Apa Itu Materi?

Kita manusia, binatang, tumbuhan, semua bentuk kehidupan, Bumi, planet-planet, dan bintang-bintang, sebenarnya terbuat dari apa? Dan apakah benda-benda familiar itu betul-betul ada bagi Alam Semesta? Ini adalah pertanyaan yang seolah-olah sederhana yang langsung menuju inti pencarian dark matter. Dalam buku ini kami telah menggali berbagai aspek materi dan partnernya, energi, dan telah memikirkan mengapa beberapa tipe materi yang belum ditemukan begitu dicurigai sehingga para ilmuwan menginvestasikan banyak uang pada perangkat-perangkat demi mencarinya. Ini adalah cerita tentang awal-mula Alam Semesta dan bagaimana itu membawa pada tipe dan jumlah materi yang kita lihat hari ini. Di sini kita meninjau kembali gagasan dasar tentang sifat materi, terbuat dari apa ia, dan bagaimana ia terbentuk.

Definisi Materi

Hal pertama yang harus dipahami tentang materi adalah bahwa tidak semua materi bisa dilihat secara langsung, dan tidak semua yang Anda lihat di sekeliling Anda merupakan materi. Contoh umum adalah udara dan cahaya. Kita bisa merasakan udara, dan bahkan melihat efeknya pada benda-benda seperti pakaian di jemuran; tapi sesungguhnya kita tidak bisa melihatnya – setidaknya tidak bisa tanpa peralatan khusus. Sebaliknya, cahaya memungkinkan kita untuk melihat segala hal di sekitar kita. Setiap matahari terbit, kita bermandikan cahaya – dan kehidupan akan segera menemui ajalnya tanpa cahaya. Tapi cahaya bukanlah materi; ia merupakan energi.

Jadi, apa itu materi? Terdapat beberapa kriteria yang harus dipenuhi sebelum sebuah entitas dapat digambarkan sebagai materi. Pertama, ia harus menempati ruang. Anda terbuat dari materi, dan Anda bisa membuktikan bahwa Anda memakan ruang setiap kali Anda naik ke dalam bak penuh air. Level air yang naik adalah bukti bahwa Anda mempunyai volume. Bukti lain yang kurang jelas terlihat adalah bahwa Anda menolak perubahan gerak. Barangkali contoh lebih baik adalah mobil mogok. Dihadapkan dengan kebutuhan untuk mendorongnya keluar dari jalan, Anda mengalami kelembaman – penolakan terhadap perubahan gerak, sekalipun gerak tersebut masih tersisa. Tak dapat disangkal, gesekan ban dengan jalan memberikan penolakan lebih jauh, tapi meskipun Anda mencoba mendorong mobil di atas lapangan es, Anda akan mendapatinya lebih sedikit bergerak daripada Anda, karena ia mengalami lebih banyak kelembaman dibanding Anda. Dengan kata lain, ada lebih banyak mobil daripada Anda.

Terakhir, materi mempunyai massa. Massa didefinisikan sebagai jumlah materi dalam sebuah objek, tapi ini tidak boleh tertukar dengan berat. Contoh familiar berupa kesamaan berat di Bulan dengan berat Anda di Bumi mungkin sejenak membuat Anda merasa lebih nyaman – tapi massa dan volume Anda tetap sama di kedua lingkungan tersebut.

Karena itu, materi adalah segala sesuatu yang bisa ditimbang, didorong, ditarik, dapat berubah bentuk, dan seterusnya. Ini secara intuitif memang jelas, tapi perlu dinyatakan secara langsung. Yang sangat kurang jelas adalah sifat materi. Jika kita mempelajari susunan dasarnya, apa yang akan kita lihat? Sekitar tahun 500 SM, filsuf Yunani, Democritus, mencurahkan pemikiran sungguh-sungguh terhadap ini, dan dalam pikirannya membayangkan partikel-partikel kecil yang tak bisa dibagi yang menyusun semua materi. Dia menyebut mereka atom – yang berarti ‘tak bisa dipotong’. Secerdas-cerdasnya Democritus – tapi dia memang benar – dia hanya berspekulasi. Dia tak punya bukti untuk mendukung gagasannya, dan pada waktu itu banyak orang yang tidak sependapat dengannya. Namun hari ini kita tak hanya dapat mempelajari dunia materi untuk melihat apa yang ada, tapi kita punya bukti untuk mendukung kesimpulan kita mengenai dunia aneh ini. Beberapa bukti itu seindah pengungkapan dalam buku ini, sementara beberapa yang lain – seperti bom nuklir – sangat mengerikan. Poinnya adalah bahwa kita sekarang lebih dekat daripada sebelumnya menuju pemahaman sifat sejati materi – setidaknya materi yang dapat kita lihat, dan bahkan barangkali materi yang tak dapat kita lihat.

Mikrosopis: Sel

Pikirkan sebuah contoh materi yang mudah: halaman-halaman buku ini. Lihat lebih dekat, lalui kata-kata, huruf, dan tanda titik di akhir kalimat ini. Pandangilah serat-serat yang menyusun halaman-halaman – serat-serat yang dahulunya merupakan jaringan hidup dalam pepohonan. Jaringan tersebut terbuat dari sel-sel, dan sel-sel itu terbuat dari bagian-bagian sangat kompleks yang tak terhitung banyaknya – membran, sitoplasma, mitokondria, dan sebagainya – yang pernah menjalani proses kehidupan yang kini telah berakhir. Bagian-bagian itu terbuat dari beberapa molekul terbesar dan terkompleks di Alam Semesta – contoh familiar adalah molekul kehidupan, DNA, yang memuat kode genetik yang memungkinkan kita dan semua makhluk hidup untuk bereproduksi.

Molekul

Molekul memiliki berbagai bentuk yang mengherankan, dan sebagian besar material yang berpengaruh pada hidup kita tersusun dari tipe molekul yang berbeda-beda. Contohnya air, tanpanya kehidupan akan berhenti. Ini adalah sebuah molekul yang terdiri dari dua tipe partikel yang lebih kecil yang disebut atom. Atom memiliki ciri yang berbeda-beda yang disebut unsur, sekitar seratus darinya telah diketahui. Dua unsur dalam air, contoh, adalah oksigen dan hidrogen. Unsur-unsur menyatu untuk membentuk semua molekul di sekitar kita, dan bereaksi bersama untuk membentuk zat baru dalam reaksi kimia. Contoh umum dijumpai saat memasak, misalnya, atau ketika minyak bumi menyatu dengan oksigen dalam kendaraan Anda. Dalam kedua kasus, terjadi suatu pertukaran energi, tapi bukan materi. Dalam kasus memasak, energi adalah input sehingga beragam molekul bereaksi dan membuat kue mengembang. Di sisi lain, dalam mesin kendaraan, input energi yang pada mulanya kecil (percikan dari spark-plug) memicu sebuah reaksi antara minyak bumi dan oksigen untuk melepaskan energi, yang menggerakkan kendaraan. Dalam kedua contoh tersebut, kombinasi baru dari unsur-unsur dan senyawa-senyawa dihasilkan, tapi materi tidaklah tercipta atau terhancurkan.

Unsur

Seluruh Alam Semesta hampir hanya terdiri dari dua unsur: hidrogen dan helium. Semua yang menurut Anda dan saya begitu menarik dalam kehidupan sehari-hari (dengan pengecualian dark matter, tentu saja) terbuat dari unsur-unsur yang sangat minoritas. Tapi semua unsur ini – dari yang paling ringan dan sederhana (hidrogen) sampai unsur-unsur dengan massa yang berat serta nama yang lebih berat seperti ununnilium – terbuat dari atom-atom. Tapi bukan atom yang dipahami oleh Democritus.

Atom

Atom sebaliknya terbuat dari empat hal: proton dan neutron yang menyusun nukleus, elektron di sekeliling nukleus, dan sejumlah besar ruang. Tapi seberapa luas ruang yang ada? Bayangkan bahwa nukleus atom adalah seukuran kacang kenari. Pada skala ini, elektron-elektron akan mendengung dalam sebuah bola berdiameter lebih dari satu kilometer. Meski ruang ini sangat besar, 99% materi dalam sebuah atom berada dalam nukleus yang sangat kecil itu. Jadi apa yang menjaga kesatuan itu semua? Jawabannya adalah energi: muatan listrik elektron adalah negatif, sementara nukleus (penyebabnya akan kita simak sebentar lagi) adalah positif. Muatan negatif dan positif menarik dan menahan elektron pada tempatnya. Tetapi mengenai atom yang sedang menjumpai atom lain, mereka saling menolak karena alasan sederhana bahwa mereka mempunyai elektron di sebelah luar – dan dua elektron negatif sudah pasti saling menolak. Sifat ini memungkinkan Anda memegang buku ini. Elektron-elektron negatif dalam atom dan molekul tangan Anda menolak elektron-elektron dalam atom dan molekul buku. Jika saling tolak ini tidak terjadi, tak hanya buku ini akan benar-benar lepas melalui jari-jari Anda, tapi Anda juga akan terperosot menembus kursi dan kemudian memasuki Bumi. Ini tidak sebodoh kedengarannya, karena ada partikel-partikel materi di Alam Semesta yang melakukan hal demikian. Kita sekarang akan mengarungi esensi materi.

Struktur Atom: Elektron, Proton, dan Neutron

Dalam nukleus kita menemukan dua tipe partikel lagi: proton dan neutron – komponen berat yang memiliki massa. Proton punya muatan positif – muatan yang sama yang menarik elektron dan mencegah atom pecah. Neutron tidak punya muatan sama sekali, tapi, meskipun begitu, ditahan pada tempatnya di dalam nukleus oleh gaya lain yang berbeda dari gaya listrik: gaya nuklir kuat.

Quakrk

Yang lebih fundamental dari proton dan neutron adalah partikel-partikel yang menyusun mereka: quark. Ada berbagai tipe quark – up, down, strange, charmed, top, dan bottom – yang bergabung dengan cara yang berbeda-beda untuk menyusun materi. Proton, contohnya, tersusun dari dua quark up dan satu quark down, sedangkan neutron tersusun dari dua quark down dan satu quark up. Nama-nama quark tersebut sama sekali tidak terkait dengan atribut mereka, dan hanya merupakan label.

Lepton

Bagaimana dengan elektron? Dari apa ia tersusun? Elektron adalah bagian dari sebuah keluarga partikel yang jauh lebih ringan yang disebut lepton. Anggota lain dari keluarga lepton mencakup partikel muon dan tau, dan masing-masing dari ketiganya memiliki associated particle yang disebut neutrino: neutrino elektron, neutrino tau, dan neutrino muon. Neutrino adalah binatang buas aneh yang bisa menembus materi biasa seolah-olah materi itu tidak eksis. Ini menghadirkan suatu tantangan menarik bagi para fisikawan yang tak hanya bermaksud mendeteksi mereka tapi juga mencoba mengukur massa mereka. Lepton tidak kelihatan tersusun dari apapun selain lepton; dengan kata lain mereka tidak menunjukkan tanda-tanda memiliki struktur internal.

Di samping ini semua, masih ada banyak partikel lain, dan ada lebih dari dua ratus yang telah diketahui atau diprediksi.

Energi

Tanyakan pada seorang fisikawan apa itu energi, dan jawabannya adalah bahwa energi memungkinkan dikerjakannya suatu pekerjaan. Ini adalah konsep yang sukar ditangkap, dan, walaupun kita dapat menggambarkan atributnya, mengklasifikasikannya dalam cara berbeda-beda, serta memprediksikan perilakunya dan juga hubungannya dengan materi pada permulaan Alam Semesta, sifat energi masih sebuah misteri.

Energi adalah kapasitas untuk melakukan pekerjaan – untuk mengubah hal-hal. Berikut ini terdapat beberapa tipe yang sering dijumpai, walaupun ada banyak variasi:

• Energi kinetik. Gerakan. Mengendarai sepeda, berdansa waltz, terbang ke Bulan, maka Anda sedang menjalankan energi kinetik.
• Energi potensial. Energi tersimpan, yang memanifestasikan dirinya dalam berbagai bentuk seperti energi kimia dan gravitasi. Makanan, minyak bumi, dan air di puncak tebing yang akan terjun, semuanya memiliki energi potensial. Salah satu hal menakjubkan yang coba kita lakukan di milenium ini adalah menyimpan energi dalam segala sesuatu mulai dari gudang pangan yang memberi kita makanan sampai reaktor nuklir mini yang mentenagai kendaraan antariksa dalam perjalanan antarplanet.
• Energi termal. Kalor – jumlah energi yang terkandung dalam partikel-partikel bergerak yang menyusun materi. Semakin cepat partikel bergerak, semakin banyak energi termal yang mereka miliki, dan, dengan jumlah yang cukup, mereka dapat menghasilkan energi dalam jumlah besar. Walaupun energi termal disebut sebagai kalor, sebuah objek dengan energi termal dalam jumlah besar tidak pasti panas, sedangkan sebuah objek panas tidak pasti mengandung banyak energi termal. Kolam renang air hangat, misalnya, mengandung jauh lebih banyak energi termal dibanding paku yang berpijar, alasannya sederhana, karena air lebih banyak dari paku!
• Energi listrik. Salah satu bentuk energi paling familiar – untuk alasan yang bagus, kita menggunakannya dalam jumlah besar. Ini adalah aliran elektron, yang luar biasa mudah untuk diangkut setelah infrastruktur sudah ada di tempatnya. Sekali energi listrik diantarkan ke rumah-rumah kita, kita dapat mengubahnya ke dalam banyak bentuk energi lain.
• Energi radian. Contoh paling familiar adalah cahaya, tapi ada bentuk lain: sinar gamma, infrared (digunakan untuk memanaskan dan dalam perangkat remote-control rumah tangga), gelombang mikro (untuk komunikasi dan memasak), sinar X (pengobatan), gelombang radio, dan ultraviolet. Semua ini adalah bagian dari spektrum elektromagnetik.

Masing-masing bentuk energi ini (dan yang tidak disebutkan di sini) termasuk ke dalam satu dari empat gaya fundamental di alam, yang diangkut dari satu tempat ke tempat lain berkat partikel tak bermassa yang disebut boson. Gaya-gaya tersebut beserta pengangkutnya adalah:

• Gaya elektromagnetik, diangkut oleh photon.
• Gravitasi, diangkut oleh graviton.
• Gaya nuklir kuat, diangkut oleh gluon.
• Gaya nuklir lemah, diangkut oleh partikel W⁺, W^-, dan Z⁰.

Nilai penting dari hubungan antara materi dan energi adalah bahwa hubungan tersebut dapat dipertukarkan: Materi diubah menjadi energi di dalam bintang, misalnya, dan konversi inilah yang memungkinkan kita untuk terus hidup. Tapi untuk kepentingan cerita kita, adalah penting untuk memahami bahwa Alam Semesta mengandung sejumlah materi dan sejumlah energi, dan, sebagaimana telah kita temukan, sejumlah dark matter. Hanya itu. Tak lebih, tak kurang. Dalam sejarah Alam Semesta, sudah terjadi beberapa konversi ganjil antara materi dan energi, dan, tak diragukan lagi, dark matter, tapi totalnya tetap sama. Salah satu cita-cita kosmologi adalah menentukan berapa banyak dari mereka – materi, energi, dan dark matter – yang eksis di Alam Semesta, sebab ini akan membantu mengungkap atribut fundamental awal-mula, evolusi, dan takdir Alam Semesta yang kita tinggali.

(Sumber: Ken Freeman, Pencarian Dark Matter (diterjemahkan oleh Jookut dkk), Bumi: SeSa Media, 2010)

Sumber: Sainstory - Sains Social History