Category: Science (Page 4 of 12)

“Imagination is more important than knowledge,” begitu dia tulis. Juga: “A human being is a part of the whole, called by us ‘Universe,’ a part limited in time and space. He experiences himself, his thoughts and feelings as something separated from the rest kind of optical delusion of his consciousness. This delusion is a kind of prison for us, restricting us to our personal desires and to affection for a few persons nearest to us. Our task must be to free ourselves from this prison by widening our circle of compassion to embrace all living creatures and the whole of nature in its beauty. Nobody is able to achieve this completely, but the striving for such achievement is in itself a part of the liberation and a foundation for inner security.”

Selamat Ulang Tahun, Albert Einstein, Tokoh Pilihan Abad ke 20. FYI, ini adalah ulang tahun ke 10000000, biner.

Dan kalau kita di abad ke 21 ini sudah lupa, kenapa seorang fisikawan bisa terpilih jadi tokoh abad ke 20, alih2 matematikawan, psikolog, politisi, teroris, juru damai, dan sebagainya; berarti kita betul2 lupa bahwa Einstein bukan sekedar fisikawan. Ia adalah inspirasi abad ke 20. Berbagai filsafat abad ke 20 memperoleh inspirasi dan semacam pembenaran dari hasil kerja (dan turunan hasil kerja) tokoh ini. Tapi, OK, kita tak sedang bicara soal ini :).

Hari ini kebetulan juga hari π. Tahun2 lalu pernah aku singgung sekilas di sini. Tapi tahun ini hari π diperingati di weblog Jay. Dan Jay jadi membahas konstanta. Dan waktu sekilas meninggalkan komentar, terpaksa aku mengingat kembali tokoh kita ini.

Saat mulai bermain dengan relativitas, Einstein mulai berbagi narasi bahwa waktu adalah dimensi yang sama dengan ruang. Dan dengan demikian ia mulai selau menulisnya sebagai besaran dimensi zeit-raum yang tunggal. Meneruskan permainan relativitas dan efek fotolistrik, ia berbagi diskursus yang lebih menarik: materi dan energi adalah entitas yang sama. E=mc², dengan c sebuah tetapan yang hanya mengkonversi satuan. Tapi kalau ruang dan waktu memang sama, kenapa c harus punya nilai dan satuan. Berikan saja nilai 1. Kalau perlu satuan, c = 1 kaki per nanodetik :). Tapi kalau c tanpa satuan, kita bisa bayangkan bahwa waktu 1 nanodetik setara dengan jarak 1 kaki :) :). Kita teruskan dengan E = m. Kita bisa bercerita tentang massa sekian GeV tanpa harus mengkonversikan dalam hati menjadi kg. Dan, oh, kalau memang massa dan energi memang harus punya satuan (katakan eV), maka baik jarak maupun waktu sebagai dimensi ‘sebenarnya’ dapat dirumuskan sebagai inversi dimensi massa atau energi. Dengan demikian satuannya adalah eV^-1. Kemudian … banyak hal2 menarik dari sini :), asal nggak terantuk sama angka 137.

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.

Kira-kira bulan lalu, Amazon menawari buku “The Trouble with Physics” dari Lee Smolin. Aku pernah baca Smolin, dan sempat sedikit diulas di web ini juga. Jadi cukup tertarik juga sama judul ini. Subjudulnya berbunyi “The Rise of String Theory …” Amazon juga menawarkan buku itu berpasangan dengan “Not Even Wrong” dengan subjudul “The Failure of String Theory …” oleh Peter Woit. Gara2 ditawari buku2 ini, jadilah kita menjelajahi lagi Teori String dan para penerusnya.

Peter Woit termasuk kaum skeptik kawakan terhadap Teori String. Sejak awal dasawarsa ini, ia giat mengetengahkan sanggahan atas Teori String. Dari yang judulnya rada netral “String Theory: An Evaluation” sampai yang mulai menonjok: “Is String Theory Even Wrong?” Istilah terakhir ini mencontek fisikawan masyhur Wolfgang Pauli, yang suka memberi predikat atas teori-teori tanpa dasar sebagai “It is not right. It is not even wrong.” Dan justru tonjokan inilah yang kemudian dijadikan judul buku Woit. Woit juga menjelaskan pikiran2nya dalam weblognya, yang juga dijuduli Not Even Wrong.

Kubu Teori String ternyata ogah ditonjok tanpa perlawanan. Salah satu yang melakukan pembalasan adalah Luboš Motl. Di weblognya yang berjudul The Reference Frame, ia menyerang balik para penentang Teori String, terutama Woit, dan tentu juga Smolin. Tapi memang fisikawan muda ini rada keras :). Weblognya juga menentang teori Global Warm, dan menyatakan patriotisme luar biasa buat Amrik.

Di lain pihak, Lee Smolin menyatakan keberatannya, dalam sebuah surat terbuka, di mana ia menyatakan bahwa ia masih mendukung diteruskannya riset atas Teori String. Yang ia sampaikan adalah bahwa orang harus ingat bahwa Teori String belum mencapai tahap yang memuaskan, sehingga belum dapat disebut sebagai teori yang final, seperti yang mulai banyak digembargemborkan orang. Cover bukunya memang provokatif, kata Smolin. Tetapi itu dibuat pihak lain. Dan ilmuwan selayaknya tidak pernah menilai buku dari covernya. Posisi Smolin ini juga bisa dirujuk dari paper-papernya di arxiv.

Trus … bersambung. Aku masih penasaran mau baca bukunya dulu :).

Ada ceritanya kenapa administrasi Amerika suka menamai dirinya sebagai Leader of the World. Kita mulai dari seorang Thomas Midgley, seorang ahli mesin yang mendadak suka bereksperimen dengan kimia. Saat bekerja di General Motors tahun 1921, ia menemukan bahwa senyawa tetraethyl lead mampu mengurangi gejala ketukan pada mesin. Waktu itu lead (timbal) sudah diketahui sebagai unsur beracun. Neurotoxin. Sedikit berlebihan terpapar olehnya, dapat terjadi kerusakan otak dan jaringan syaraf pusat yang tak dapat diperbaiki. Gejala yang lebih ringan meliputi kebutaan, gagal ginjal, dan kanker. Menyadari bahaya timbal, pada tahun 1923, tiga perusahaan (General Motors, Du Pont, dan Standard Oil of New Jersey) membentuk perusahaan bernama Ethyl untuk memproduksi tetraethyl lead sebagai aditif bagi bahan bakar mobil. Nama Ethyl digunakan untuk menyembunyikan nama Lead, tentu. Pada hari2 pertama produksi, sejumlah karyawan mengalami keracunan. Beberapa meninggal. Namun Ethyl menyembunyikan fakta ini. Midgley bahkan menampakkan diri di depan wartawan sambil mencium senyawa TEL (begitu mereka mengkodekan nama senyawa ini, menyembunyikan nama lead). Tentu, kalau jauh dari wartawan, Midgley sangat2 menjauhkan diri dari TEL.

Kita beralih ke seorang geolog, Clair Patterson, yang sedang berproyek mengukur usia bumi. Dia menggunakan metode pengukuran isotop timbal, diambil dari batuan tua, di lab yang steril. Batuan tua sulit ditemukan di bumi (karena pergeseran lempeng benua). Patterson bergagasan untuk mengukur meteorit saja. Toh, meteorit itu terbentuk pada saat yang kurang lebih sama dengan planet2. Kesalnya, semua batuan, baik batuan tua dan meteorit, tercemar timbal. Maka Patterson membangun lab steril itu. Tahun 1953, analisis spektrum kristalnya akhirnya menghasilkan angka usia bumi: 4550 juta tahun (plus minus 70 juta tahun) — angka yang diakui para ilmuwan hingga 50 tahun kemudian.

Tapi lalu Patterson mengalihkan perhatian pada timbal, yang sempat mencemari eksperimennya. Kok bisa, katanya, orang tidak tahu bahwa udara kita sudah sedemikian tercemarnya oleh timbal. Ada beberapa studi kesehatan yang pernah dilakukan (tapi disponsori oleh industri tetraethyl lead, eh TEL). Misalnya bahwa kadar timbal dalam keluaran manusia amat minim. Penelitian ini tentu menyesatkan, karena sebenarnya timbal tidak dibuang: dia tersimpan permanen dalam darah dan tulang makhluk hidup, yang tidak diukur dalam penelitian itu.

Patterson melakukan pengukuran di lapisan es di Greenland. Lapisan es itu mirip lapisan pada kayu pohon: ada garis tahun yang dibentuk oleh perbedaan cuaca pada musim panas dan musim dingin. Penelitian Patterson menunjukkan: nyaris tidak ada timbal di atmosfir sebelum 1923, tetapi kemudian kadar timbal meningkat cepat memasuki konsetrasi yang membahayakan.

Penemuan Patterson segera mempengaruhi karirnya. Orang Ethyl ada di mana2, dari Mahkamah Agung hingga pimpinan National Geograpic Society. Dana risetnya dibatalkan oleh lembaga2, dari lembaga swasta hingga lembaga yang berafiliasi ke pemerintah. Caltech (tempat bekerja Patterson) ditekan untuk mengeluarkan Patterson. Terakhir, dia juga dikeluarkan dari komisi Dewan Riset Nasional, pada 1971. Tetapi khalayak terlanjur paham apa yang terjadi, dan membentuk tekanan2 tersendiri. Maka pada tahun 1986, tetraethyl lead dilarang digunakan dalam BBM. Kadar timbal dalam darah orang Amerika pun turun 80%. Tetapi karena timbal tak dibuang, kadar itu tetap 600 kali lebih tinggi daripada orang abad sebelumnya. Timbal kemudian juga dilarang masuk ke cat rumah. Dan tahun 1993, timbal dilarang masuk ke komponen kemasan makanan. Di Indonesia, kita turut menikmati pembebasan ini dengan hilangnya Bensin Super, dan kemudian masuknya Premix dan kemudian Pertamax. Ethyl tak lagi memproduksi BBM, tetapi di laporan tahunannya, dia masuk membukukan penjualan TEL.

Clair Patterson meninggal tahun 1995. Tanpa penghargaan resmi apa pun (termasuk untuk keberhasilan menentukan usia bumi). Dan bahkan namanya jarang dikenal. Jujur deh, Anda pernah mendengar nama ini sebelumnya? Thomas Midgley sendiri meninggal tahun 1944. Tetapi sebelum meninggal, ia sempat menciptakan satu lagi bencana permanen bagi bumi: CFC, si perusak ozon. Jika timbal abadi di manusia, CFC abadi nun di lapis atmosfir di atas sana, aktif melubangi ozon, dan membiarkan ultraviolet kosmis membunuhi makhluk bumi. Terima kasih atas riset2 orang Amerika yang disponsori kalangan industri. We sincerely call you the LEADers of the world.