1. Persamaan Dirac: Penyatuan dengan Relativitas
Pada awalnya, Persamaan Schrödinger hanya bekerja untuk partikel yang bergerak lambat (non-relativistik). Pada tahun 1928, Paul Dirac merumuskan persamaan yang menggabungkan mekanika kuantum dengan relativitas khusus untuk menjelaskan perilaku elektron pada kecepatan mendekati cahaya.
Inti Persamaan Dirac
Persamaan ini bukan sekadar peningkatan matematis, tetapi membawa dua konsekuensi revolusioner:
$$(i\gamma^\mu \partial_\mu – m)\psi = 0$$
- Munculnya Spin secara Alami: Dalam teori Schrödinger, spin harus “dimasukkan secara paksa”. Dalam Persamaan Dirac, spin muncul secara otomatis sebagai konsekuensi matematis dari penyatuan kuantum dan relativitas.
- Prediksi Antimateri: Persamaan Dirac memiliki solusi energi negatif. Dirac menginterpretasikan ini sebagai keberadaan “anti-partikel”. Tak lama kemudian (1932), Positron (anti-elektron) ditemukan.
Konsep Antimateri: Setiap partikel memiliki pasangan “cermin” dengan massa yang sama tetapi muatan yang berlawanan. Jika materi dan antimateri bertemu, mereka akan saling memusnahkan (annihilation) dan melepaskan energi murni dalam bentuk foton.
💡 2. Elektrodinamika Kuantum (QED)
QED adalah teori medan kuantum pertama yang berhasil. Dikembangkan oleh Richard Feynman, Julian Schwinger, dan Shin’ichiro Tomonaga, teori ini menjelaskan bagaimana cahaya (foton) dan materi (elektron) berinteraksi.
Mengapa QED Begitu Penting?
QED disebut sebagai “permata fisika” karena merupakan teori sains yang paling akurat yang pernah dibuat manusia. Prediksi teoretisnya sesuai dengan hasil eksperimen hingga ketelitian lebih dari 10 tempat desimal.
Bagaimana Gaya Bekerja dalam Kuantum?
Dalam fisika klasik, gaya (seperti gaya listrik) dianggap sebagai “medan” yang tak terlihat. Dalam QED, gaya adalah hasil dari pertukaran partikel pembawa gaya (Boson).
- Dua elektron saling tolak-menolak bukan karena medan statis, melainkan karena mereka saling melemparkan foton virtual satu sama lain.
📉 3. Diagram Feynman: Visualisasi Interaksi Subatom
Richard Feynman menciptakan metode grafis untuk menghitung probabilitas interaksi partikel yang sangat kompleks. Diagram ini mengubah persamaan matematika yang rumit menjadi gambar yang mudah dipahami.
Aturan Dasar Diagram Feynman:
- Garis Lurus: Mewakili partikel materi (Fermion seperti elektron).
- Garis Bergelombang/Zig-zag: Mewakili partikel pembawa gaya (seperti foton).
- Simpul (Vertex): Titik di mana partikel berinteraksi (emis atau absorpsi).
- Waktu dan Ruang: Satu sumbu mewakili waktu, sumbu lainnya mewakili ruang.
Dengan diagram ini, fisikawan dapat menghitung segala sesuatu mulai dari hamburan cahaya hingga perilaku partikel di dalam akselerator seperti LHC (Large Hadron Collider).
🧪 4. Efek Kasimir (Casimir Effect)
Sebagai bukti bahwa “ruang hampa” sebenarnya tidak kosong, QED memprediksi Efek Kasimir.
- Fenomena: Jika Anda meletakkan dua pelat logam sangat dekat (skala nanometer) di ruang hampa sempurna, kedua pelat tersebut akan saling menarik.
- Penyebab: Di ruang hampa, terjadi fluktuasi kuantum di mana partikel virtual muncul dan menghilang terus-menerus. Di antara pelat, hanya gelombang dengan panjang tertentu yang bisa eksis, sementara di luar pelat, semua jenis gelombang ada. Tekanan dari luar lebih besar daripada dari dalam, sehingga pelat terdorong mendekat.
Pembahasan ini membawa kita ke gerbang “Model Standar Fisika Partikel”. Apakah Anda ingin kita membedah seluruh partikel penyusun alam semesta (Kuark, Lepton, Higgs), atau Anda lebih tertarik membahas “Fluktuasi Kuantum” dan energi titik nol secara lebih dalam?