Pengertian Cahaya untuk Bocah

Cahaya memang banyak digunakan di berbagai bidang dan kegunaannya pun dapat dimanipulasi karena karakteristiknya yang istimewa. Komputer kuantum contohnya, menggunakan sifat probabilitas kuantumnya untuk meningkatkan kompleksitas sebuah komputer dengan ukuran kuantum. Contoh lainnya adalah ketika anak alay ngambil foto di tempat yang gelap dan, hmm, saya kira ga perlu dijelaskan. Tapi, apa itu cahaya?

Asal usul cahaya sudah menjadi perdebatan setengah panas para fisikawan dan filosofis jauh sebelum Nyonya Menir berdiri. Hingga saat ini, fisikawan setuju jika cahaya adalah sebuah gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang pada rentang spektrum visibel dan memiliki energi yang diskret yang dibawa oleh sesuatu yang disebut photon. Artinya, setiap photon memiliki energi tertentu dan energi ini tidak dibagi-bagi ke partikel yang lain seperti pada peluruhan beta, di mana energi diteruskan kepada neutrino atau anti-neutrino. Akan tetapi, photon tidak hanya membawa energi pada cahaya yang dapat kita lihat, tetapi juga dapat membawa energi pada spektrum elektromagnetik yang tidak dapat terdeteksi oleh mata manusia, seperti gelombang ultraviolet. Besar energi ini tergantung pada frekuensi oleh gelombang cahaya tersebut. Secara frekuensi berbanding terbalik dengan panjang gelombang, cahaya merah akan memiliki energi yang lebih kecil dibandingkan cahay ungu. Secara matematika, besar energi pada sebuah cahay diekspresikan melalui persamaan:

E=hf

Di mana E adalah energi, h adalah konstanta Plank, dan f adalah frekuensi gelombang tersebut. Konstanta Plank lah yang menunjukkan bahwa energi sebuah photon adalah diskret. Besar konstanta ini adalah 6.63x10^-34 J/Hz, mungkin salah satu konstanta terkecil di dalam duni fisika. Akan tetapi, pada saat Plank mempublikasikan penemuannya pada tahun 1901 ia menyatakan bahwa besar konstanta ini senilai 6.55x 10^-34 J/Hz. Nilai ini dapat diderivasikan melalui teori termodinamika dan entropi dengan aplikasi kalkulus, namun tidak akan saya perlihatkan di dalam post ini karena saya juga tidak mengerti. Akan tetapi melalui beberapa revisi dan beberapa konsiderasi tambahan, nilainya pun sedikit bergeser.

Jadi kesimpulannya, cahaya adalah energi yang dibawa oleh photon. Pada kondisi vacuum, photon ini memiliki kecepatan 3x10⁸ m/s. Besaran energi cahaya berbanding lurus dengan frekuensinya.

Teori Dasar Lubang Hitam Untuk Bocah

Dulu pas masih SMP (kali ini aku ga nyalahin guru SMP) pernah baca-baca tentang lubang hitam di buku, internet, dll. Semua pada dasarnya menyimpulkan hal yang sama dan kita semua tau: lubangnya hitam dan menyerap. Tapi hal yang paling buat aku penasaran adalah darimana asal mula lubang hitam dan apa hebatnya lubang hitam selain nyedot? Bahkan setelah belajar astrofisika di SMA selama berabad-abad, masih banyak pertanyaan yang enggak terjawab. Jadi kali ini aku jelaskan yang dasar saja.

https://www.pinterest.com/pin/516506650988949845/

Lubang hitam berasal dari bintang maha raksasa yang mati. (Allah masih lebih maha raksasa bro jadi jangan ganti agama ya) Ada suatu standar yang menentukan apakah sebuah bintang dapat menjadi lubang hitam atau tidak, dan hal ini ditentukan dari massa inti bintang tersebut. Jika inti bintang (bukan massa total) tersebut bisa melewati batasan Oppenheimer-Volkoff, maka ada dua kemungkinan nasib bintang tersebut: bintang neutron dan lubang hitam. Bintang neutron kita simpan buat post yang lain aja (juga aku ga capek ngetiknya). Besar batasan Oppenheimer-Volkoff ini sekitar 2.9-3 kali lipat massa matahari. 

Ketika kita melihat lubang hitam, yang sebenarnya kita lihat adalah event horizon atau horizon peristiwa. Ini adalah batasan teoretis, di mana sebuah objek yang bergerak melalui batas ini dengan jarak tertentu harus memiliki kecepatan lebih cepat dari cahaya agak tidak terhisap. Dengan kata lain: tidak mungkin. (mungkin bukan 'tidak', hanya 'belum' :D ) Daya hisap lubang hitam sendiri tergantung dengan massanya. Lubang hitam sebesar koin di dalam kantong lu bisa menyerap seluruh bagian badan lu sebelum lu sadar bahwa lu punya koin di kantong. Kalau lu engga fakir kuota dan masih kepo dengan kekuatan hisap lubang hitam, coba deh nonton video di bawah.

https://www.youtube.com/watch?v=8nHBGFKLHZQ

Gaya gravitasi yang dimiliki lubang hitam sangat besar. Di permukaan bumi, seseorang merasakan percepatan gravitasi sebesar 9.81 ms^-2. Percepatan gravitasi yang dirasakan oleh orang ini (kira-kira) sama pada bagian kaki dan kepalanya. Nah, jika orang tersebut berada di dekat lubang hitam, ia akan merasakan percepatan gravitasi yang lebih besar di kakinya (tergantung posisi) dibandingkan dengan kepalanya. 

Benda yang terserap ke dalam lubang hitam akan tertuju pada satu titik yang disebut singularity atau singularitas. Titik di mana semua materi dan energi terpusatkan pada satu titik tanpa dimensi sehingga matematika dan fisika pun tak dapat mendeskripsikan lebih jauh lagi tentang hal ini. Singularitas dapat dianalogikan seperti membagi sebuah nomor dengan 0. Setelah titik ini, belum ada jawaban pasti apa yang akan terjadi pada materi dan energi yang terhisap. Ada yang mengajukkan teori tentang keberadaan lubang putih yang memiliki karakteristik yang bertolak belakang dengan lubang hitam. Walaupun keberadaan lubang putih ini dapat dibuktikan dengan matematika, hingga saat ini belum ada bukti nyata yang kredibel untuk menentukan benar-tidaknya objek ini. 

Tak ada yang abadi. Lubang hitam juga tidak. Lubang hitam akan mengecil dan terus mengecil. Materi lubang hitam akan hilang menjadi energi melalui proses yang disebut radiasi Hawking. Akan tetapi, proses ini berlangsung sangat lama. Ketika lubang hitam pertama di alam semesta akan hilang karena radiasi ini, kehidupan di bumi mungkin tidak ada lagi. 

Akan tetapi, jika matahari kita saat ini diganti dengan lubang hitam, orbit semua planet digaransi tidak akan berubah. Hanya saja kehidupan di bumi akan punah karena tidak menerima energi dari matahari: baca post ini). Tapi jangan takut karena matahari kita tidak akan menjadi lubang hitam karena matahari kita hanya bintang kecil yang pada akhir hayatnya akan menjadi white dwarf. Perlu massa jutaan kali dari massanya yang sekarang untuk matahari mampu berubah menjadi lubang hitam dan secara matematika: tidak mungkin. 

Dampak dari Efek Rumah Kaca dan Keseimbangan Energi

Mungkin banyak yang beranggapan bahwa efek rumah kaca adalah biang kerok dari global warming. Tapi mungkin ga banyak yang sadar kalau efek rumah kaca ga terjadi di atmosfer, kehidupan di muka bumi mungkin ga akan secerah sekarang. Untuk memahami peran efek rumah kaca pada kehidupan di bumi, kita harus ngerti tentang keseimbangan energi dulu.

Bumi mendapat energi dari matahari. Daya yang diberikan matahari adalah sekitar 1400 Joule setiap detiknya. Nilai ini disebut solar constant. Jelas, nilai ini adalah rata-rata per tahun dan berubah setiap tahunnya tergantung pada aktifitas permukaan matahari dan posisi bumi relatif dengan matahari. Akan tetapi, bumi juga mengeluarkan radiasi yang kira-kira setara dengan energi yang diterimanya. Hal ini disebut keseimbangan energi, di mana energi masuk=energi keluar. Kata 'kira-kira' sengaja saya buat bold karena sebenarnya bumi memberikan radiasi lebih sedikit dari yang ia terima. Material di permukaan bumi menyerap sebagian radiasi dan juga memantulkan radiasi yang ia terima. Perbandingan antara radiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang diterima oleh suatu material disebut albedo. Nilai albedo bumi dalam satu tahun rata-rata adalah 30%. Akan tetapi, karena kita fokus dengan efek rumah kaca, kita asumsikan saja bahwa peran albedo di bumi tidak terlalu berpengaruh. Dengan kata lain, albedo=100%. 

Sekarang baru kita masuk pada dampak rumah kaca. Radiasi yang dipantulkan dan dipancarkan oleh bumi tidak seluruhnya keluar dari bumi. Sebagian dari mereka terpantulkan kembali ke bumi. Hal ini disebut efek rumah kaca. Hal ini terjadi melalui fenomena resonansi, yaitu bergetarnya sebuah benda yang memiliki frekuensi yang sama. Radiasi yang dipantulkan dari permukaan bumi, terutama pada spektrum infrared, memiliki frekuensi yang sama dengan gas rumah kaca. Sehingga, radiasi ini akan diserap oleh gas rumah kaca dan dipantulkan ke segala arah, termasuk ke permukaan bumi. Gas rumah kaca dapat berupa: CH4, uap air, CO2 dan N2O. Hal ini mengakibatkan bumi menerima radiasi lebih banyak dibandingkan dengan radiasi yang dipancarkan, dengan kata lain mengakibatkan gangguan pada keseimbangan energi. Karena inilah suhu pada permukaan bumi meningkat. 

http://www.solarlightaustralia.com.au/2013/02/21/calculating-greenhouse-emissions/

Akan tetapi, tanpa adanya efek rumah kaca, kehidupan di bumi akan membeku. Tanpa adanya efek rumah kaca, radiasi yang dipantulkan oleh material pada permukaan bumi ditambah dengan radiasi yang dihasilkan oleh bumi sendiri (radiasi alami dari material di bawah permukaan bumi) akan 100% meninggalkan bumi. Hal ini juga akan mengakibatkan ketidakseimbangan energi karena bumi akan memancarkan radiasi lebih banyak dari energi yang diterima bumi. Kehilangan energi akan membuat suhu bumi turun menjadi -18ºC (perhitungan para fisikawan gambut di NASA). Pada suhu yang sedingin hati mantan ini, rasanya sulit bagi kehidupan di bumi untuk bertahan lama. Suhu optimal tubuh sendiri adalah 36-37ºC. Berada pada lingkungan dengan suhu -18ºC, manusia akan mati secara termodinamis.

Jadi, efek rumah kaca pada satu sisi menyelamatkan kehidupan manusia. Pada sisi yang lain, efek rumah kaca yang berlebihan akan meningkatkan suhu bumi. Hal yang dapat kita lakukan adalah mengurangi konsentrasi gas rumah kaca untuk mengurangi dampak rumah kaca yang berlebihan. 

Jurus Tembus Dinding Bernama Quantum Tunneling

Ini teori yang menurut aku paling 'what the f*ck' banget. Pertama baca catatan dan dengarin guru jelasin tentang quantum tunneling temen-temen gua semua pada teriak "haaaa?!" Agak sulit sih jelasinnya karena teorinya ga sejalan dengan akal sehat manusia (aku ga bilang kalau fisikawan yang ajukin teori ini gila tapi, emang aneh teorinya). Teorinya gini nih; partikel dengan momentum tertentu bisa menembus sebuah halangan tanpa harus melewati halangan tersebut.

Bayangin aja gini. Ada sebuah bola di satu sisi dinding. Secara logika, gimana cara mindahin bola tersebut ke sisi yang lain? 

Salah satu jawabannya adalah dengan melempar bola tersebut melewati dinding. Itu logika klasik. Quantum tunneling analoginya berbeda. 

Menurut quantum tunneling, bola tersebut bisa berada di sisi yang lain tanpa perlu melangkahi dinding. Bola tersebut bisa dibilang 'tembus' melalui dinding. Jangan tanya kenapa, mereka mah gitu memang. Nah, ini cuma analogi. Secara fisika, benda yang kita sebut 'dinding' pada analogi ini disebut potential barrier yang dapat berupa apa saja seperti nucleus. Kemampuan sebuah partikel untuk men-tunnel-kan dirinya melalui sebuah potential barrier dipengaruhi oleh:

1. Besarnya potential barrier tersebut. Semakin besar, maka semakin kecil kemungkinan quantum tunneling untuk terjadi.

2. wave function (fungsi gelombang) akan partikel tersebut. Ini adalah fungsi yang menggambarkan gerak dan keberadaan sebuah partikel pada sebuah domain. Kemungkinan untuk menemukan keberadaan sebuah partikel pada waktu dan tempat tertentu adalah aplitudo kuadrat dari fungsi ini. Amplitudo fungsi ini berkurang pada bagian luar potential barrier. 

http://www.testandmeasurementtips.com/new-articles/quantum-tunneling-and-tunnel-diodes/

Akan tetapi, jangan coba-coba tabrak diri kalian ke dinding dan berharap kalian seketika tembus ke sisi yang lain, walaupun kemungkinannya memang ada. Tapi sangat kecil. Momentum manusia masih terlalu besar untuk itu. Quantum tunneling hanya berlaku pada artikel dengan skala kuantum seperti quark dan elektron yang memiliki massa cukup kecil sehingga memiliki momentum yang kecil. 

Model Atom

Kalau kalian disuruh gambar gimana bentuk atom, mungkin kebanyakan dari kalian bakalan ngegambar sesuatu yang mirip dengan gambar ini. Termasuk saya ketika SMP. Karena guru saya bilang kalau gambar di bawah ini adalah bentuk atom. 

Gambar ini adalah model atom yang diajukan oleh Bohr pada tahun 1915. 

Mengapa disebut 'model atom', bukan 'bentuk atom'? Karena gambar di atas bukanlah bentuk atom sebenarnya. Gambar di atas hanyalah representasi Bohr akan bagaimana bentuk atom, sesuai dengan teori dan kalkulasi yang telah terbukti dengan eksperimen. Bentuk atom yang benar absolut hanya Allah yang tahu. Model atom Bohr sendiri adalah modifikasi dari model atom yang dikemukakan oleh Rutherford. 

Bohr datang dengan teori, yang kemudian diinterpretasikan ke dalam diagram seperti di atas. Teori yang dikemukakan Bohr tentang model atomnya adalah (saya ringkas supaya ga ribet):

1. Elektron mengitari inti atom pada orbit tertentu.

2. Setiap orbit atom memiliki level energi masing-masing. 

3. Elektron yang mengitari orbitnya tidak akan kehilangan energi.

4. Elektron dapat berpindah dari satu level energi ke level energi yang lain. Perpindahan ini dapat mengakibatkan spektrum emisi dan spektrum penyerapan.

Akan tetapi, model atom terus berkembang. Sejalan dengan berkembangnya teori fisika kuantum, model atom pun mengalami perubahan yang dapat mengeliminasi kelemahan-kelemahan dari model sebelumnya. Model atom yang direvisi ini diajukkan oleh Schrödinger pada tahun 1926 dan kira-kira direpresentasikan seperti ini:

http://world.mathigon.org/Probability

Saya tidak akan menjelaskan secara detail mengenai model ini karena memang tidak mungkin. Siswa fisika yang mengambil jurusan fisika di universitas mungkin juga tidak bisa. Akan tetapi ada beberapa hal yang mencolok dari model ini. Namun (menurut saya) yang paling mencolok adalah dari sisi orbit elektron. Orbit elektron bukan berbentuk elipse atau lingkaran, tapi direpresentasikan oleh gelombang yang disebut wave function (opo iki?). Artinya, gerak elektron tidak mengelilingi orbit, namun eletron dapat berpindah dari satu posisi ke posisi yang lain di dalam cakupan gelombang tersebut secara tiba-tiba, suka-suka, wallahu'alam. Dan di sini, gerak elektron tidak dapat dijelaskan dengan hukum Newton. 

Model atom dapat berubah dari waktu ke waktu seiring dengan berkembangnya pengetahuan. Model atom yang diajarkan waktu saya SMP mungkin belum up-to-date. Tapi model atom Bohr saya anggap cukup untuk pengenalan atom kepada bocah. 

Gelombang Elektromagnetik

Gelombang adalah sebuah gerakan yang memenuhi beberapa syarat. Pertama, gaya pada gerakan tersebut harus selalu mengarah pada sebuah titik quilibrium dan gaya tersebut berbanding lurus dengan perpindahannya. Kedua, akselerasi gerakan tersebut harus berbanding lurus dengan nilai negatif dari perpindahannya. Ada beberapa cara mengelompokkan gelombang, mulai dari transversal vs longitudinal, bergerak vs tegak, dll. Ada dua gelombang yang sangat spesial. Pertama, gelombang cinta Bang Haji Roma kepada Ani. Kedua, gelombang elektromagnetik. 

giphy.com

Hal yang membedakan gelombang elektromagnetik dengan gelombang lainnya adalah jumlah axisnya. Gelombang lainnya seperti suara hanya bergerak pada satu aksis. Jika speaker diletakkan di sebelah kiri, maka resultan gerakan gelombangnya ke kanan dan sebaliknya. Akan tetapi, gelombang elektromagnetik bergerak pada dua aksis: medan listrik pada satu aksis dan medan magnet pada aksis yang lain. Lihat gambar gif di atas: garis biru dan hijau melambangkan kedua aksis tersebut. Gelombang elektromagnetik dibagi menjadi beberapa spektrum berdasarkan panjang gelombangnya. Lihat diagram di bawah.

http://www.immunolight.com/technology/

Panjang gelombang berbanding terbalik dengan frekuensi gelombang tersebut. Semakin pendek gelombangnya maka semakin tinggi frekuensinya. Frekuensi yang tinggi juga mengindikasikan energi yang tinggi (ekuasi E=hf). Gelombang gamma memiliki energi yang besar karena frekuensinya tinggi (panjang gelombangnya pendek). 

Mata manusia hanya dapat melihat spektrum visibel yang hanya sebagian kecil dari gelomang elektromagnetik. Apa sih kelebihan gelombang visibel ini sehingga bisa dilihat oleh manusia? Jawabannya: tidak ada. Mata manusialah yang sebenarnya tidak mampu menangkap gelombang yang lain.  

Gelombang elektromagnetik sangat berperan penting bagi peradaban fisika dan astrofisika. Ilmuwan mendeteksi jarak planet, bintang, dan benda luar angkasa lainnya dengan gelombang elektromagnetik. Ilmuwan membuktikan bukti ekspansi alam semesta juga dengan fenomena redshift yang dialami oleh gelombang elektromagnetik. Ilmuwan membuktikan peristiwa big bang (boleh percaya boleh tidak) juga melalui gelombang elektromagnetik yang berasal dari awal mula alam semesta.

Benda Berat dan Ringan, Yang Mana Akan Jatuh Duluan?

Ini asumsi mungkin sering kita dengar di kalangan anak SD atau SMP. Bahkan guru SD atau SMP mungkin juga percaya kalau benda lebih berat akan jatuh duluan. Hal ini secara filosofi disebut: straw man fallacy. Artinya orang-orang ini menyatakan pernyataan yang bukan bidang keahliannya sehingga kerebilitasannya dipertanyakan. Hal ini secara fisika disebut: salah. Bedakan fisikawan dengan filosofis. Fisikawan tidak mem-bullshit-kan jawaban terlalu banyak.  

 Jawabannya? Salah. Jika dua benda dengan massa yang sama dijatuhkan dari ketinggian yang sama, kedua benda tersebut tidak akan jatuh pada waktu yang bersamaan dengan syarat gaya gesek udara tidak berpengaruh banyak pada kedua benda tersebut. Alasannya adalah kedua benda tersebut mengalami akselerasi yang sama. Kalau dijatuhkan di permukaan bumi, kedua benda tersebut mengalami akselerasi sebesar 9.82 m/s^2. Dan akselerasi ini sama sekali tidak dipengaruhi oleh massa benda tersebut. Kedua benda tidak akan jatuh bersamaan dari ketinggian yang sama jika akselerasi gravitasi yang dialami kedua benda tersebut berbeda. Contohnya benda dengan massa 10kg dijatuhkan dari ketinggian 10m di permukaan bumi tidak akan jatuh bersamaan dengan benda 10kg dijatuhkan dengan ketinggian 10m di permukaan bulan, walaupun diatuhkan secara bersamaan. 

Kalau tidak percaya, boleh kalian coba jatuhkan pacar dengan bola voli secara bersamaan dari lantai 10. Disarankan sebelum dicoba, pacarnya diasuransikan dulu. Saya ga tanggung jawab. 

Apa jadinya jika matahari meledak?

Matahari saat ini masih dalam fase pertengahan pada siklus hidupnya dan akan meledak sekitar 4 sampai 5 miliar tahun lagi. Dalam beberapa ratus juta tahun dari sekarang, ukuran matahari akan terus bertambah dan terus bertambah besar hingga menelan bumi. Tapi, apa jadinya jika matahari tiba-tiba meledak sekarang?

Pertama, semua planet, satelit, dan sampah bebatuan di dalam sistem solar kita akan kehilangan orbit dengan seketika. Orbit dari planet dan satelit ada karena kecepatan planet dan satelit itu sendiri dan juga adanya akselerasi gravitasi kepada matahari. Jika matahari meledak, akselerasi ini akan hilang dan seketika planet tidak lagi bergerak mengelilingi orbit, namun bergerak lurus. Rotasi planet diperkirakan akan terus terjadi hingga beberapa bulan atau tahun. Namun periode rotasi akan mulai membesar hingga akhirnya setiap planet dan satelit tidak berputar lagi. Fenomena ini diakibatkan oleh efek damping. Akan tetapi, tergantung dengan posisi planet dan satelit pada saat itu, ada juga kemungkinan bahwa planet di sistem solar kita akan mengorbit benda yang memiliki massa yang lebih besar seperti Jupiter. Jupiter memiliki massa yang cukup besar untuk menciptakan efek gravitasi sesuai hukum gaya gravitasi yang dicetus oleh Newton. Tabrakan antar planet juga tak akan terelakkan. 
Kehidupan di bumi diperkirakan hanya akan bertahan selama beberapa puluh menit hingga beberapa jam. Manusia akan menerima cahaya terakhir dari matahari sekitar 8 menit setelah matahari meledak. Ini dikarenakan cahaya matahari harus menempuh jarak 150 juta kilometer untuk sampai di bumi dan dengan kecepatan cahaya, diperlukan waktu 8 menit. Setelah delapan menit ini, kehidupan di bumi mulai kacau. Makhluk hidup di bumi tidak lagi mendapatkan suplai energi yang kemudian menciptakan ketidakstabilan energi. Radiasi yang dipancarkan oleh bumi akan lebih besar dibandingkan radiasi yang diterima bumi. Sehingga seluruh makhluk hidup dan elemen di bawah tanah kehilangan energi. 

Banyak-banyak ibadah bro. 

Quark Confinement, alasan mengapa quark tidak pernah jomblo

Quark tidak pernah ditemukan seorang diri secara ngenes. Walaupun beberapa fisikawan jomblo pernah mencoba untuk merusak hubungan si quark, eh si quarknya malah nambah banyak. Fenomena ini disebut quark confinement. 

Untuk merusak gaya nuklir kuat yang mengikat kisah cinta quark di dalam meson, fisikawan harus memberikan gaya yang cukup besar. Besaran gaya berbanding lurus dengan energi yang diberikan. Dengan kata lain, untuk merusak hubungan antara quark dan antiquark di dalam meson membutuhkan energi yang sangat besar. Semakin besar energi maka semakin jauh pula jarak antara quark di dalam sebuah meson. Papa Einstein mencetuskan bahwa E=mc^2 yang mana setiap energi dapat berubah menjadi sebuah benda yang memiliki massa dan juga sebaliknya. Ketika energi yang diberikan mencapai titik tertentu pada jarak tertentu, energi tersebut akan membuat quark baru yang akan menemani quark lama yang sudah lepas. Hal ini akan menghasilkan dua buah meson sempurna yang berisi quark dan antiquark. Hal yang sama pun berlaku jika jumlah energi yang cukup besar diberikan kepada baryon dengan niat untuk membebaskan quark dari pasangannya. 

Keluarga Bahagia Hadron

Quark tidak dapat dijumpai sendirian. Menurut obserasi, quark selalu terlihat berdampingan dengan quark yang lain. Hal ini disebabkan oleh fenomena quark confinement. Susunan keluarga quark disebut hadron. Ada dua jenis hadron; baryon dan meson. 

1. Baryon

Baryon adalah partikel yang terdiri dari tiga quark. Contoh dari baryon adalah proton dan neutron. Ketiga quark ini dipengarhi oleh gaya nuklir kuat dan diikat dengan gluon. Komposisi dari ketiga quark ini harus menghasilkan muatan listrik yang sesuai dengan muatan baryon tersebut. Contohnya proton dibentuk oleh dua quark up dan satu quark down. Quark up memiliki muatan +2/3 dan quark down memiliki muatan -1/3. Sehingga, 2(2/3)+1(/1/3)=1. Komposisi ini cocok dengan muatan proton. Syarat tersebut juga berlaku pada neutron dan baryon-baryon lainnya. 

2. Meson

Meson adalah partikel yang terdiri dari satu quark dan satu anti-quark. Antiquark adalah salah satu contoh dari antipartikel. Antipartikel adalah sebuah partikel yang memiliki massa yang sama dengan partikel aslinya namun memiliki karakteristik yang berlawanan. Antipartikel tidak hanya ada pada quark, namun juga lepton yang disebut antilepton. Sebagai contoh, elektron adalah sebuah lepton. Antilepton dari elektron adalah positron. Positron memiliki massa yang sama dengan elektron, namun memiliki muatan +1 dan nomor lepton -1. Contoh dari meson sendiri dapat berupa pion atau kaon. Quark dan anti-quark di dalam meson juga diikat oleh gaya nuklir kuat. 

Model Standar Fisika Partikel

Waktu SD, guruku bilang atom adalah partikel paling kecil. Aku percaya saja karena dia guruku dan aku masih ingusan. Waktu SMP, guruku bilang di dalam atom ada neutron, proton, dan elektron. Dengan kata lain atom bukanlah partikel terkecil. Aku mulai bingung walaupun akhirnya aku percaya. Nah, waktu aku SMA guruku bilang neutron dan proton terbentuk dari quark. Sehingga, neutron dan proton bukanlah partikel terkecil. Di situ saya kadang merasa mabok dan bingung. Siapa yang jujur di antara ketiga guru tersebut? Jawabannya: guru SMA. Partikel yang tidak dapat dibelah lagi di dalam dunia fisika dikenal sebagai elementary particles (partikel dasar) yang disusun dalam model standar fisika partikel.

Model standar fisika partikel mengkategorikan partikel dasar menjadi tiga kelompok. Quark (6), lepton (6), dan boson (5). Kita cuma perlu ke-17 partikel ini untuk membentuk seluruh objek di alam semesta (iya benar, termasuk manusia). Partikel-partikel ini memiliki karakteristik tersendiri yang ditentukan dengan:

• Charge (Muatan)
• Nomor baryon
• Nomor lepton
• Strangeness (Keanehan)
• Spin (Putaran)
• Color (Warna) 
• Massa

1. Quark

Quark adalah salah satu partikel dasar yang menjadi 'batu bata' dari setiap elemen. Ada enam jenis quark: up, down, charm, strangeness, top, dan bottom. Proton dibentuk dari 3 quark; up,up,down. Hal ini dikarenakan oleh jumlah dari muatan dua quark up dan satu quark down sama dengan +1, yang sebagaimana kita tau adalah muatan proton. Sementara neutron terbentuk juga dari 3 quark namun dengan komposisi down,down,quark. Komposisi ini akan menghasilkan jumlah muatan sama dengan 0. Penemuan quark sendiri bukanlah melalui pengamatan, tapi melalui logika. Salah satu hal yang menghambat quark untuk ditemukan secara individu adalah peristiwa quark confinement. Bahkan, keberadaan quark sendiri ditentukan oleh prediksi para pakar fisika berdasarkan hasil eksperimen. 

2. Lepton

Lepton juga merupakan 'batu bata' untuk membentuk alam semesta. Namun, batu bata yang ini 'merknya' lain, sehingga para pakar fisika harus membentuk kelompok untuk golongan mereka. Sejauh ini, lepton bermuatan listrik ada tiga; elektron (iya, ini elektron yang ada di dalam atom), muon, dan tau. Masing-masing dari mereka memiliki neutrino yang tidak mempunyai muatan. Sehigga total lepton semuanya ada 6. 

3. Boson

Boson adalah virtual particle (parikel mediasi) yang dapat ditemukan di setiap interaksi antar partikel. Interaksi elektromagnetik dimediasi oleh photon, peluruhan beta minus dimediasi oleh W+/- dan Z0, dan interaksi gaya nuklir kuat dimediasi oleh gluon. Coba lihat diagram boson di atas. Kenapa boson Higgs warna kotaknya kuning? Boson Higgs baru ditemukan pada tahun 2012 dan hingga saat ini statusnya sebagai boson masih diperdebatkan oleh para fisikawan. 

Gaya Fundamental

Gaya fundamental adalah empat jenis gaya yang disetujui oleh pakar fisika sebagai gaya yang mempengaruhi bagaimana setiap objek, baik dari skala kuantum hingga skala alam semesta bekerja. Setiap gaya memiliki aturan tersendiri, mengakibatkan efek tertentu dengan partikel tertentu pula. Keempat gaya fundamental tersebut adalah:

1. Elektromagnetik

Gaya elektromagnetik menjelaskan bagaimana partikel-partikel yang memiliki muatan berinteraksi. Partikel dengan muatan sejenis akan saling menolak dan sebaliknya, partikel dengan muatan yang berbeda akan saling tarik menarik. Interaksi antarpartikel bermuatan yang diakibatkan oleh gaya elektromagnetik dimediasi oleh exchange particle bernama photon. Dibandingkan dengan gaya fundamental lainnya, gaya elektromagnetik memiliki kekuatan terkuat kedua setelah gaya nuklir kuat dan memiliki cakupan jangkauan tak terhingga. Ini berarti partikel bermuatan listrik pada ujung alam semesta juga terpengaruhi oleh partikel bermuatan listrik di bumi. Namun efeknya sangat tidak signifikan. 

2. Gravitasi

Ini gaya bisa dibilang anaknya Isaac Newton karena memang dia yang mengajukkan teori ini pertama kali. Gaya gravitasi menjelaskan bagaimana dua objek saling tarik menarik pada suatu dimensi. Objek tersebut tidak harus hanya planet, asteroid, ataupun objek luar angkasa lainnya, gaya ini mempengaruhi seluruh partikel yang memiliki energi atau massa. Bahkan kamu dan laptop atau smartphonemu saat ini memiliki gaya gravitasi di antara keduanya. Namun besar gaya tersebut sangatlah kecil sehingga laptop atau smartphonemu tidak akan tertarik ke wajahmu. (cewe matre yang tertarik dengan muka orang tampan bukanlah contoh gravitasi) Gaya gravitasi berbanding lurus dengan massa kedua objek yang terlibat dan berbanding terbalik dengan jarak kuadrat antara kedua objek tersebut. Dibandingkan dengan gaya fundamental lainnya, gravitasi adalah yang paling lemah. Cakupan gravitasi tidak terhingga, sama seperti elektromagnetik. Gaya gravitasi dimediasi oleh exchange particle yang bernama graviton yang hingga saat ini masih diperdebatkan keberadaannya. 

3. Gaya Nuklir Lemah

Gaya nuklir lemah adalah gaya yang bertanggung jawab atas peluruhan radioaktif beta, baik itu beta minus ataupun beta plus. Peluruhan radioaktif beta dipengaruhi oleh jumlah neutron di dalam suatu nukleus dan dapat ditentukan oleh garis kestabilan unsur. Jika terlalu banyak neutron, maka akan terjadi peluruhan beta minus. Dan sebaliknya, terlalu sedikit neutron akan mengakibantkan peluruhan beta plus. Interaksi yang diakibatkan oleh gaya ini dimediasi oleh boson W+ (omega plus), W-, dan Z0. Gaya ini memiliki kekuatan terlemah kedua setelah gravitasi dan memiliki jangkauan yang pendek. 

4. Gaya Nuklir Kuat

Model atom Bohr menyatakan bahwa inti atom (nukleus) terdiri dari proton yang bermuatan positif dan neutron yang tidak bermuatan. Rutherford melalui kalkulasinya menyatakan bahwa ukuran nukleus sama dengan 10,000 kali lebih kecil dibandingkan dengan ukuran atom itu tersendiri. Secara deduktif, proton dan neutron di dalam inti atom tentu sangat terikat dan, tunggu, ... eh tapi kan proton satu dengan proton yang lainnya di dalam inti atom harusnya saling tolak menolak karena mereka bermuatan sejenis? Tapi ini tidak terjadi karena adanya gaya nuklir kuat di dalam inti atom. Cakupan gaya nuklir kuat sangatlah pendek namun gaya ini adalah yang terkuat di antara ketiga gaya fundamental lainnya. Gaya ini dimediasi oleh gluon.