Neutrino, Kecepatan Cahaya, dan Proses Sains

Beberapa hari belakangan sains fisika sedang dilanda kehebohan dengan penemuan partikel neutrino yang bergerak melebihi kecepatan cahaya. Tim saintis yang tergabung dalam eksperimen OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) menemukan bahwa neutrino memakan waktu perjalanan lebih cepat sampai ke fasilitas penelitiannya di Italia dibandingkan waktu yang dibutuhkan cahaya. Berdasarkan hasil ini, eksperimen OPERA menyimpulkan bahwa partikel neutrino tersebut bergerak lebih cepat daripada cahaya

Selama lebih dari satu abad, peradaban manusia menganggap kecepatan cahaya adalah kecepatan tertinggi yang mungkin dapat dicapai. Einstein pada tahun 1905 menyatakan teori relativitas khusus dengan membuktikan bahwa tidak ada yang dapat melebihi kecepatan cahaya dalam vakum, yaitu sebesar 186.000 mil per detik (atau lebih tepatnya 299.792.458 meter per detik). Teori relativitas khusus, terkenal dengan rumus E=mc2, berhasil lulus dari berbagai eksperimen. Teori ini kemudian menjadi landasan pada bangunan fisika modern.

Neutrino merupakan partikel subatomik bermuatan listrik netral dan bermassa sangat kecil. Miliaran partikel neutrino setiap detik menembus tubuh kita berasal dari matahari. Eksperimen OPERA menemukan bahwa partikel neutrino yang berasal dari laboratorium CERN Swiss bergerak di bawah tanah sejauh 730 km ke laboratorium di Gran Sasso Italia tiba lebih cepat 60 nanodetik daripada waktu yang dibutuhkan cahaya untuk mencapai jarak ini.

Setelah tiga tahun masa eksperimen dan 16.000 kali pengukuran kecepatan neutrino, para saintis OPERA menyimpulkan bahwa partikel neutrino tersebut bergerak lebih cepat daripada cahaya. Kecepatan neutrino saat melintasi lintasan CERN-OPERA adalah 299.798.454 meter per detik, kira-kira 0,002 persen lebih cepat daripada kecepatan cahaya.

Meskipun hanya sedikit lebih cepat, kesimpulan ini memberikan tantangan pada fisika modern (kalau memang kesimpulan ini terbukti benar). Nature mengatakan, “apabila neutrino bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya, maka salah satu asumsi fundamental sains, bahwa aturan fisika sama bagi semua pengamat, menjadi batal." Potensi perubahan besar-besaran dalam dunia fisika mungkin terjadi apabila memang terbukti bahwa kecepatan cahaya dapat terlampaui.

Hasil eksperimen kecepatan neutrino melebihi kecepatan cahaya memberikan gambaran bagaimana proses sains sedang bekerja. Setelah saintis OPERA mengungkapkan hasil eksperimen neutrino, peer-review akan dilakukan oleh saintis pada bidang fisika partikel lain di seluruh dunia. Pertanyaan akan diajukan dan dijawab hingga memuaskan semua pihak, baru kemudian publikasi ilmiah dapat dilakukan.

Reviewer dari berbagai fisikawan partikel akan melihat metodologi yang dilakukan dan apa yang mungkin kurang dalam eksperimen ini. Setelah itu, sesuai yang dikatakan Sherlock Holmes: “when you have eliminated the impossible, whatever remains, however improbable, must be the truth.” Peer-review dalam sains memang merupakan sistem swa-regulasi yang ampuh untuk menjaga standar, meningkatkan kinerja, dan menjaga kredibilitas sains.

Selanjutnya, eksperimen sejenis akan dilakukan oleh fisikawan di pusat penelitian lain menuntut hasil eksperimen yang persis. Mereka menguji kembali apakah hasil sebelumnya dapat direplikasi. Meskipun eksperimen neutrino ini sangat sulit dan mahal, tetapi pusat penelitian lain akan bersiap untuk melakukan kembali eksperimen sejenis untuk membuktikan kebenaran hasil ini.

Misalnya saja, eksperimen MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) di Fermilab Amerika Serikat sebelumnya telah melaporkan terjadinya efek sejenis meskipun dengan akurasi rendah. Saintis MINOS melaporkan bahwa neutrino bergerak lebih cepat daripada yang diharapkan, yaitu melebihi kecepatan cahaya. Ketika itu, mereka menyimpulkan bahwa hasil ini terjadi karena kurangnya akurasi. Hasil terbaru OPERA membuat MINOS merencanakan eksperimen selanjutnya yang lebih akurat. Tim saintis MINOS diperkirakan akan memberikan hasil terhadap eksperimen sejenis dalam satu hingga dua tahun mendatang.

Saat ini, hasil dan kesimpulan eksperimen OPERA menimbulkan banyak pro dan kontra. Banyak komentator dan saintis yang skeptik dengan hasil eksperimen ini. Keraguan mereka berasal dari metodologi dan tingkat akurasi hasil. Pengamatan tidak langsung di luar laboratorium, misalnya pada ledakan bintang Supernova 1987a, juga menunjukkan hasil pengamatan yang berbeda dengan hasil eksperimen laboratorium eksperimen OPERA ini.

Seperti proses sains layaknya, juru bicara OPERA tetap terbuka terhadap skeptisme publik. Bagaimanapun juga, setelah tiga tahun masa eksperimen, para peneliti Italia ini tidak menemukan kesimpulan lain kecuali bahwa partikel neutrino itu bergerak lebih cepat daripada cahaya. Semua data telah diberikan kepada komunitas sains dan mereka membuka diri terhadap komentar secara luas.

Dalam beberapa waktu ke depan, kita akan menyaksikan bagaimana proses sains bekerja pada penemuan partikel neutrino yang bergerak melebihi kecepatan cahaya. Seiring dengan waktu, kita akan dapat melihat apakah teori ini mampu bertahan. Hanya dengan bertahan melewati berbagai eksperimen sains, teori kecepatan melebihi kecepatan cahaya dapat terbukti sebagai kebenaran dalam sains.

Kebenaran dalam sains memang tidak mudah dan tidak otomatis. Ia tidak lahir seperti konsensus dalam politik atau dogma dalam agama. Kebenaran dalam sains berkembang melalui pergulatan antara skeptisme, pembuktian, dan keterbukaan. Apa yang menjadi kebenaran dalam sains hari ini , belum tentu akan tetap menjadi kebenaran di masa depan. Seperti yang dikatakan Michael Crichton, saintis sekaligus penulis fiksi sains:

Pekerjaan sains tidak ada hubungannya dengan konsensus. Konsensus adalah urusan politik. Sebaliknya, sains hanya membutuhkan satu investigator yang benar, yang memiliki hasil yang teruji benar berdasarkan referensi dunia nyata.

Dalam sains, konsensus tidaklah relevan. Yang relevan adalah hasil yang dapat direproduksi. Para saintis menjadi besar dalam sejarah justru karena mereka memutuskan untuk tidak mengikuti konsensus.

 

---

Inspirasi:

Measurement of neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam
Neutrino stories move faster than the speed of science
Particles break light-speed limit
Particles Found to Travel Faster than Speed of Light
Faster-than-light neutrino claim bolstered
Elementary, my dear neutrino

Refusing the dimensions

Refusing to see the whole picture is attacking the 2nd dimension..
Refusing to see apply some perspective is attacking the 3rd dimension..
Refusing to consider/remember history is attacking the 4th dimension..
Refusing to see other possibilities is attacking the 5th dimension..
Refusing to break the law of physics is attacking the 6th dimension…

survivingtheworld.net

Pencerahan Dari Sejarah Sains

Pencerahan datang tanpa ada pemisahan antara pencerahan sains, spiritual, atau bisnis, dan seterusnya. Pencerahan adalah pencerahan. Ia membuka cakrawala pandang sehingga kita bisa melihat jauh, lepas dari pikiran sempit yang membatasi.

Sebelum ini, saya merasa nyaman dengan kesederhanaan pelajaran sains kimia dan fisika yang diberikan di bangku sekolah dan kuliah. Sains dipelajari secara sederhana tanpa pemahaman sejarah yang melatarbelakangi semua penemuan itu.

Kenyamanan saya terusik melihat bagaimana latar belakang sejarah penemuan bidang fisika dan kimia dalam seratus tahun belakangan ini. Herannya, saya jadi malah lebih menghargai sains dan para saintis yang memperjuangkannya. Lepas dari kerusakan yang terjadi karena sains, sangat banyak perubahan umat manusia pada abad lalu berasal dari berbagai penemuan penting sains!

***

Beberapa minggu kemarin, saya membaca buku berjudul The Disapearing Spoon. Buku sains populer karya Sam Keane ini menceritakan tentang sejarah sains kimia dan fisika elemen. The Disapearing Spoon banyak mengungkap kisah sejarah belakang layar berbagai penemuan besar di kedua bidang ini.

Sejarah sains kimia fisika unsur yang diceritakan banyak terjadi pada awal abad ke-20. Pada era ini, sains tentang atom berkembang cepat dan relatif longgar. Fondasi sains kimia-fisika ketika itu dalam proses pembangunan. Aturan sains masih belum terbentuk sempurna. Semua orang memiliki kesempatan untuk memuaskan dahaga keingintahuannya dalam sains tanpa tata krama akademis yang ketat seperti sekarang.

Pemisahan cabang ilmu kimia dan fisika mulai terbentuk pada akhir abad ke-19. Penelitian tentang Uranium oleh pasangan suami istri Pierre dan Marie Curie menyibak misteri sains: bahwa sifat kimia dari suatu elemen ternyata terpisah dari sifat fisikanya. Uranium yang telah dimurnikan ternyata memiliki tingkat radioaktivitas yang sama dengan uranium dalam bentuk yang ada di alam. Ikatan elektron antara uranium dan atom lainnya (kimia) ternyata tidak mempengaruhi radioaktivitas (fisika) inti atom uranium tersebut.

Pada era ini, berbagai eksprerimen dilakukan dengan resiko tinggi. Pierre dan Marie Curie melakukan percobaan dengan bahan radioaktif di laboratorium tanpa perlindungan yang cukup. Marie Curie sendiri akhirnya menjadi korban akibat penelitian radioaktif yang dilakukannya. Ia meninggal karena aplastic anemia akibat dosis radioaktif yang didapatkannya selama penelitian.

Yang lebih menarik, hasil penelitian radioaktivitas Marie Curie juga sempat menjadi produk Revigator yang laku ribuan unit. Revigator berbentuk mirip dispenser air minum yang didalamnya mengandung bahan radioaktif.  Pada tahun 1920-30an, orang meminum air radioaktif yang berasal dari alat ini sebagai health tonik!

Air dimasukkan ke dalam alat Revigator selama satu malam dan teradiasi oleh Uranium dan Radium. Lalu, air ini dapat dikonsumsi esok harinya. Konon, air teradiasi ini dapat menyembukan penyakit, termasuk arthritis, kentut berlebihan, dan pikun. Bahkan sains pun juga dapat menghasilkan pseudosains..

***

Buku The Disapearing Spoon juga menggambarkan bahwa fakta sejarah yang terungkap akan menghilangkan mitos berlebihan dan cenderung heroik. Penelitian ideal dengan niat yang tulus mungkin hanya ada dalam kisah. Sementara manusia tetaplah makhluk ekonomi: merespon terhadap insentif. Kisah yang kita kenal saat ini kebanyakan merupakan dogma saja, yaitu penyederhanaan dari ilmu yang lebih kompleks. Penggalian ilmu sejarah sains ternyata lebih menarik.

Penemuan besar sains tidak bebas nilai dan tidak lepas dari konteks jamannya. Penemuan para saintis ini memiliki motif ekonomi, politik, dan ketenaran. Tidak jarang, usaha penemuan ini diwarnai oleh manipulasi bahkan peperangan. Perkembangan sains sesungguhnya terjadi di antara selipan-selipan ideologi, politik, ekonomi, bahkan perang pada masa itu. 

Dalam penemuan berbagai elemen/atom di abad-20, kompetisi muncul didominasi oleh berbagai negara yang sedang terlibat perang. Motif politik dan ekonomi sangat kental dalam perkembangan penelitian kimia dan fisika.

Penemuan Molibdenum dan Tungsten bersumber dari sejarah Perang Dunia I dan II. Keduanya digunakan dalam campuran baja yang lebih baik untuk membangun persenjataan Jerman.

Pada PD I, Jerman menggunakan logam Molibdenum sebagai campuran baja yang membuatnya lebih kuat. Karena pasokan Molibdenum diperketat, pada PD II Jerman menggunakan logam Tungsten untuk campuran baja. Penemuan sains menentukan keunggulan persenjataan Jerman. Big Bertha (Howitzer) yang mengandung Molibdenum menghancurkan kota Paris dengan keunggulan metalurginya ini.

Rahasianya adalah bahwa Molibdenum (Mo) dan Tungsten (W) memiliki titik leleh ribuan derajat di atas atom besi (Fe). Atom Molibdenum dan Tungsten memiliki ukuran yang lebih besar dan elektron yang lebih banyak dibandingkan dengan atom besi. Kedua faktor ini menyebabkan elektron kedua atom ini sulit tereksitasi dan mampu menyerap banyak panas. Hal inilah yang membuat keduanya tepat untuk dijadikan campuran baja untuk persenjataan perang.

Menariknya, hasil penemuan sains ini kemudian dapat menjadi bebas nilai. Ia diaplikasikan bagi umat manusia demi berbagai tujuan: baik atau buruk, menolong umat manusia atau malah menghancurkan. Keunggulan sains untuk dapat ditiru kembali oleh siapa saja dan mudah dimodifikasi untuk tujuan apa saja dan oleh apa saja. Manusia sebagai pelakulah yang kemudian bertanggung jawab untuk penggunaan selanjutnya.

Tambang Bartlett Mountain, Colorado, Amerika Serikat adalah penghasil utama elemen Molibdenum pada masa PD I. Pada tahun 1918, Amerika Serikat buru-buru menghentikan pasokan Molibdenum  setelah mengetahui Jerman membuat persenjataan dengan Molibdenum yang ditambang dari negaranya. Kelebihan hasil tambang Molibdenum ini kemudian digunakan Henry Ford untuk bahan baku produksi mesin mobil model-T.

Saat ini, Molibdenum dan Tungsten digunakan luas untuk campuran logam lainnya. Kemampuan Molibdenum untuk bertahan pada suhu yang ekstrim membuatnya berguna untuk aplikasi pembuatan bagian pesawat terbang, industri motor dan filamen. Tungsten digunakan sebagai bahan pembuat Tungsten Carbide (TC), sebuah materi yang tiga kali lebih keras dibandingkan baja biasa. TC ini digunakan secara luas untuk bahan bor, mesin industri untuk memotong baja, bahkan juga untuk militer sebagai amunisi penembus perisai baja.

Penemuan sains juga menjadi pengungkit raksasa dalam perubahan umat manusia. Ia merevolusi semua aspek kehidupan manusia. Dalam 10 ribu tahun belakangan, manusia memang mengalami percepatan evolusi yang luar biasa. Akan tetapi, dalam 100 tahun belakangan inilah, percepatan ini harus dikatakan sebagai REVOLUSI: perubahannya sangat cepat dan liar.

Penggunaan teknologi nuklir untuk perang pada awalnya sangat merusak. Beberapa peneliti dari masing-masing negara yang berpartisipasi dalam Perang Dunia II ikut berlomba dalam penelitian pengunaan nuklir untuk senjata. Amerika Serikatlah yang pertama menggunakan nuklir sebagai senjata (dan semoga yang terakhir). Tanggal 6 Agustus dan 9 Agustus 1945, kota Hiroshima dan Nagasaki menjadi korban sejarah senjata nuklir. Hingga saat ini, diperkirakan telah ada dua ribu test senjata nuklir yang telah dilakukan oleh berbagai negara yang memilikinya.

Sisi baiknya, aplikasi nuklir untuk persenjataan ini kemudian dapat berkembang menjadi alternatif sumber energi baru yang ramah lingkungan. Terlepas dari kontroversinya, energi nuklir adalah salah satu sumber energi utama di masa depan. Sampai sebelum kehebohan reaktor Fukushima belakangan ini, Jepang menggunakan nuklir hingga 29% dari total kebutuhan energi listrik. Perancis bahkan menggunakan nuklir sebagai sumber energi listrik dengan rasio tertinggi, yaitu sekitar 75%.

***

Perkembangan sains dan teknologi terjadi dengan sangat pesat, bahkan liar. Kita sulit memprediksi apa yang akan datang selanjutnya.  Era awal abad ke-20 adalah masa perkembangan eksponensial sains kimia dan fisika elemen. Saat ini, awal abad ke-21, bidang penelitian baru di area rekayasa genetika, neurosains, dan fisika kuantum adalah gilirannya.

Seratus tahun lagi mungkin ada buku mirip dengan The Disapearing Spoon ini. Mungkin generasi selanjutnya yang pada gilirannya akan menertawakan kekonyolan sejarah sains abad ke-21, waktu kita hidup saat ini.

Atau jangan-jangan kita masih tetap hidup seratus tahun lagi? :)