https://madrid.hostmaster.org/articles/physics_before_the_standard_model/id.html
Menjelang akhir abad ke-19, fisika tampak hampir selesai. Hukum gerak dan gravitasi Newton telah bertahan tanpa tantangan selama lebih dari dua abad. Persamaan Maxwell menyatukan listrik dan magnetisme menjadi satu medan elektromagnetik. Termodinamika menjelaskan panas, mesin, dan entropi. Seorang fisikawan yang penuh percaya diri pada tahun 1890-an bisa percaya bahwa prinsip-prinsip dasar alam pada dasarnya sudah diketahui, dengan hanya beberapa detail kecil yang perlu diisi.
Suasana ini dirangkum secara terkenal oleh Lord Kelvin, yang pada tahun 1900 menyatakan bahwa fisika hampir selesai, kecuali beberapa “awan di cakrawala.” Ironisnya, awan-awan tersebut memicu badai yang mengubah fisika selamanya.
Hukum gerak dan gravitasi universal Newton sangat kuat. Hukum-hukum ini menjelaskan jatuhnya apel dan orbit Bulan dengan rumus yang sama. Hukum ini memprediksi kembalinya komet Halley, memandu navigasi planet, dan menginspirasi generasi ilmuwan.
Namun, tidak semuanya cocok dengan sempurna. Orbit Merkurius, planet terdalam, mengalami presesi – titik terdekatnya dengan Matahari bergeser sedikit setiap putaran. Sebagian besar fenomena ini dapat dijelaskan oleh mekanika Newton dan tarikan gravitasi planet lain. Namun, tetap ada kelebihan 43 detik busur per abad yang tidak dapat dijelaskan. Beberapa mengusulkan adanya planet tak terlihat, “Vulkan,” untuk menjelaskan hal ini. Tetapi teleskop tidak pernah menemukan dunia seperti itu.
Ketidaksesuaian kecil ini mudah diabaikan, tetapi itu adalah salah satu awan Kelvin yang tersamar: sebuah anomali kecil yang mengisyaratkan kelemahan yang lebih dalam dalam gambaran gravitasi instan dan absolut Newton – sebuah bisikan awal tentang ruang-waktu yang melengkung.
Awan lain muncul di dunia panas dan cahaya. Benda hitam – objek ideal yang menyerap dan memancarkan kembali semua radiasi – bersinar dengan spektrum karakteristik tergantung pada suhunya. Fisika klasik memprediksi bahwa pada frekuensi tinggi, radiasi yang dipancarkan akan meningkat tanpa batas, menyebabkan apa yang disebut “bencana ultraviolet.” Dengan kata lain, kompor panas seharusnya bersinar dengan energi tak terbatas dalam cahaya ultraviolet – jelas-jelas absurd.
Eksperimen menunjukkan bahwa benda hitam nyata memancarkan spektrum yang terbatas dan terdefinisi dengan baik. Kegagalan fisika klasik di sini sangat mencolok dan tidak dapat diperbaiki tanpa prinsip baru.
Max Planck, pada tahun 1900, dengan enggan mengusulkan solusi berani: energi tidak kontinu, tetapi datang dalam paket diskrit – kuantum. Belakangan ia merenung, “Saya harus menggunakan semacam keputusasaan, sebuah tindakan putus asa.” Ide radikal ini menandai kelahiran teori kuantum, meskipun Planck sendiri melihatnya sebagai trik, bukan revolusi. Awan lain menggelap, menunggu untuk pecah.
Pada tahun 1905, Albert Einstein memperdalam pukulan kuantum terhadap fisika klasik. Cahaya, yang lama dipahami sebagai gelombang, juga bisa berperilaku seperti partikel. Dalam efek fotoelektrik, cahaya yang menyinari logam mengeluarkan elektron. Teori klasik menyatakan bahwa energi elektron yang dikeluarkan seharusnya bergantung pada intensitas cahaya. Sebaliknya, eksperimen menunjukkan bahwa itu bergantung pada frekuensi. Hanya cahaya di atas frekuensi ambang – terlepas dari kecerahannya – yang dapat mengeluarkan elektron.
Einstein menjelaskan ini dengan mengusulkan bahwa cahaya datang dalam paket energi, yang kemudian disebut foton. “Sepertinya kuantum cahaya harus diambil secara harfiah,” tulisnya.
Kembalinya yang mengejutkan ke pandangan partikel cahaya ini membuatnya mendapatkan Hadiah Nobel. Yang lebih penting, ini menunjukkan bahwa dualitas gelombang-partikel bukanlah sekadar keanehan, melainkan prinsip dasar. Awan lain berkilat menjadi petir.
Pada awal tahun 1900-an, atom diterima sebagai nyata, tetapi strukturnya misterius. Model “puding prem” J.J. Thomson membayangkan elektron tertanam dalam muatan positif yang menyebar. Tetapi pada tahun 1911, eksperimen foil emas Rutherford menghancurkan gambaran itu. Dengan menembakkan partikel alfa ke foil emas tipis, ia menemukan bahwa sebagian besar lolos, tetapi beberapa tersebar pada sudut tajam – “seolah-olah Anda menembakkan peluru 15 inci ke selembar kertas tisu dan itu kembali,” kata Rutherford.
Kesimpulan: atom memiliki inti kecil dan padat yang dikelilingi oleh ruang yang sebagian besar kosong. Tetapi mengapa elektron yang mengorbit tidak berputar ke dalam inti, memancarkan energi mereka? Elektrodinamika klasik tidak memberikan jawaban. Stabilitas atom adalah misteri – awan Kelvin lain yang membesar menjadi badai.
Pada tahun 1910, retakan-retakan itu terlalu besar untuk diabaikan. Fisika klasik tidak dapat menjelaskan:
Apa yang tampak seperti anomali kecil ternyata adalah gejala kegagalan yang lebih dalam. Dalam dua dekade, mereka mengarah pada dua revolusi: relativitas umum untuk menjelaskan gravitasi dan geometri ruang-waktu, dan mekanika kuantum untuk menjelaskan dunia mikroskopis.
Fisika jauh dari selesai. Fisika baru saja mulai mengungkap struktur aneh dan berlapis dari realitas.
Pada awal abad ke-20, retakan dalam fisika klasik telah menjadi lubang yang menganga. Radiasi benda hitam, efek fotoelektrik, struktur atom – tidak ada dari ini yang dapat dijelaskan oleh mekanika Newton atau elektromagnetisme Maxwell. Para fisikawan terpaksa mengadopsi serangkaian ide yang semakin berani. Hasilnya bukan koreksi kecil, melainkan reimaginasi penuh dari realitas: mekanika kuantum.
Pada tahun 1900, Max Planck berusaha menyelesaikan masalah benda hitam. Fisika klasik memprediksi radiasi tak terbatas pada frekuensi tinggi – “bencana ultraviolet.” Dengan putus asa, Planck memperkenalkan trik matematis yang berani: asumsikan energi tidak kontinu tetapi dipancarkan dalam paket diskrit, sebanding dengan frekuensi:
\[ E = h\nu \]
Penjelasan sederhana: sinar cahaya dengan frekuensi \(\nu\) hanya dapat menukar energi dalam potongan berukuran \(h\nu\); cahaya dengan frekuensi lebih tinggi membawa “gumpalan” energi yang lebih besar.
Planck sendiri memandang ini sebagai perbaikan pragmatis, bukan perubahan radikal. Tetapi itu adalah retakan pertama di dinding kontinuitas yang telah mendefinisikan fisika selama berabad-abad.
Lima tahun kemudian, Einstein menganggap serius ide Planck. Untuk menjelaskan efek fotoelektrik, ia mengusulkan bahwa cahaya sendiri terdiri dari kuantum – yang kemudian disebut foton.
Ini mengejutkan. Cahaya telah dipahami sebagai gelombang sejak eksperimen celah ganda Young seabad sebelumnya. Tetapi Einstein menunjukkan bahwa cahaya juga bisa berperilaku seperti partikel. Dualitas gelombang-partikel lahir.
Efek fotoelektrik membuat Einstein memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1921, dan menandai kemenangan pertama yang menentukan dari pandangan kuantum – awan lain yang berubah menjadi badai.
Struktur atom tetap menjadi teka-teki. Rutherford telah menunjukkan bahwa inti ada, tetapi mengapa elektron yang mengorbit tidak berputar ke dalam?
Pada tahun 1913, Niels Bohr mengusulkan solusi berani: elektron hanya menempati orbit diskrit tertentu dan dapat melompat di antaranya dengan memancarkan atau menyerap kuantum cahaya. Modelnya menjelaskan garis spektral hidrogen dengan akurasi yang menakjubkan.
Atom Bohr adalah campuran yang tidak nyaman antara orbit klasik dan aturan kuantum, tetapi berhasil. Ini adalah petunjuk bahwa kuantisasi bukan hanya trik – itu adalah prinsip dasar. Bohr bercanda, “Siapa pun yang tidak terkejut oleh teori kuantum belum memahaminya.” Kejutan, bagi Bohr, adalah tanda bahwa Anda memperhatikan.
Pada tahun 1924, Louis de Broglie membalikkan dualitas. Jika gelombang cahaya bisa bertindak seperti partikel, mungkin partikel bisa bertindak seperti gelombang. Ia mengusulkan bahwa elektron memiliki panjang gelombang, diberikan oleh:
\[ \lambda = \frac{h}{p} \]
Penjelasan sederhana: partikel dengan momentum \(p\) yang lebih besar memiliki panjang gelombang yang lebih pendek; “peluru” cepat dan berat tampak kurang bergelombang daripada yang lambat dan ringan.
Ide ini dikonfirmasi pada tahun 1927 ketika Davisson dan Germer mengamati difraksi elektron dari kristal. Materi bersifat bergelombang. Dinding antara gelombang dan partikel runtuh.
Werner Heisenberg, pada tahun 1925, mencari kerangka konsisten yang berpegang pada hal-hal yang dapat diamati – frekuensi dan intensitas radiasi yang dipancarkan yang dapat diukur – tanpa menggambarkan orbit elektron yang tidak dapat diamati. Hasilnya adalah mekanika matriks: aljabar baru di mana urutan perkalian penting (\(AB \neq BA\)).
Matematika radikal ini menangkap lompatan diskontinu elektron dan memprediksi spektrum dengan akurasi yang menakjubkan. Membingungkan? Ya. Tetapi juga sangat prediktif.
Hampir bersamaan, Erwin Schrödinger mengembangkan persamaan gelombang yang menggambarkan bagaimana gelombang materi berevolusi dalam waktu:
\[ i\hbar \frac{\partial}{\partial t} \Psi = \hat{H}\Psi \]
Penjelasan sederhana: fungsi gelombang \(\Psi\) mengkode probabilitas sistem, dan Hamiltonian \(\hat{H}\) menjelaskan bagaimana probabilitas tersebut berubah seiring waktu.
Pendekatan Schrödinger lebih intuitif daripada matriks Heisenberg, dan segera menjadi bahasa standar mekanika kuantum. Awalnya, Schrödinger berpikir bahwa elektron secara harfiah adalah gelombang yang menyebar, tetapi eksperimen menunjukkan sebaliknya. Fungsi gelombang bukanlah riak fisik di ruang, melainkan amplitudo probabilitas – jenis realitas baru.
Pada tahun 1927, Heisenberg meresmikan konsekuensi yang mengejutkan: seseorang tidak dapat mengetahui posisi dan momentum partikel secara bersamaan dengan presisi sewenang-wenang. Prinsip ketidakpastian ini bukanlah keterbatasan perangkat pengukuran, melainkan sifat dasar alam:
\[ \Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} \]
Penjelasan sederhana: semakin ketat Anda mengetahui posisi, semakin longgar Anda mengetahui momentum, dan sebaliknya; alam itu sendiri menarik batas ini.
Determinisme, dasar fisika Newton, memberi jalan kepada probabilitas.
Bohr dan Heisenberg menawarkan interpretasi: mekanika kuantum tidak menggambarkan realitas pasti, tetapi probabilitas hasil pengukuran. Tindakan pengukuran membuat fungsi gelombang runtuh.
Interpretasi Kopenhagen ini pragmatis dan sukses, meskipun secara filosofis mengganggu. Einstein dengan terkenal menolak – “Tuhan tidak bermain dadu” – tetapi eksperimen terus-menerus mengkonfirmasi sifat probabilistik mekanika kuantum.
Pada tahun 1928, Paul Dirac menggabungkan mekanika kuantum dengan relativitas khusus, menghasilkan persamaan Dirac. Ini menggambarkan elektron dengan akurasi yang belum pernah ada sebelumnya dan memprediksi partikel baru: positron, yang ditemukan pada tahun 1932. Kepercayaan diri Dirac yang tenang – “Hukum fisika yang mendasari yang diperlukan untuk teori matematis sebagian besar fisika dan seluruh kimia kini sepenuhnya diketahui” – menangkap ambisi era tersebut.
Ini adalah petunjuk pertama bahwa teori kuantum dapat disatukan dengan relativitas – sebuah janji yang berkembang menjadi teori medan kuantum.
Pada tahun 1930-an, revolusi kuantum selesai:
Fisika klasik tidak dibuang; itu dipulihkan sebagai batas mekanika kuantum pada skala besar. Ini adalah pelajaran pertama fisika modern: teori lama tidak pernah “salah,” hanya tidak lengkap.
Namun, bahkan mekanika kuantum, sebrilian apapun itu, menghadapi tantangan baru. Bagaimana partikel berinteraksi, menyebar, annihilasi, dan muncul kembali? Bagaimana membangun kerangka di mana jumlah partikel tidak tetap dan tuntutan relativitas terpenuhi?
Jawabannya datang pada pertengahan abad ke-20 dengan teori medan kuantum, yang dipelopori oleh Feynman dan lainnya – bab berikutnya dalam cerita kita.
Mekanika kuantum telah menang dalam menjelaskan atom dan molekul, tetapi ketika eksperimen menyelami lebih dalam, batas-batasnya menjadi jelas. Elektron, foton, dan partikel lain tidak hanya duduk dalam keadaan terikat – mereka berinteraksi, bertabrakan, annihilasi, dan menciptakan partikel baru. Untuk menggambarkan proses ini, mekanika kuantum perlu dipadukan dengan relativitas khusus Einstein. Hasilnya adalah teori medan kuantum (QFT), kerangka yang menjadi dasar seluruh fisika partikel modern.
Mekanika kuantum biasa memperlakukan jumlah partikel sebagai tetap. Elektron dapat bergerak dalam atom, tetapi tidak bisa tiba-tiba menghilang atau berubah. Namun, eksperimen dalam akselerator partikel menunjukkan justru itu: partikel terus-menerus diciptakan dan dihancurkan. Dan relativitas dengan \(E=mc^2\) menuntut bahwa tabrakan yang cukup energik dapat mengubah energi menjadi massa baru.
QFT menjawab dengan menggeser ontologi: medan adalah fundamental; partikel adalah eksitasi. Setiap spesies partikel sesuai dengan medan kuantum yang meresap ke seluruh ruang.
Penciptaan dan annihilasi menjadi alami: eksitasi atau de-eksitasi medan.
QFT relativistik yang pertama kali sepenuhnya sukses adalah elektrodinamika kuantum (QED), yang menggambarkan interaksi materi bermuatan (seperti elektron) dengan foton. Dikembangkan pada 1940-an oleh Richard Feynman, Julian Schwinger, dan Sin-Itiro Tomonaga – yang berbagi Hadiah Nobel 1965 – QED menyelesaikan masalah perhitungan awal: tak terhingga.
Kuncinya adalah renormalisasi, cara yang berprinsip untuk menyerap beberapa tak terhingga ke dalam beberapa parameter yang dapat diukur (muatan, massa), meninggalkan prediksi terbatas yang tepat. Hasilnya bersejarah: QED memprediksi momen magnetik elektron dengan akurasi luar biasa – salah satu prediksi yang paling tepat diverifikasi dalam semua ilmu pengetahuan.
Kontribusi paling berpengaruh Feynman adalah konseptual. Ia menemukan kalkulus bergambar – diagram Feynman – yang mengubah integral yang buram menjadi proses visual yang dapat dihitung.
Diagram menghitung “sejarah” yang mungkin berkontribusi pada suatu proses, mencerminkan pandangan integral jalur Feynman: proses kuantum menjelajahi semua jalur; amplitudo dijumlahkan; probabilitas mengikuti dari kuadrat magnitudonya. Apa yang dulunya menakutkan menjadi nyata dan dapat dihitung.
QED menguasai elektromagnetisme. Tetapi kotak alat yang sama – medan, simetri gauge, renormalisasi, diagramatika – bisa melangkah lebih jauh.
Motif penyatuan adalah simetri gauge: menuntut bahwa persamaan mempertahankan bentuknya di bawah transformasi lokal, dan medan gauge yang diperlukan (foton, gluon, W/Z) serta struktur interaksi muncul dengan keniscayaan yang luar biasa.
Menjelang akhir pertengahan abad, QFT telah menjadi lingua franca fisika partikel. Ini mengatur dunia subatomik dan memungkinkan perhitungan presisi. Tetapi gravitasi menolak kuantisasi – trik renormalisasi yang sama gagal – dan teori kuantum penuh tentang ruang-waktu tetap sulit dipahami. QFT adalah kemenangan luar biasa, tetapi terbatas pada domainnya.
Keberhasilan QED memberanikan para fisikawan untuk menangani perbatasan kacau tahun 1950-an dan 60-an: “kebun binatang partikel.” Hadron baru – pion, kaon, hiperon, resonansi – mengalir dari akselerator dalam jumlah yang membingungkan. Apakah kekacauan ini fundamental, atau dapat diatur seperti tabel periodik?
Ikatan nuklir menunjukkan fitur aneh:
Analogi klasik gagal. Gambar baru yang radikal diperlukan.
Pada tahun 1964, Murray Gell-Mann dan, secara independen, George Zweig mengusulkan bahwa hadron dibangun dari konstituen yang lebih sedikit dan lebih fundamental: kuark.
Model ini mengatur kebun binatang. Tetapi tidak ada eksperimen yang pernah mengisolasi satu kuark pun. Apakah kuark “nyata,” atau hanya pencatatan yang berguna?
Bahkan ketika proton dihancurkan pada energi tinggi, detektor melihat hujan hadron, bukan kuark bebas. Sepertinya gaya yang mengikat kuark menjadi lebih kuat saat Anda mencoba memisahkannya – seperti karet gelang yang semakin kencang saat ditarik. Bagaimana gaya bisa berperilaku begitu berbeda dari elektromagnetisme?
Terobosan adalah teori gauge non-Abelian baru: kromodinamika kuantum (QCD).
Fitur terakhir ini – boson gauge yang berinteraksi sendiri – membuat QCD berbeda secara kualitatif dari QED dan mendukung sifat-sifatnya yang paling mencolok.
Pada tahun 1973, David Gross, Frank Wilczek, dan David Politzer menemukan kebebasan asimtotik:
Penjelasan sederhana: perbesar dengan lebih banyak energi, dan kuark lepas dari tali; menjauh, dan tali menarik kencang.
Ini menjelaskan hasil hamburan inelastik dalam SLAC (konstituen seperti titik di dalam proton) dan ketiadaan kuark bebas. Ketiganya menerima Hadiah Nobel 2004.
QCD matang dari ide elegan menjadi landasan empiris:
Hadron menjadi komposit, bukan fundamental; gluon melakukan “pengeleman”.
QCD, dikombinasikan dengan QED dan teori elektrolemah, menyelesaikan Model Standar (SM). Ini adalah kesuksesan besar, namun menyoroti teka-teki baru:
Teori ini menjelaskan banyak – tetapi tidak semuanya.
Pada awal 1970-an, QED dan QCD sudah mapan. Tetapi gaya nuklir lemah – yang bertanggung jawab atas peluruhan radioaktif dan fusi bintang – tetap aneh: berjangkau pendek, melanggar paritas, dimediasi oleh boson berat.
Persatuan yang lebih dalam menggoda. Ini tiba sebagai teori elektrolemah, salah satu pencapaian puncak fisika. Prediksi utamanya – boson Higgs – membutuhkan hampir setengah abad untuk dikonfirmasi.
Gaya lemah muncul dalam:
Fitur khas:
Dari mana boson-boson ini mendapatkan massanya, sementara foton tetap tanpa massa? Ini adalah teka-teki utama.
Pada 1960-an, Sheldon Glashow, Abdus Salam, dan Steven Weinberg mengusulkan penyatuan: elektromagnetisme dan gaya lemah adalah dua wajah dari satu interaksi elektrolemah.
Ide kunci:
Medan Higgs seperti medium kosmik yang mengisi seluruh ruang. Partikel yang berinteraksi dengannya memperoleh massa inersia; yang tidak berinteraksi (seperti foton) tetap tanpa massa.
Penjelasan sederhana: massa bukanlah “substansi” yang diberikan sekali untuk selamanya, melainkan interaksi terus-menerus dengan medan yang selalu ada.
Eksperimen heroik menguji teori ini:
Penemuan ini melengkapi daftar partikel Model Standar. Badai telah berlalu; peta sesuai dengan medan.
Pada 2010-an, Model Standar berdiri sebagai salah satu teori paling sukses dalam sains:
Gaya (medan):
Partikel:
Kekuatan prediktifnya luar biasa, dikonfirmasi melalui generasi kolider dan detektor.
Bahkan ketika botol sampanye dibuka pada tahun 2012, para fisikawan tahu bahwa SM tidak lengkap.
Penemuan Higgs bukan akhir, melainkan awal – tanda bahwa SM benar sejauh ini.
Dari “awan” sederhana Kelvin hingga revolusi penuh, fisika maju dengan menganggap serius anomali:
Teori lama tidak dibuang tetapi disarangkan sebagai kasus batas: Newton dalam Einstein pada kecepatan rendah dan gravitasi lemah, fisika klasik dalam kuantum pada skala besar, kuantum non-relativistik dalam QFT pada jumlah partikel tetap.
Dari alam semesta mekanis Newton ke kuantum putus asa Planck; dari foton Einstein ke lompatan kuantum Bohr; dari diagram Feynman ke jet QCD dan kehadiran diam medan Higgs – 150 tahun terakhir menunjukkan badai yang lahir dari awan kecil. Setiap anomali – orbit Merkurius, spektrum benda hitam, atom tidak stabil, Higgs yang hilang – adalah petunjuk bahwa sesuatu yang lebih dalam menunggu untuk ditemukan.
Hari ini, Model Standar berdiri sebagai kemenangan, prediksinya dikonfirmasi dengan presisi luar biasa. Namun, seperti awan Kelvin, misteri baru muncul: materi gelap, energi gelap, massa neutrino, asimetri baryon, gravitasi kuantum. Jika sejarah adalah panduan, retakan ini tidak berarti fisika selesai – mereka berarti fisika baru saja memulai revolusi lain.