel akhirnya berhenti. Partikel-partikel tersebut kemudian menempati “lokasi” dengan energi yang paling rendah, bagaikan air yang selalu bergerak ke tempat yang lebih rendah. Ketika “lokasi” tersebut sudah terisi, partikel-partikel lain tidak dapat mengisi lokasi dengan energi yang rendah tersebut, kita sebut keadaan ini sebagai keadaan terdegenerasi. Tekanan yang ditimbulkan antarpartikel dinamakan tekanan materi terdegenerasi, dan tekanan inilah yang menyebabkan partikel-partikel tidak terus menerus runtuh ke pusat bintang.

Materi terdegenerasi memiliki sifat yang unik, atau cukup aneh dibandingkan dengan materi biasa. Pada materi biasa, misalnya udara di ruangan, kenaikan suhu ruangan akan menyebabkan partikel-partikel udara bergerak lebih cepat. Selain itu, pada materi biasa, penambahan massa/jumlah partikel akan memperbesar ukuran benda tersebut. Namun pada materi terdegenerasi, karena partikel-partikel penyusunnya telah “terkunci” di “lokasi”-nya masing-masing, penambahan suhu tidak menaikkan kecepatan partikel penyusunnya. Selain itu pada materi terdegenerasi, penambahan massa/jumlah partikel justru memperkecil ukuran benda, karena nyatanya partikel terdegenerasi masih memiliki jarak satu sama lain (tidak bersentuhan), sehingga penambahan massa menyebabkan penambahan gaya gravitasi, yang membuat jarak antarpartikel semakin kecil.

Pada bintang katai putih, sebagian besar partikel tersusun oleh elektron. Sehingga tekanan pada bintang ditimbulkan oleh tekanan elektron terdegenerasi. Tapi, jika penambahan massa sudah melebihi batas tertentu, tekanan elektron terdegenerasi akhirnya tidak lagi mampu menopang katai putih, sehingga katai putih akan mengalami runtuh gravitasi menjadi bintang neutron.

Batas massa ini ditemukan oleh Subrahmanyan Chandrasekhar, pemenang hadiah Nobel bidang fisika tahun 1983. Batas massa yang diberi nama limit Chandrasekhar itu sekitar 1.44 massa Matahari.

Karena katai putih tidak melakukan reaksi nuklir, cahaya yang dipancarkan bintang katai putih seluruhnya berasal dari panas yang terperangkap di dalam katai putih. Hal ini berarti suatu saat energi yang tersimpan di dalam katai putih akan habis dipancarkan, dan katai putih akan menjadi katai hitam. Proses tersebut akan memakan waktu yang sangat lama karena kerapatan katai putih sangatlah tinggi, hanya energi di permukaannya saja yang dapat dipancarkan ke luar. Diperkirakan, waktu yang diperlukan agar energi katai putih habis, ternyata melebihi usia alam semesta saat ini (13.8 milyar tahun). Karena itu, keberadaan katai hitam masih menjadi sebuah misteri.

Selain menjelaskan sifat fisis dari katai putih, fisika kuantum juga memiliki banyak sumbangsih lain kepada ilmu astronomi. Contohnya, telaah lebih detail pada garis-garis spektrum bisa memberi informasi terkait medan magnet dan medan listrik pada objek astronomi, dan pemetaan lengan galaksi melalui pengamatan garis hidrogen pada panjang gelombang 21 cm. Selain itu, fisika kuantum juga menjelaskan bagaimana reaksi fusi nuklir di Matahari dapat terjadi. Perluasan dari fisika kuantum, yaitu teori medan kuantum (QFT) juga berperan dalam menjelaskan partikel-partikel yang ada di alam semesta. Fisika kuantum memang ilmu yang rumit, namun dengan mempelajarinya, kita akan menemukan banyak sekali wawasan baru yang bahkan tidak masuk akal sebelumnya.