Mungkinkah Misteri "Monopole" Magnet Telah Terungkap

Mungkinkah Misteri "Monopole" Magnet Telah Terungkap
Agung Waluyo (George Washington University)

"... dalam batu ini kamu harus mengerti dengan hati-hati bahwa ada dua titik yang salah satunya dipanggil kutub utara, yang lainnya kutub selatan." - Petrus Peregrinus (1269 AD)

KETIDAKSEMPURNAAN simetri antara medan listrik dan medan magnet adalah suatu kejanggalan alam yang masih menjadi misteri sampai saat ini. Listrik dan magnet sebenarnya adalah sama. Jika sebuah kawat dialiri listrik, di sekeliling kawat itu akan tercipta medan magnet. Jika magnet bergerak di dekat sebuah kumparan kawat tertutup, akan tercipta aliran listrik pada kumparan kawat tersebut.

Medan listrik permanen ada karena adanya partikel yang bermuatan listrik, seperti elektron atau proton. Namun, medan magnet permanen selalu ada jika kutub utara dan selatan ada secara bersama-sama. Tidak peduli seberapa kecil kita memenggal batang magnet, yang kita dapatkan pada penggalan magnet yang lebih kecil adalah selalu pasangan dua kutub magnet, utara dan selatan. Kita tidak pernah menemukan satu kutub magnet terpisah, utara atau selatan. Kutub magnet yang terpisah inilah yang disebut monopole (mono=tunggal, pole=kutub) magnet.

Adalah Paul Dirac, seorang fisikawan kelahiran Bristol, Inggris, pada tahun 1902, yang pertama kali mengajukan konsep tentang adanya kutub tunggal magnet-sebuah partikel hipotesis yang memiliki kutub magnet terisolasi utara atau selatan-di tahun 1931.

Dirac yang memenangkan hadiah Nobel fisika pada tahun 1933 ini mengajukan hipotesis bahwa keberadaan partikel magnet ini akan menjelaskan mengapa muatan listrik selalu memiliki besar yang merupakan kelipatan muatan partikel elektron. Pada tahun 1931 inilah pencarian partikel elementer magnet dimulai.

Di dalam fisika klasik, fenomena medan listrik dan magnet berhasil dipadukan oleh fisikawan berkebangsaan Skotlandia yang bernama Max-Well. Ia memadukan kedua medan listrik dan magnet ke dalam empat persamaan terkenal yang disebut persamaan Max-Well.

Dua dari empat persamaan Max-Well ini berisi Hukum Faraday dan Ampere. Hukum Faraday menyatakan terciptanya medan listrik dari perubahan fluks magnet, sedangkan Hukum Ampere menjelaskan terciptanya medan magnet dari adanya aliran listrik.

Dua persamaan lainnya berisi Hukum Gauss untuk medan listrik dan medan magnet. Hukum Gauss untuk medan listrik merujuk kepada adanya muatan listrik tunggal, seperti elektron dan proton. Sementara itu, Hukum Gauss untuk medan listrik merujuk kepada tidak adanya muatan tunggal magnet.

Keanehan persamaan Max-Well adalah keempatnya melibatkan muatan dan aliran listrik, tetapi tidak melibatkan muatan dan aliran magnet. Kenyataan ini disebut ketidaksimetrisan persamaan Max-Well. Untuk membuat persamaan Max-Well simetris inilah, Dirac mengajukan hipotesis tentang keberadaan monopole magnet.

Kesimetrisan antara medan listrik dan magnet dikenal sebagai prinsip dualitas elektromagnetik. Jika prediksi Dirac benar, monopole magnet ini akan memiliki muatan magnet yang berbanding terbalik dengan muatan elektron, sebuah kondisi yang dikenal sebagai Kuantisasi Dirac.

Walaupun terlihat meyakinkan dan elegan secara teori, namun monopole magnet ini sangat sulit ditemukan. Pencarian yang melibatkan fisikawan dan fasilitas eksperimen di seluruh dunia ini belum juga membuahkan hasil seperti yang diprediksi.

Pencarian "monopole" magnet dengan teori partikel

Pencarian monopole Dirac dilakukan melalui fasilitas pemercepat partikel seperti fasilitas pemercepat partikel Fermi di Chicago. Pengamatan langsung dilakukan dengan cara menyelimuti daerah interaksi tumbukan proton dan antiproton dengan lembaran plastik. Secara tidak langsung, pengamatan juga dilakukan dengan membuang berkas proton ke dalam bahan ferromagnetik, yang kemudian diletakkan di dalam medan magnet yang sangat besar untuk "menarik" monopole keluar dari daerah interaksi tersebut.

Pencarian ini juga dilakukan dengan menggunakan sinar kosmis. Usaha ini dimotivasi oleh prediksi teori penggabungan agung atau GUT. Pada tahun 1974, secara terpisah, Gerald t?Hooft dari Belanda dan Alexander Polyakov dari Rusia menyatakan bahwa monopole magnet diperlukan sebagai penyelesaian persamaan matematika bagi GUT ini. GUT adalah teori fisika sedang diusahakan untuk menggabungkan antara gaya elektromagnetik, inti lemah, dan inti kuat.

Sayangnya, monopole magnet diprediksikan oleh GUT memiliki massa yang sangat berat. Dalam satuan energi, massa ini berskala 1016 giga elektronvolt, suatu skala energi yang tidak mungkin dicapai oleh laboratorium pemercepat partikel mana pun di dunia ini. GUT juga memprediksikan bahwa kepadatan monopole magnet ini sama besarnya dengan kepadatan atom di alam semesta. Kenyataan pengamatan lapangan menunjukkan sebaliknya bahwa tidak satu pun monopole magnet ditemukan. Dalam kosmologi, kontradiksi ini dikenal sebagai "masalah monopole".

Dalam teori kosmologi, medan magnet dalam solar sistem dan dalam galaksi kita akan mempercepat monopole magnet dari luar angkasa untuk tiba di bumi dengan kecepatan yang berkisar dari 0,0001 sampai 0,01 kali kecepatan cahaya. Menurut fisikawan partikel, kecepatan ini termasuk rendah.

Oleh karena itu, hal termudah untuk mendeteksi sesuatu yang berkecepatan rendah adalah dengan membangun detektor yang cukup besar dan mengamati adakah sesuatu yang melintasi detektor ini dengan waktu yang cukup lama. Salah satu fasilitas semacam ini bernama MACRO. Detektor ini memiliki daerah penerimaan seluas sepuluh ribu meter persegi pada kedalaman rata-rata 3,8 km di bawah daerah Pegunungan Gran Sasso, Italia.

Mencari "monopole" di ruang momentum

Karena kegagalan eksperimen untuk menemukan monopole magnet selama ini, seorang fisikawan Jepang yang bernama Yoshinori Tokura mengalihkan pencarian tersebut ke tempat yang tidak mendapatkan perhatian fisikawan selama ini. Tempat ini disebut ruang momentum.

Ruang momentum bukanlah ruang yang riil, melainkan ruang matematika. Setiap obyek akan menempati ruang dan memiliki kecepatan-jika sebuah obyek berhenti, itu berarti obyek tersebut memiliki kecepatan nol. Besaran yang berasal dari perkalian antara massa dan kecepatan obyek tadi disebut besaran momentum. Jika kita berlari dengan kecepatan tertentu, semakin cepat kita berlari, semakin sulit pula kita berhenti. Hal yang membuat kita sulit berhenti inilah yang disebut sebagai kuantitas gerak atau momentum.

Kecepatan dan posisi atau koordinat partikel bisa dijadikan label untuk menentukan perilaku partikel tadi. Ruang dengan label lokasi adalah ruang riil, sedangkan ruang dengan label momentum adalah ruang matematika. Banyak fenomena fisika lebih mudah dipelajari jika fenomena tersebut ditempatkan di dalam ruang momentum ini.

Tokura dan rekan-rekan kerjanya termotivasi oleh teori dalam fisika zat padat yang dikembangkan akhir-akhir ini. Teori ini menyarankan bahwa perilaku monopole magnet dalam ruang momentum berhubungan dekat dengan apa yang dikenal sebagai anomali pada efek Hall.

Tokura dan rekan-rekannya melakukan eksperimen dengan menempatkan kristal dengan kualitas yang tinggi yang terbuat dari stronsium, ruthenium, dan oksigen dalam medan magnet pada sumbu koordinat z, dan kemudian mengukur resistivitas transverse pada arah sumbu y sebagaimana aliran listrik mengalir pada arah sumbu x. Mereka menemukan bahwa resistivitas ini tidak berubah secara linier terhadap suhu sebagaimana diharapkan, tetapi berubah-ubah dan bahkan berubah tanda-negatif atau positif.

Tim ini juga mengukur konduktivitas optis transverse film tipis yang terbuat dari kristal yang sama dengan menggunakan teknik yang dikenal sebagai mikroskopi Kerr resolusi tinggi. Dalam pengukuran tadi, mereka menemukan kurva dengan puncak tajam pada energi yang rendah. Menurut Tokura dan timnya, kurva dengan puncak tajam tadi hanya bisa dijelaskan dengan keberadaan monopole magnet pada struktur pita kristal.

Tim dari tiga negara-Jepang, China, dan Swiss-ini percaya bahwa efek anomali itu adalah semacam "sidik jari" keberadaan monopole magnet. Mereka merencanakan untuk mempelajari yang menunjukkan bahkan efek anomali yang lebih besar lagi. Salah satu anggota tim, Kei Takahashi, yang berasal dari Universitas Genewa, mengatakan, "Elektromagnetik adalah titik awal semua area dalam fisika. Dari titik pandang ini, kami telah membuktikan bahwa kami bisa melakukan investigasi hampir semua cabang fisika, termasuk fisika partikel dan kosmologi, dalam eksperimen fisika zat padat."

Jika memang benar bahwa monopole magnet telah ditemukan dalam materi tertentu, penemuan ini akan memberikan dampak yang sangat besar kepada ilmu fisika. Sebab, banyak teori yang perlu direvisi akibat adanya muatan dan aliran listrik yang harus diperhitungkan dalam teori tertentu.

Dampak yang besar akan terjadi pada bidang elektronika karena para insinyur elektronik bisa menciptakan aliran listrik dengan menggunakan aliran magnet. Pembawa muatan tidak lagi harus muatan listrik, tetapi dengan muatan magnet.

Sumber : Kompas (21 April 2004)