Carl_Sagan
New member
Secara kasat mata, dan umumnya awam memandang, benda (materi) bisa dibedakan menjadi 3 jenis : padat, cair dan gas. Pandangan ini jelas tidak salah dan merupakan salah satu hukum fisika paling dasar yang telah dikenal sejak awal peradaban manusia.
Tetapi tahukah Anda bahwa hukum-hukum fisika yang dipakai untuk menjelaskan aneka fenomena, khususnya yang berskala makro, dari ketiga jenis materi diatas adalah sama. Ketiganya dijelaskan dan direpresentasikan memakai hukum mekanika klasik Newton ! Secara fisika ini berarti ketiga jenis materi diatas bukan merupakan materi elementer, alias pada hakekatnya merupakan materi yang sama...
Pembedaan pada ketiga jenis benda diatas hanya pada jenis gaya yang bekerja pada masing-masing jenis sesuai skala fisika yang mendasari fenomena yang dikaji. Misal, untuk fenomena benda cair dalam kapiler dikenakan gaya viskositas dan tekanan sehingga diperoleh persamaan gerak Navier-Stokes. Untuk benda padat yang jatuh bebas, gaya yang bekerja didominasi oleh gravitasi bumi sehingga diperoleh persamaan gerak gravitas dan seterusnya. Demikian juga dengan aneka fenomena terkait aliran udara makro, iklim dan sebagainya yang sebagian besar dikaji dengan memakai gaya-gaya fluida. Karena secara kasat mata, dinamika aliran udara bisa dianggap sama dengan aliran cairan.
Tetapi fokus utama tulisan ini bukan membahas gaya-gaya klasik dan aneka persamaan gerak yang muncul di aneka fenomena makroskopik seperti diatas. Tulisan ini akan mengungkap "kemungkinan" penjelasan "fenomena fluida" di level mendekati partikel elementer yang dikenal sebagai quark-gluon-plasma (QGP) memakai teori partikel elementer berbasis interaksi materi elementer "padat".
Fenomena partikel jumlah banyak sebagai dinamika fluida
Seringkali awam menganggap kemampuan manusia menciptakan teori untuk menjelaskan fenomena alam sudah sangat maju, terlebih dengan aneka terobosan teknologi aplikatif yang telah dinikmati dan menjadi ikon peradaban manusia modern dewasa ini. Tetapi yang terjadi sebenarnya adalah seluruh teknologi aplikatif yang ada merupakan efek pencapaian teori sampai awal abad XX, alias sebelum era Einstein ! Teknologi yang dikembangkan masih berkutat seputar aplikasi teori mekanika klasik Newton (untuk semua teknologi mekanis) dan teori Maxwell (untuk teknologi elektronik). Itulah sebabnya era teknologi saat ini disebut sebagai "elektron"-ika, karena semuanya berbasis aliran elektron yang merupakan dasar dari teori Maxwell untuk menjelaskan gaya listrik dan magnet (elektromagnetik).
Kembali ke masalah QGP, QGP merupakan fenomena dimana tumbukan dari dua hadron yang dipercepat menghasilkan suatu keadaan fisis yang disebut plasma sebelum menjadi hadron lain yang bisa diobservasi eksperimen. Fenomena ini terjadi di semua tumbukan partikel, tetapi selama ini tidak terlihat karena keterbatasan kemampuan detektor. Detektor modern dengan resolusi waktu yang tinggi memungkinkan manusia untuk "memotret" fenomena yang terjadi segera setelah hadron bertumbukan namun sebelum menghasilkan partikel hadron akhir. Eksperimen tercanggih untuk melihat fenomena ini dilakukan oleh kolaborasi ALICE di LHC CERN (lihat tulisan dengan judul Large Hadron Collider - LHC : Awal dari sebuah Akhir ?).
Berlawanan dengan kemajuan eksperimen, penjelasan teoritis untuk QGP masih sangat prematur. Secara garis besar ada 2 penjelasan umum, yaitu yang berdasarkan teori fluida relativistik (seperti mekanika fluida klasik tetapi memiliki sifat relativistik), serta kalkulasi berbasis QCD (quantum chromodynamics / teori gaya kuat). Karena produksi plasma merupakan hasil interaksi kuat (antar hadron), maka dipercaya interaksi yang dominan adalah interaksi kuat dengan mediasi partikel gluon. Tetapi karena plasma berisi banyak partikel gluon dan kuark, tidak bisa dilakukan kalkulasi standar di fisika partikel. Untuk itu dilakukan kalkulasi secara numerik dengan lattice QCD.
Dilain pihak, pendekatan ala dinamika fluida dimotivasi oleh kondisi plasma yang berupa campuran gluon dan kuark yang membentuk "awan" seperti layaknya fluida. Meski pendekatan ini lebih mudah dikalkulasi, secara teori kurang "menjual" karena bersifat ad-hoc, yaitu sekedar menjelaskan fenomena eksperimen dan bukan menjelaskan "apa dan mengapa" hal tersebut terjadi...
Untuk itulah grup kami melakukan kajian diantara kedua "mashab" diatas. Pendekatan kami adalah memulai semuanya dari teori interaksi kuat berbasis QCD. Karena QCD bersama dengan teori Glashow-Weinberg-Salam, disebut Model Standar, telah diverifikasi kebenarannya melalui ribuan eksperimen fisika partikel selama 6 dekade terakhir. Tetapi jelas QCD tidak dapat begitu saja dipakai akibat jumlah partikel berinteraksi yang sangat besar. Sebagai gambaran, kalkulasi analitik yang bisa dilakukan umumnya hanya mencakup 3 atau 4 partikel saja, sedangkan di dalam sebuah sistem QGP bisa meliputi 103 sampai 104 partikel baik gluon maupun kuark dan anti-kuark !
Pendekatan kedua adalah, dari teori QCD yang direpresentasikan dalam bentuk lagrangian seperti gambar diatas, kami membangun teori efektif fluida relativistik. Karena lagrangian di fisika partikel selalu relativistik, kami cukup mencari persamaan gerak relaivistik dari lagrangian tersebut. Setelah melakukan kajian selama lebih kurang 3 tahun (!!!), kami menemukan bahwa teori efektif tersebut bisa dicapai dengan mengganti bentuk vektor polarisasi εμa di dalam gluon Gμa menjadi kecepatan 4 dimensi vμa. Kecepatan disini menunjukkan kecepatan "partikel fluida" pembentuk fluida yang sebenarnya. Dengan kata lain teori ini menginterpretasikan fluida elementer dalam bentuk partikel boson.
Mengapa kesimpulan diatas bisa diambil ? Seperti bisa dibaca di publikasi yang telah diterbitkan tahun lalu [1], dari lagrangian diatas bisa dibentuk persamaan gerak relativistik, yang apabila diambil batas non-relativistik (kecepatannya jauh lebih kecil dari kecepatan cahaya), persamaan gerak tersebut mereproduksi persamaan Euler untuk fluida klasik ! Entah ini kebetulan ataukah memang demikian hukum alam yang berlaku, kita tunggu konfirmasi dari eksperimen...;-).
Referensi :
A. Sulaiman, A. Fajarudin, T.P. Djun, L.T. Handoko, ""Magnetofluid Unification in Yang Mills Lagrangian", International Journal of Modern Physics A 24 (2009) 3630-3637 (DOI 10.1142/S0217751X09047284)
Tetapi tahukah Anda bahwa hukum-hukum fisika yang dipakai untuk menjelaskan aneka fenomena, khususnya yang berskala makro, dari ketiga jenis materi diatas adalah sama. Ketiganya dijelaskan dan direpresentasikan memakai hukum mekanika klasik Newton ! Secara fisika ini berarti ketiga jenis materi diatas bukan merupakan materi elementer, alias pada hakekatnya merupakan materi yang sama...
Pembedaan pada ketiga jenis benda diatas hanya pada jenis gaya yang bekerja pada masing-masing jenis sesuai skala fisika yang mendasari fenomena yang dikaji. Misal, untuk fenomena benda cair dalam kapiler dikenakan gaya viskositas dan tekanan sehingga diperoleh persamaan gerak Navier-Stokes. Untuk benda padat yang jatuh bebas, gaya yang bekerja didominasi oleh gravitasi bumi sehingga diperoleh persamaan gerak gravitas dan seterusnya. Demikian juga dengan aneka fenomena terkait aliran udara makro, iklim dan sebagainya yang sebagian besar dikaji dengan memakai gaya-gaya fluida. Karena secara kasat mata, dinamika aliran udara bisa dianggap sama dengan aliran cairan.
Tetapi fokus utama tulisan ini bukan membahas gaya-gaya klasik dan aneka persamaan gerak yang muncul di aneka fenomena makroskopik seperti diatas. Tulisan ini akan mengungkap "kemungkinan" penjelasan "fenomena fluida" di level mendekati partikel elementer yang dikenal sebagai quark-gluon-plasma (QGP) memakai teori partikel elementer berbasis interaksi materi elementer "padat".
Fenomena partikel jumlah banyak sebagai dinamika fluida
Seringkali awam menganggap kemampuan manusia menciptakan teori untuk menjelaskan fenomena alam sudah sangat maju, terlebih dengan aneka terobosan teknologi aplikatif yang telah dinikmati dan menjadi ikon peradaban manusia modern dewasa ini. Tetapi yang terjadi sebenarnya adalah seluruh teknologi aplikatif yang ada merupakan efek pencapaian teori sampai awal abad XX, alias sebelum era Einstein ! Teknologi yang dikembangkan masih berkutat seputar aplikasi teori mekanika klasik Newton (untuk semua teknologi mekanis) dan teori Maxwell (untuk teknologi elektronik). Itulah sebabnya era teknologi saat ini disebut sebagai "elektron"-ika, karena semuanya berbasis aliran elektron yang merupakan dasar dari teori Maxwell untuk menjelaskan gaya listrik dan magnet (elektromagnetik).
Kembali ke masalah QGP, QGP merupakan fenomena dimana tumbukan dari dua hadron yang dipercepat menghasilkan suatu keadaan fisis yang disebut plasma sebelum menjadi hadron lain yang bisa diobservasi eksperimen. Fenomena ini terjadi di semua tumbukan partikel, tetapi selama ini tidak terlihat karena keterbatasan kemampuan detektor. Detektor modern dengan resolusi waktu yang tinggi memungkinkan manusia untuk "memotret" fenomena yang terjadi segera setelah hadron bertumbukan namun sebelum menghasilkan partikel hadron akhir. Eksperimen tercanggih untuk melihat fenomena ini dilakukan oleh kolaborasi ALICE di LHC CERN (lihat tulisan dengan judul Large Hadron Collider - LHC : Awal dari sebuah Akhir ?).
Berlawanan dengan kemajuan eksperimen, penjelasan teoritis untuk QGP masih sangat prematur. Secara garis besar ada 2 penjelasan umum, yaitu yang berdasarkan teori fluida relativistik (seperti mekanika fluida klasik tetapi memiliki sifat relativistik), serta kalkulasi berbasis QCD (quantum chromodynamics / teori gaya kuat). Karena produksi plasma merupakan hasil interaksi kuat (antar hadron), maka dipercaya interaksi yang dominan adalah interaksi kuat dengan mediasi partikel gluon. Tetapi karena plasma berisi banyak partikel gluon dan kuark, tidak bisa dilakukan kalkulasi standar di fisika partikel. Untuk itu dilakukan kalkulasi secara numerik dengan lattice QCD.
Dilain pihak, pendekatan ala dinamika fluida dimotivasi oleh kondisi plasma yang berupa campuran gluon dan kuark yang membentuk "awan" seperti layaknya fluida. Meski pendekatan ini lebih mudah dikalkulasi, secara teori kurang "menjual" karena bersifat ad-hoc, yaitu sekedar menjelaskan fenomena eksperimen dan bukan menjelaskan "apa dan mengapa" hal tersebut terjadi...
Untuk itulah grup kami melakukan kajian diantara kedua "mashab" diatas. Pendekatan kami adalah memulai semuanya dari teori interaksi kuat berbasis QCD. Karena QCD bersama dengan teori Glashow-Weinberg-Salam, disebut Model Standar, telah diverifikasi kebenarannya melalui ribuan eksperimen fisika partikel selama 6 dekade terakhir. Tetapi jelas QCD tidak dapat begitu saja dipakai akibat jumlah partikel berinteraksi yang sangat besar. Sebagai gambaran, kalkulasi analitik yang bisa dilakukan umumnya hanya mencakup 3 atau 4 partikel saja, sedangkan di dalam sebuah sistem QGP bisa meliputi 103 sampai 104 partikel baik gluon maupun kuark dan anti-kuark !
Pendekatan kedua adalah, dari teori QCD yang direpresentasikan dalam bentuk lagrangian seperti gambar diatas, kami membangun teori efektif fluida relativistik. Karena lagrangian di fisika partikel selalu relativistik, kami cukup mencari persamaan gerak relaivistik dari lagrangian tersebut. Setelah melakukan kajian selama lebih kurang 3 tahun (!!!), kami menemukan bahwa teori efektif tersebut bisa dicapai dengan mengganti bentuk vektor polarisasi εμa di dalam gluon Gμa menjadi kecepatan 4 dimensi vμa. Kecepatan disini menunjukkan kecepatan "partikel fluida" pembentuk fluida yang sebenarnya. Dengan kata lain teori ini menginterpretasikan fluida elementer dalam bentuk partikel boson.
Mengapa kesimpulan diatas bisa diambil ? Seperti bisa dibaca di publikasi yang telah diterbitkan tahun lalu [1], dari lagrangian diatas bisa dibentuk persamaan gerak relativistik, yang apabila diambil batas non-relativistik (kecepatannya jauh lebih kecil dari kecepatan cahaya), persamaan gerak tersebut mereproduksi persamaan Euler untuk fluida klasik ! Entah ini kebetulan ataukah memang demikian hukum alam yang berlaku, kita tunggu konfirmasi dari eksperimen...;-).
Referensi :
A. Sulaiman, A. Fajarudin, T.P. Djun, L.T. Handoko, ""Magnetofluid Unification in Yang Mills Lagrangian", International Journal of Modern Physics A 24 (2009) 3630-3637 (DOI 10.1142/S0217751X09047284)
Last edited:
