Oleh: Mohd Faudzi Umar
Pensyarah Fizik
Universiti Pendidikan Sultan Idris
Tidak lama lagi, tahun 2020 akan melabuhkan tirainya, meninggalkan kita dengan pandemik COVID-19 yang memberi kesan bukan sahaja kepada suasana politik global dan dalam negara, namun turut terkesan sektor ekonomi global dan tempatan. Pandemik ini sememangnya menguji kesihatan global, justeru merancakkan kajian perubatan dan virologi daripada pelbagai institusi penyelidikan kesihatan, yang mana Institut Penyelidikan Perubatan, Malaysia (IMR) juga turut bersama-sama dalam usaha menangani COVID-19 ini.
Tidak ketinggalan juga penyelidikan bidang fizik khasnya, hal ini boleh dilihat dengan penganugerahan Hadiah Nobel Fizik 2020 yang dirangkul oleh Roger Penrose iaitu “bagi penemuan pembentukan lohong hitam adalah merupakan satu ramalan mantap oleh teori kenisbian am“, manakala Reinhard Genzel dan Andrea Ghez pula berkongsi hadiah iaitu “bagi penemuan objek mampat supermasif berada di pusat galaksi kita“[1]. Walaubagaimanapun artikel ini ditulis bagi menyelusuri penemuan besar fizik pada tahun 2020; dari sekecil zarah sehinggalah ke sebesar alam semesta.
Kuark kebiasaannya terbentuk daripada dua atau tiga jenis kuark, dikenali sebagai hadron. Walaubagaimanapun, saintis meramalkan kewujudan hadron eksotik terdiri daripada empat iaitu tetrakuark atau lima kuark iaitu pentakuark. Pada Julai yang lalu, ahli fizik zarah daripada kumpulan LHCb di CERN telah menemui kewujudan zarah tetraquark yang pertama yang mana terdiri daripada dua kuark jenis charm dan dua antikuark jenis charm ( ) diterbitkan dalam Science Bulletin [2]. Penemuan tersebut dapat membantu kefahaman ahli fizik tentang daya kuat yang mengikat kuark dalam proton, neutron dan nuklei yang lain. Penemuan ini seolah-olah memberi isyarat tentang fizik baharu yang tak terjangka ke atas daya kuat tersebut. Zarah tetrakuark tersebut dikenali dengan X(6900) iaitu merujuk kepada jisimnya 6900MeV/c2 dan X pula merujuk kepada empat kuark iaitu dua kuark dan dua antikuark.
Kita sedia maklum, dalam mekanik kuantum bahawa peranan pencerap mempengaruhi sistem kuantum, di mana tindakan pengukuran boleh menurunkan sistem kuantum kepada keadaan klasik. Idea tentang superposisi termusnah dengan tindakan pengukuran telah diusulkan oleh John von Neumann dan ahli fizik yang lain, sekitar 1930an. Walaubagaimanapun, prinsip ini belum jelas dan terdapat kekeliruan iaitu sama ada sistem kuantum tersebut runtuh serta-merta ketika pengukuran berlangsung atau sebaliknya. Persoalannya, berapa lamakah proses pengukuran tersebut diambil dan lagi, bagaimanakah pula keadaan pertengahannya? Oleh itu, penemuan terbaru dikendalikan oleh Markus Hennrich dari Universiti Stockholm, Sweden dan rakan penyelidik lain [3] menunjukkan bahawa pengukuran tidak langsung memusnahkan semua maklumat kuantum dan prosesnya bukan serta-merta, bahkan peralihan daripada keadaan superposisi kuantum kepada klasik berlaku secara perlahan-lahan.
Secara teknikalnya, mereka menggunakan laser lalu menjadikan ion strontium dalam keadaan superposisi bagi membentuk dua keadaan terhadap elektron luaran ion tersebut yang mempunyai aras tenaga berbeza. Denyutan singkat daripada laser mengujakan ion kepada keadaan yang banyak menyebabkan ia berpendarfluor, dikenali dengan proses Luder. Ringkasnya, pengukuran ke atas ion bertahan selama 10-6 saat (keruntuhan superposisi secara perlahan-lahan) dan penemuan ini penting bagi lanjutan tentang teori kuantum, menjadi asas kepada komputer kuantum.
Bintang memperolehi tenaga nuklearnya melalui proses pelakuran dengan menukarkan hidrogen kepada helium, di mana 99% proses tersebut berlaku dalam bintang. Walaubagaimanapun, terdapat juga kitaran karbon-nitrogen-oksigen (kitaran CNO) berlaku dalam matahari, di mana dikesan buat pertama kalinya melalui neutrino terhasil daripadanya. Kitaran CNO sangat penting bagi bintang yang lebih berat daripada matahari di mana kitaran tersebut merupakan proses pelakuran yang utama. Pencerapan ini dilakukan dengan alat pengesanan Borexino dari Itali dan dilaporkan dalam jurnal Nature [4], secara tidak langsung penemuan ini menjawab persoalan kelimpahan karbon, nitrogen dan oksigen dalam bintang. Borexino mengesan sekitar 700 juta neutrino per sentimeter per saat terhasil daripada matahari ke Bumi melalui kitaran CNO tersebut.
Gelombang bunyi merambat menerusi medium bahan, terhasil daripada getaran dalam atom atau molekul. Kelajuan gelombang bunyi bergantung kepada sifat kekakuan sesuatu bahan, iaitu disukat dengan modulus kekenyalan. Sifat kekakuan pula bergantung kepada jenis ikatan kimia bahan, dan jisim atom tersebut. Sebagai contoh, kelajuan bunyi merambat dalam air adalah 1480m/s, dan kelajuan bunyi paling tinggi pernah direkodkan adalah menerusi berlian sekitar 12000 m/s. Oleh itu, persoalannya adalah, berapakah kelajuan bunyi paling tinggi yang boleh dicapai? Ahli fizik menggunakan kuantiti yang lebih asas dalam membuktikan had laju bunyi dalam pepejal dan cecair yang boleh dicapai, iaitu dua kuantiti tak berdimensi; pemalar struktur halus dan nisbah jisim proton-elektron, jika dibandingkan kuantiti fizik modulus kekenyalan. Dalam kajian terkini, Kostya Trachenko dari Universiti Queen Mary, dan rakan penyelidik lain [5] meformulasikan teori berasaskan dua kuantiti tersebut mendapati bahawa had kelajuan bunyi dalam pepejal dan cecair boleh dicapai adalah 36000 m/s. Gelombang bunyi berinteraksi dengan kejiranan elektron atom, di mana pemalar struktur halus memainkan peranan, manakala nisbah jisim proton-elektron penting, sebab berkaitan di mana elektron yang berinteraksi dengan nuklei atom. Kajian ini merupakan kesinambungan daripada hasil dapatan sebelum ini, iaitu menerbitkan pemalar baharu bagi menentukan had kelajuan bendalir menggunakan dua kuantiti tersebut [6]. Kajian ini penting menunjukkan betapa pemalar asas mempengaruhi sifat fizikalnya.
Penemuan terkini yang mengemparkan bagi teknologi masa depan, yang boleh mamacu bidang elektronik dan pengangkutan, ialah superkonduktor suhu tinggi. Penemuan ini telah ditemui oleh Ranga Dias dan rakan penyelidik daripada Universiti Rochester dan Nevada Las Vegas Amerika Syarikat [7]. Mereka memperolehi fizik kesuperkonduktan pada suhu tinggi, iaitu lebih 15oC dalam bahan kaya hidrogen dibawah tekanan yang sangat tinggi. Superkonduktor membawa arus elektrik tanpa kerintangan dan memberikan kegunaan yang pelbagai daripada pengimbas MRI, keretapi maglev sehinggalah ke pemecut zarah. Kita sedia maklum, bahawa untuk mencapai kesuperkonduktan memerlukan suhu yang sangat rendah, dan kosnya agak mahal, dengan menggunakan helium. Dias dan rakan penyelidikan menghasilkan hidrida sulfur berkarbon, dengan mengenakan tekanan yang sangat tinggi iaitu 2.6 juta atm (unit tekanan atmosfera) untuk mencapai superkonduktan bersuhu bilik tersebut.
Daftar Istilah:
Kekakuan = stiffness
Quantum state = keadaan kuantum
Elasticity = kekenyalan
Fine structure constant = pemalar struktur halus
Rujukan
[1] Penemuan dalam Kosmologi dan Lohong Hitam Merangkul Hadiah Nobel Fizik 2020. FizikKini: https://fizikkini.com/penemuan-dalam-kosmologi-dan-lohong-hitam-merangkul-hadiah-nobel-fizik-2020/[2] LHCb. (2020) Observation of structure in the J/ψ-pair mass spectrum. Science Bulletin 65 (23): 1983-1993. https://arxiv.org/pdf/2006.16957.pdf[3] Fabian Pokorny, Chi Zhang, Gerard Higgins, Adán Cabello, Matthias Kleinmann, Markus Hennrich (2020) Tracking the dynamics of an ideal quantum measurement. Phys. Rev. Lett. 124, 080401. https://arxiv.org/abs/1903.10398[4] Borexino (2020) Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun. Nature 587: 577–582[5] K. Trachenko, B. Monserrat, C. J. Pickard dan V. V. Brazhkin (2020). Speed of sound from fundamental physical constants. Science Advances 6(41).https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662
[6] Saintis Menemui Pemalar Asas Fizik Baharu bagi Menentukan Had Kelajuan Bendalir. FizikKini: https://fizikkini.com/saintis-menemui-pemalar-asas-fizik-baharu-bagi-menentukan-had-kelajuan-bendalir/[7] E. Snider et al. (2020) Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature.
