Karya asal: Paul Adrian Maurice Dirac
Tajuk Asal: Methods in Theoretical Physics
Sebahagian daripada koleksi rencana “From A Life of Physics” (1989)
Terjemahan: Murthadza Aznam
Mahasiswa Sarjana Muda Sains Fizik, UKM
Saya akan cuba menerangkan serba sedikit tentang kaedah kerja seorang ahli fizik teori. Iaitu mengenai bagaimana mereka cuba mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam tentang hukum-hakam alam tabii.
Untuk memahami perihal ini, kita boleh lihat bagaimana kerja dilakukan pada masa lampau. Dengan hal yang demikian, bolehlah kita berharap agar kita mampu memperolehi petua atau mengambil sedikit pengajaran yang mungkin dapat memberikan nilai tambah dalam menyelesaikan masalah masa kini. Masalah yang muncul pada masa lampau secara asasnya ada banyak persamaan dengan masalah yang muncul pada masa kini. Maka penelitian kaedah-kaedah yang berjaya digunakan pada masa lampau mungkin dapat membantu masalah masa kini.
Kita boleh kenal pasti dua kaedah utama dalam fizik teori. Kaedah pertama ialah dengan membina teori bersandarkan ujikaji. Kaedah ini memerlukan ahli fizik teori bekerjasama dengan ahli fizik ujikaji. Mereka akan menilai hasil-hasil ujikaji dan cuba menerangkannya secara menyeluruh dan memuaskan.
Kaedah yang selainnya ialah dengan membina teori bersandarkan matematik. Golongan yang menggunakan kaedah ini akan menilai dan memberi kritikan terhadap teori yang sedia ada. Mereka akan cuba mengenal pasti setiap kesilapan dan cuba menyingkirkan kesilapan itu. Kaedah ini payah kerana cubaan untuk menyingkirkan kesilapan itu perlu dilakukan tanpa membinasakan kejayaan-kejayaan teori sedia ada.
Dapatlah disimpulkan bahawa terdapat dua kaedah umum. Namun, perbezaan antara keduanya tidaklah semestinya sesuatu yang jelas. Jika dibayangkan dua kaedah ini seperti dua titik pada satu garisan, di antara keduanya ada bermacam titik-titik lain yang membawakan kaedah yang berbeza.
Kaedah mana yang kita gunakan sangat bergantung kepada tajuk kajian kita. Untuk tajuk baharu dengan pengetahuan yang sedikit, terpaksalah kita berteori bersandarkan ujikaji. Pada awalnya, untuk tajuk baharu ini, kita hanyalah mengutip dan menyusun bahan bukti dari ujikaji.
Contohnya, mari kita imbau kembali bagaimana ilmu mengenai sistem atom-atom berkala dibina sejak abad yang lalu. Pada awalnya, kita hanya mengutip data dari ujikaji dan menyusunnya dalam satu jadual. Selari dengan pembinaan sistem ini, kita juga memperoleh keyakinan sedikit demi sedikit, sehingga akhirnya kita mempunyai keyakinan yang cukup tinggi untuk meramalkan atom-atom yang sepatutnya mengisi lompong-lompong pada jadual berkala tersebut apabila ia hampir lengkap. Atom-atom yang diramalkan itu akhirnya ditemui dan ramalan ini menjadi kenyataan.
Kebelakangan ini, muncul satu keadaan yang sama untuk zarah-zarah baharu dalam fizik bertenaga tinggi. Zarah-zarah ini dimuatkan ke dalam satu jadual sehinggakan kita mampu meramalkan zarah-zarah yang akan ditemui dan bakal mengisi lompong-lompong jadual ini.
Dalam mana-mana bidang fizik dengan pengetahuan yang terhad, kita mestilah sandarkan teori kita pada ujikaji agar kita tidak terjebak dalam terkaan-terkaan rambang yang sewajarnya salah. Saya tidak berniat untuk mengutuk terkaan dan spekulasi secara menyeluruh. Ia boleh jadi sesuatu yang menyeronokkan dan mungkin akan memberi manfaat dalam cara yang lain walaupun kita sudah mendapatinya salah. Kita perlu ada akal budi yang terbuka terhadap buah fikiran yang baharu. Maknanya, kita tidak seharusnya membantah spekulasi bulat-bulat tapi harus diingatkan agar tidak menjadikan ia sebuah ketaksuban.
Spekulasi dalam Kosmologi
Satu contoh bidang fizik yang mempunyai banyak spekulasi baru-baru ini ialah bidang kosmologi. Bahan bukti yang ada sangat sedikit, tetapi ahli fizik teori sibuk membina model-model alam semesta berdasarkan apa sahaja tanggapan yang mereka rasa sesuai. Model-model ini berkemungkinan besar tidak benar. Selalunya ketika membina model, hukum-hakam alam tabii dianggap tidak akan berubah langsung. Namun, tiada bukti yang menyokong tanggapan ini. Hukum-hakam alam tabii mungkin sedang berubah dan nilai-nilai yang kita rasakan malar setakat ini mungkin sedang berubah pada kadar masa yang besar. Perubahan-perubahan ini pasti akan menjadi berita dukacita bagi pelopor model-model tadi.
Apabila bertambahnya ilmu pengetahuan dan bahan bukti terhadap sesuatu tajuk, barulah kita boleh bergerak ke arah kaedah matematiknya. Bolehlah juga kita mengejar keindahan matematiknya. Keindahan matematik ini bagaikan sebuah pegangan bagi ahli fizik teori. Tiada sebab yang munasabah pun untuk beriman pada keindahan matematik ini tetapi sejarah menunjukkan ia sangat berguna. Misalnya, teori kenisbian sangat mudah diterima sebab pemerihalan matematiknya indah.
Ada dua laluan bersandarkan matematik boleh dilaksanakan, iaitu (1) dengan menyingkirkan percanggahan, dan (2) dengan menyatukan teori-teori yang pada asalnya disangkakan adalah perkara yang berasingan.
Keberhasilan Kaedah
Kaedah pertama telah berkali-kali membuahkan hasil yang memberangsangkan. Misalnya, Maxwell mendapati persamaan-persamaan kelekromagnetan pada masa beliau tidak saling tekal sesama sendiri. Lalu beliau memperkenalkan arus sesaran yang akhirnya membawa kepada teori gelombang keelektromagnetan. Planck pula memperkenalkan alam kuantum setelah mengkaji masalah yang dibawa oleh teori sinaran jasad hitam. Einstein pula mendapati ada masalah dengan teori keseimbangan atom dalam sinaran jasad hitam lalu beliau memperkenalkan pancaran sinaran terangsang yang kini digunakan dalam laser moden. Mungkin contoh yang lebih ulung ialah penemuan Einstein tentang hukum graviti. Penemuan itu datang dari sebuah keperluan untuk menilai semula Hukum Graviti Newton lalu menggantikannya dengan Teori Kenisbian Khas.
Sebaliknya, kaedah kedua secara amalannya tidak membuahkan banyak hasil. Kita mungkin berfikir bahawa graviti dan elektromagnet sepatutnya berkait secara langsung kerana ianya adalah dua medan berjarak jauh yang diketahui dalam fizik. Namun, Einstein sendiri pernah cuba untuk mengaitkan kedua-duanya tetapi gagal. Nampaknya menggabungkan dua teori yang tiada percanggahan jelas adalah sesuatu yang sukar. Andai kita mampu menjayakannya, ia tidak datang secara terus.
Kewajaran seseorang itu memilih untuk mengikuti kaedah sandaran ujikaji ataupun matematik sangat bergantung kepada tajuk kajian, tetapi tidak semestinya begitu. Ia juga bergantung kepada ahli tersebut. Hal ini digambarkan dengan penemuan mekanik kuantum.
Kisah ini melibatkan dua orang ahli bidang ini, iaitu Heisenberg dan Schrödinger. Kajian Heisenberg adalah berdasarkan ujikaji spektroskopi. Data-data hasil spektroskopi sangat banyak pada tahun 1925 tetapi kebanyakannya tidak berguna. Ada beberapa data yang berguna seperti keamatan kensibian garisan-garisan multikembar. Heisenberg bijak kerana mampu memilih maklumat mana yang diperlukan. Akhirnya, beliau memperkenalkan kaedah matriks.
Pendekatan Schrödinger agak berbeza. Kerja beliau bersandarkan matematik. Berbeza dengan Heisenberg yang maklum akan hasil-hasil spektroskopi, beliau tidak begitu maklum akan hasil-hasil ujikaji semasa. Namun begitu, beliau berfikiran bahawa frekuensi garis spektra sepatutnya bergantung kepada persamaan-persamaan nilai eigen seperti bergetarnya spring pada frekuensi getaran tertentu. Fikiran itu sudah lama ada dalam kepalanya tetapi persamaan yang sepatutnya hanya mampu diluahkan setelah sekian lama dalam cara yang tidak disangka.
Kesan Daripada Kenisbian
Bagi memahami keadaan kerja ahli-ahli fizik teori pada waktu itu, kita seharusnya mengiktiraf bahawa teori kenisbian sangat memainkan peranan. Teori Kenisbian membanjiri dunia pemikiran saintifik di penghujung peperangan yang panjang dan menyusahkan. Semua orang ingin menjauhkan diri daripada beban peperangan itu lalu dengan senang hatinya menerima fikiran dan falsafah yang baharu ini. Semangat sebegini besar tidak pernah dilihat dalam sejarah sains sebelum ini.
Di sebalik kegirangan pemikiran kenisbian ini, ahli fizik sedang memahami misteri kestabilan atom. Seperti ahli-ahli yang lain, Schrödinger tertarik dengan fikiran baharu ini. Maka, beliau cuba membina mekanik kuantum di dalam kerangka kenisbian. Segala perkara mesti ditakrifkan dalam bentuk vektor dan tensor dalam ruang-masa. Malangnya, ahli fizik belum cukup matang untuk menyatukan mekanik kuantum dan kenisbian pada waktu itu. Akibatnya, penemuan Schrödinger tertangguh.
Schrödinger pada waktu itu sedang menyambung kajian de Broglie tentang penyatuan gelombang dan zarah dengan cara yang sesuai dengan kenisbian. Kaedah de Broglie hanya terpakai untuk zarah bebas. Schrödinger pula sedang cuba mengitlakkannya terhadap elektron yang terikat dalam atom. Akhirnya, beliau berjaya melakukannya dalam kerangka kenisbian. Namun, ujikaji terhadap atom hidrogen menunjukkan hasil yang berbeza daripada ramalan beliau. Percanggahan ini timbul kerana beliau tidak mengambil kira putaran elektron dalam persamaannya. Pada waktu itu, perkara ini tidak diketahui. Selepas kejadian itu, beliau sedar bahawa teorinya boleh digunakan dalam penghampiran yang tidak bernisbi. Maka beliau menerbitkan olahan yang kurang sempurna ini secara paksarela setelah ditangguh selama beberapa bulan.
Pengajaran daripada kisah ini ialah kita tidak patut cuba mencapai banyak perkara sekaligus. Kita seharusnya mengasingkan satu masalah fizik daripada masalah yang lain sejauh mungkin. Kemudian, barulah kita boleh singkirkannya satu demi satu.
Heisenberg dan Schrödinger memberikan kita dua bentuk mekanik kuantum yang akhirnya didapati adalah benda yang sama. Gambaran mekanik kuantum mereka berdua adalah berbeza tetapi boleh dikaitkan dengan beberapa penjelmaan matematik.
Saya terlibat dalam mekanik kuantum pada fasa awal, iaitu dengan membina teori berdasarkan matematik yang sangat niskala. Saya menggunakan aljabar tidak kalis tukar tertib yang dicadangkan oleh kaedah matriks Heisenberg sebagai ciri utama bidang dinamik baharu ini. Lalu saya kaji bagaimana bidang dinamik klasik boleh disesuaikan dalam gambaran baharu ini. Ahli-ahli lain melihat tajuk ini daripada pelbagai sudut pandang dan kita semua mendapat hasil yang sama pada waktu yang hampir sama.
Bersambung….
Daftar Istilah
Aljabar Tidak Kalis Tukar Tertib = Non-commutative Algebra
Tidak Kalis Tukar Tertib = Non-commutative
Elektron Terpusat = Point Electrons
Kecapahan = Divergencies
Ketakvarianan bernisbi = Relativistic Invariance
Kesingularan = Singularity
Multikembar – Multiplet
Niskala = Abstract
Penormalan semula = Renormalization
Pemenggalan = Cut-off
Penukar Tertib = Commutators
Penjelmaan Matematik = Mathematical Transformation
Tekal = Consistent
Swa-tenaga = Self-Energy
Teori Kenisbian Khas = Theory of Special Relativity
