INTERAKSI FUNDAMENTAL

Pandangan terhadap alam semesta ini dapat menjadi lebih baik jika diketahui komponen-komponen dasar materi penyusun benda-benda di alam semesta serta interaksi antar komponen-komponen dasar tersebut. Sejauh ini, telah dapat diketahui adanya empat bentuk interaksi fundamental yang bertanggung jawab terhadap berbagai macam interaksi antar materi. Secara umum, konsep interaksi digunakan untuk menyatakan hubungan timbal-balik antara objek-objek yang ditinjau. Konsep ini bermanfaat terutama untuk analisa bentuk hubungan antar objek materi. Keempat interaksi fundamental tersebut adalah:
1. interaksi gravitasi,
2. elektromagnetik,
3. nuklir lemah dan
4. nuklir kuat.

1. Interaksi gravitasi bersifat tarik-menarik (selalu tarik-menarik) antar partikel-partikel materi. Hukum Newton tentang gravitasi universal menyatakan, besar interaksi tarik-menarik antar dua partikel materi sebanding dengan massa kedua partikel tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak yang memisahkan keduanya. Interaksi ini memiliki jangkauan yang amat jauh (tak hingga), karena bila terdapat partikel-partikel materi maka tentu terjadi interaksi gravitasi. Interaksi gravitasi inilah yang menyebabkan partikel materi mengumpul menjadi satu hingga terbentuk planet-planet, bintang-bintang, yang menyusun tata surya serta galaksi. Konsep interaksi memerlukan adanya "partikel interaktif" untuk menyatakan gagasan hubungan antar partikel materi. Dalam hal interaksi gravitasi, interaksi antar partikel materi dilakukan oleh partikel interaktif graviton. Graviton bersifat tak bermassa, sehingga jangkauan interaksinya meliputi jarak tak hingga dan bergerak dengan kecepatan cahaya. Karena kekuatan interaksi gravitasi sangat lemah (paling lemah bila dibandingkan dengan tiga interaksi yang lain), maka sukar untuk mendeteksi keberadaan graviton ini.

2. interaksi elektromagnetik, terjadi antara partikel-partikel bermuatan listrik (atau partikel bermuatan saja). Berbeda dengan interaksi gravitasi yang bersifat hanya tarik-menarik, interaksi elektromagnetik bisa tarik-menarik maupun tolak-menolak. Sesama proton atau sesama elektron, interaksi yang terjadi bersifat tolak-menolak. Hal ini disebabkan karena proton memiliki muatan sejenis dengan proton lain-katakanlah bermuatan listrik positip dan demikian juga interaksi antar elektron yang dicirikan dengan muatan listrik-katakanlah negatif. Sebaliknya, terjadi interaksi tarik-menarik antara proton dan elektron, karena mereka berbeda muatan!

Sebagaimana interaksi gravitasi memerlukan ide graviton, interaksi elektromagnetik juga perlu ide-katakanlah foton. Sejauh ini diketahui, foton tak bermassa. Struktur atom dapat dipahami sebagai interaksi tarik-menarik antara proton (inti) dan elektron yang mengelilingi inti. Demikian juga dengan struktur molekul, zat padat dan zat cair. Interaksi elektromagnetik memiliki kekuatan interaksi yang relatif lebih besar yakni sekitar 1 dengan 37 nol dibelakangnya bila dibandingkan dengan kekuatan interaksi gravitasi.

3. Interaksi nuklir lemah memiliki jangkauan interaksi paling pendek bila dibanding dengan interaksi fundamental yang lain. Interaksi ini memiliki kekuatan interaksi relatif lebih besar bila dibandingkan dengan interaksi gravitasi yakni sekitar 1 dengan 34 nol di belakangnya.

Interaksi nuklir lemah berperan dalam koreksi susunan inti atom. Inti atom yang tersusun dari sejumlah proton dan sejumlah neutron dengan perbandingan yang tak harmonis akan berusaha mendapatkan komposisi yang proporsional dengan melakukan peluruhan partikel beta. Partikel interaktif interaksi lemah diemban oleh boson madya, sebagai penghubung antara kuark (partikel elementer penyusun proton dan neutron) dan lepton.

4. Interaksi nuklir kuat bertanggung jawab terhadap penggabungan kuark menjadi proton atau neutron, serta penggabungan keduanya menjadi inti atom. Interaksi nuklir kuat antar kuark dihubungkan oleh partikel interaktif yang disebut gluon, menggabungkan kuark-kuark terikat menjadi nukleon. Dan juga, interaksi antar hadron (misal, proton dan neutron) yang dihubungkan oleh meson, yang mengikat nukleon menjadi inti atom. Interaksi nuklir kuat berperan penting dalam jangkauan pendek dan memiliki kekuatan interaksi relatif paling besar bila dibandingkan dengan kekuatan interaksi fundamental yang lain.


Sintesa Interaksi Fundamental

Sebelum adanya formulasi interaksi gravitasi Newtonian, belumlah diketahui apakah fenomena jatuhnya benda ke bumi adalah fenomena yang sama dengan gerak bulan mengelilingi bumi. Berdasarkan analisa data pengamatan astronomi yang dilakukan Kepler dalam formulasi kinematika gerak benda langit-Hukum Kepler, Newton menyatakan dalam bentuk yang lebih umum, bahwa interaksi benda jatuh ke bumi dan interaksi planet mengelilingi bumi adalah jenis interaksi yang sama-interaksi gravitasi.

Interaksi gravitasi dalam formulasi Hukum Gravitasi Universal lebih lanjut disempurnakan oleh Einstein dalam Teori Relativitas Umum. Relativitas Umum berbasiskan asas kesetaraan yang mengatakan bahwa, hukum-hukum alam harus dituliskan dalam bentuk demikian sehingga tak mungkin membedakan antara medan gravitasi serbasama dengan suatu kerangka acuan yang dipercepat. Dengan Teori Relativitas Umum, garis edar planet Merkurius yang berinteraksi dengan matahari (juga dengan planet-planet lain) dapat dijelaskan secara lebih akurat bila dibandingkan dengan menggunakan Hukum Gravitasi Universal. Meski demikian, Hukum Gravitasi Universal cukup memadai untuk keperluan praktis karena bentuknya yang lebih sederhana.

Interaksi elektromagnetik pada mulanya juga dipahami secara terpisah sebagai interaksi listrik dan interaksi magnetik. Kenyataannya, keduanya merupakan dua aspek dari satu sifat materi, yakni muatan listrik. Sementara muatan listrik yang diam relatif terhadap pengamat hanya menimbulkan medan listrik, pengamat menimbulkan medan listrik dan medan magnetik-medan elektromagnetik.

Interaksi elektromagnetik yang diformulasikan oleh Maxwell berdasarkan simetri permasalahan yang telah dilakukan Faraday. Karya Faraday menunjukkan bahwa perubahan medan magnet terhadap waktu menimbulkan medan listrik, sedangkan karya Maxwell menunjukkan bahwa perubahan medan listrik terhadap waktu menimbulkan medan magnet. Dari formulasi interaksi elektromagnetik Maxwell, dapat diprediksi adanya gelombang elektromagnetik yang menjalar dengan kecepatan cahaya. Keberadaan gelombang elektromagnetik dibuktikan secara eksperimental oleh Hertz, memiliki banyak penerapan dalam teknologi modern, misalnya gelombang radio. Ini salah satu bukti keterkaitan erat antara fisika teoritik dengan teknologi.

Hal yang sama berlaku bagi interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah yang pada mulanya dipahami sebagai bentuk interaksi yang berbeda. Formulasi interaksi elektrolemah (sintesa interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah) oleh Salam, Weinberg, Glashow menyatkan bahwa, pada dasarnya tak ada perbedaan mendasar antara partikel interaktif elektromagnetik (foton) dan partikel interaktif nuklir lemah (boson madya) pada tingkat energi tinggi; meskipun pada tingkat energi rendah, foton dan boson madya tampak berbeda. Fenomena ini dikenal sebagai perusakan simetri serta merta (spontaneous symmetry breaking). Kebenaran teori Salam, Weinberg, Glashow terbukti secara eksperimental dengan ditemukannya partikel boson madya W+,W- dan Z0 .

Sintesa interaksi fundamental berikutnya adalah sintesa interaksi elektrolemah dengan interaksi nuklir kuat sebagai interaksi terpadu akbar. Gagasan interaksi terpadu akbar ini menyatakan, bahwa pada energi yang sangat tinggi (energi penyatuan akbar) interaksi elektromagnetik, interaksi nuklir lemah dan interaksi nuklir kuat memiliki kekuatan yang sama sebagai satu macam interaksi.

Salah satu upaya utama fisika saat ini adalah memahami semua bentuk interaksi fundamental sebagai satu kesatuan interaksi.