Author: Koen (Page 33 of 87)

Lovelock dulu memiliki konsep yang namanya Gaia. Banyak yang mengkaitkan konsep ini dengan hal2, baik yang bersifat religius maupun quasi-religius. Tapi sebenarnya Gaia adalah konsep sains biasa. Seperti tubuh kita merupakan hasil sinergi dari sel2, maka tubuh kita juga bersinergi bersama organisme2 lain membentuk lingkungan yang saling mendukung kehidupan. Kita saling bergantung. Kita: makhluk hidup di bumi, unsur2 di bumi, lingkungan bumi, dan bumi itu sendiri. Bumi seolah menjadi suatu makhluk hidup besar dengan kita semua sebagai sel2 pendukungnya; membentuk jalur distribusi pendukung kehidupan bagi kita, sekaligus membentuk bumi sebagai satu kesatuan organisme.

Sering kita takjub; dan kadang kita terpaksa takjub; bahwa sistem apa pun di semesta ini saling mendukung. Anak SD sudah belajar tentang siklus air dan siklus oksigen. Anak SMP menambah belajar siklus nitrogen. Hey, sudah pernah baca tentang siklus belerang? Asik deh. Gini nih ceritanya.

Pertanyaan pertama: Belerang dari daratan cenderung terbawa air ke laut. Namun belerang di daratan tak tampak habis setelah jutaan tahun. Kapan belerang kembali ke darat? Melalui penguapan, kata ilmuwan zaman dulu. Tapi tak ada bukti bahwa laut menguapkan hidrogen sulfida yang baunya bukan main itu ke angkasa. Laut selalu berhawa segar.

Pertanyaan kedua: Bagaimana awan terbentuk di atas laut? Bumi kita sebagian besar terdiri dari laut. Di laut dan di darat terjadi penguapan air. Lalu terjadi pengembunan. Awan bukan hanya berfungsi dalam siklus air, tetapi juga menapis cahaya matahari. Tanpa awan yang banyak, lebih banyak sinar matahari yang memanasi permukaan bumi, dan mengakibatkan suhu rata2 di bumi mencapai 35 derajat Celcius, yaitu 20 derajat lebih tinggi daripada suhu sekarang. Bayangkan berapa suhu daerah tropis kalau dinaikkan 20 derajat dari sekarang. Lalu tinggal berapa es di kutub. Lalu tinggal berapa daratan tersisa. Dst. Di daratan, banyak partikel kecil yang bisa menjadi inti kondensasi, yang memudahkan terbentuknya awan: debu, aktivitas organik, polusi. Tapi bagaimana awan bisa terbentuk di atas lautan luas?

Pertanyaan ini baru terjawab beberapa belas tahun yang lalu. Tumbuhan laut, yang memiliki sel2 sederhana. Tumbuhan ini berusaha hidup dengan menahan masuknya garam (NaCl) ke dalam selnya. Ini dilakukan dengan membentuk senyawa penahan yang berbahan baku belerang, karena pasok belerang di laut banyak sekali, datang dari daratan. Waktu sel mereka terurai, senyawa penahan ini pecah dan menghasilkan gas dimetil sulfida (DMS) yang lepas ke atmosfir. Kita pasti mengenali bau senyawa ini: segar, mirip ikan segar yang baru diangkat dari laut. Setiap saat, sejumlah besar senyawa ini dilepas ke atmosfir, dan syukurnya, senyawa ini mampu menjadi inti kondensasi uap air. Pada gilirannya, terbentuk awan, yang menjadi hujan. Saat hujan jatuh di darat, senyawa belerang ini dikembalikan ke daratan untuk dimanfaatkan makhluk daratan. Lalu ampasnya, dalam dibuang lagi (duh) ke laut, untuk diolah oleh alga2 baik hati itu lagi.

So, inilah cerita Gaia. Proses2 itu dan proses2 lain bukan saja memungkinkan hidupnya makhluk yang terlibat, tetapi juga memungkinkan bumi memiliki suhu yang mendukung kehidupan secara total. Sekarang, bagaimana Gaia, sebagai sebuah organisme hidup, bisa beradaptasi. Katakanlah entah karena apa awan tak mudah terbentuk. Akibatnya, panas matahari lebih masuk ke dalam lautan. Akibatnya, ruang hidup yang nyaman buat alga meluas. Akibatnya lebih banyak alga. Akibatnya, lebih banyak DMS dilepas ke atmosfer, sambil juga makin banyak uap air. Maka makin banyak awan terbentuk, dan melindungi bumi dari panas leih lanjut. Maka suhu bumi turun. Begitulah. Subhanallah.

Kehidupan, secara fisik, umumnya dikaitkan dengan paduan unsur2: karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen (CHON). Tentu kita sadar bahwa kehidupan bisa diciptakan dari unsur2 yang berbeda. Tapi secara statistik, kemungkinan terbesar kehidupan terbentuk dari paduan 4 unsur itu.

Statistik? Waktu semesta sudah meruang panjang, dan level energi sudah mulai turun, mulai terbentuk hadron seperti proton dan netron. Inti nuklir yang ada hanyalah hidrogen. Dan sedikit persen helium, serta jauh lebih sedikit persen lithium. Saat kemudian bintang2 terbentuk, terjadi reaksi fusi yang mulai membentuk helium (He⁴). Fusi lebih lanjut menghasilkan lipatan dari helium, yaitu berilium Be⁸, karbon C¹², dan oksigen O¹⁶. Luruhan dan tumbukan di dalam bintang2 juga menghasilkan nitrogen N¹⁴.

Maka, biarpun semesta sebagian besar (di atas 99%) terdiri atas H dan He, unsur yang cukup banyak berarti (di bawah 1% tapi dikalikan seluruh semesta) adalah C, N, dan O. Be labil, mudah hilang. He, sebaliknya, sangat stabil, sulit bereaksi. Maka unsur yang banyak dan mudah bereaksi adalah C, H, O, N. Hai. Ditembaki sinar ultraviolet, bahan2 ini mulai menghasilkan metanol, amonia, dan asam sianida. Bahkan asam amino tertentu. Diambah kenyataan bahwa C mampu membentuk rantai, dan N sangat menarik untuk membentuk katalis, siaplah kita mencari bentuk kehidupan.

OK, jadi CHON. Tetapi, lebih spesifik lagi, waktu mencari kehidupan (berbasis CHON) di luar tatasurya, umumnya orang mencari spektrum molekul oksigen. Kenapa?

Kehidupan memiliki ciri fisik antara lain sebagai sistem yang dapat menurunkan entropi lokal. Kita pasti ingat, bahwa Hukum Termodinamika II bilang bahwa entropi cenderung meningkat. Tapi adanya kehidupan bisa secara lokal menaikkan keberaturan, menurunkan entropi; biarpun bagi lingkungan yang lebih luas, entropinya bisa saja masih meningkat. Anda mengubah makanan jadi tubuh yang terorganisasi baik; dan punya kecerdasan untuk memperbaiki dunia (wishfully). Tapi di tingkatan lain, proses semacam fotosintesis bisa jadi contoh yang lebih menarik. Senyawa oksigen O₂ itu dalam waktu tak lama akan mudah bereaksi dengan nyaris materi apa pun membentuk oksida-oksida. Bumi ini penuh silikon, karbon, besi, dll; dan semuanya mengikat oksigen jadi silikat (pasir), karbon dioksida, karat besi, dll. Ini adalah bentuk entropi yang meningkat. Tapi fotosintesis mengubah CO₂ jadi O₂ dan senyawa karbon. Merkurius, bumi, dan venus dibentuk kira2 dari unsur2 yang sama. Tetapi atmosfir bumi kaya O₂ , sementara di dua planet lainnya O₂ sudah nyaris habis bereaksi.

Mungkin bukan harus O₂ sih. Setidaknya, kalau ada planet (atau ruang lain) yang memiliki senyawa2 yang seharusnya mudah bereaksi, tetapi ternyata dia belum habis bereaksi setelah jutaan tahun planet itu ada, kita harus curiga bahwa ada sistem yang bisa menurunkan entropi lokal bercokol di lingkungan itu. Mungkin ada semacam kehidupan.

Tapi sebenarnya, daripada bikin entry weblog kayak gini, mendingan nulis Wiki aja kali ye?

Pada tahun 1862, Kelvin memperkirakan umur semesta: 30 juta tahun. Itu berdasar hasil kalkulasi energi vs usia matahari. Darwin, yang sempat mengkalkulasi bahwa bumi harus berusia setidaknya 300 juta tahun untuk memungkinkan evolusi tersebar seperti yang diketahuinya, serta merta menghapus hasil perhitungannya dari bukunya, dan lebih suka turut mengamini Kelvin. Rutherford, setelah radioaktif ditemukan, menghitung usia semesta sekitar 4,5 miliar tahun. Ia menyampaikan hal ini di depan sidang ilmuwan yang dipimpin Kelvin, dengan cara yang amat diplomatis (hmmm).

“Tuan Kelvin membatasi usia bumi pada angka tertentu, jika tidak ada bentuk energi baru yang ditemukan. Visi beliau kemudian menjadi kenyataan, bahwa kita menemukan bentuk energi lain: radium.”

Radioaktivitas diakibatkan oleh interaksi yang kemudian disebut energi nuklir lemah, atau energi lemah (weak energy). Ia berinteraksi mengikat inti atom. Jika gravitasi dan elektromagnetika telah teramati sekian ratus tahun sebelumnya, radioaktivitas baru mulai dipahami di awal abad ke-20. Ini karena sifat energi lemah yang berbeda: ia hanya memiliki jangkauan pendek (sejauh 10^-18m saja), sehingga tidak memiliki gelombang yang teramati seperti dua bentuk energi lainnya. Jangkauannya yang pendek ini tak terlepas dari sifatnya yang lain: ia memiliki massa. Ia juga bisa memiliki muatan. Partikel pembawa energi ini, disebut boson W+, W-, dan Z. W+ dan W- memiliki massa yang sama: 80 GeV, dengan muatan masing2 positif dan negatif. Z memiliki massa 91 GeV.

Hal lain yang membuat boson2 ini berbeda adalah bahwa, ehm, interaksi dengan boson ini bisa mengubah jenis partikel. Netron dapat berinteraksi dengan W- dan berubah menjadi proton. Karena netron memiliki kuark u-d-d dan proton u-u-d, maka artinya dalam interaksi itu terdapat sebuah kuark d yang berubah menjadi u. Tapi lebih lanjut, si W- dapat terus berubah menjadi elektron dan antineutrino. Pauli lah yang menghipotesiskan adanya neutrino (partikel yang memiliki sifat2: muatan nol, massa amat mendekati nol, dan tidak meluruh) akibat adanya ketidaksetimbangan jika W- hanya menjadi elektron. Tapi nama neutrino dan karakteristiknya diberikan oleh Fermi. Majalah Nature waktu itu sempat menolak paper Fermi tentang neutrino — menganggapnya terlalu spekulatif.

Soal massa pada boson2 W dan Z membuat orang mulai mendalami teori tentang massa sendiri. Tahun 1960an, Higgs menghipotesiskan sebuah mekanisme, yang kemudian dinamai mekanisme Higgs. Medan Higgs berinteraksi dengan partikel2 tertentu, yang efeknya adalah terbentuknya kurvatur pada dimensi ruang-waktu di sekitar si partikel, yang mengubah inersia si partikel itu. Ini yang kemudian menjadi massa partikel. Dan dengan demikian, massa menjadi tidak konstan: ia terpengaruh oleh kecepatan.

Abdussalaam, Glashow, dan Weinberg kemudian menemukan paduan antara elektromagnetika dengan energi lemah. Pada level energi tinggi, ini adalah bentuk energi yang sama. Tapi pada saat level energi turun, simetri pecah, dan terbentuk partikel2 yang berbeda: foton tak terpengaruh medan Higgs dan tak memiliki muatan; W terpengaruh medan Higgs dan bermuatan; Z terpengaruh medan Higgs tapi tak memiliki muatan. Masih ada hal menarik pada boson pembawa energi lemah: ia melanggar simetri paritas. Hmmm, panjang nih kalau ceritanya sampai ke sini :). Yang jelas, efeknya a.l. adalah bahwa neutrino hingga saat ini selalu ditemukan berspin ke kiri.