Paul Andrien Maurice Dirac
Lebih dari seratus tahun yang lalu,
tepatnya pada 8 Agustus 1902, lahirlah seorang anak yang diberi nama Paul
Andrien Maurice Dirac di Bristol Inggris. Siapa sangka di kemudian hari anak
yang bernama Paul Dirac ini akan menjadi fisikawan besar Inggris yang namanya
dapat disejajarkan dengan Newton, Thomson, dan Maxwell. Melalui teori
kuantumnya yang menjelaskan tentang elektron, Dirac menjelma menjadi fisikawan
ternama di dunia dan namanya kemudian diabadikan bagi persamaan relativistik
yang dikembangkannya yaitu persamaan Dirac. Tulisan ini dibuat untuk mengenang
kembali perjalanan kariernya yang cemerlang dalam bidang fisika teori.
Dirac
kecil tumbuh dan besar di Bristol. Ayahnya yang berasal dari Swiss bernama
Charles lahir di kota Monthey dekat Geneva pada tahun 1866 dan kemudian pindah
ke Bristol Inggris, untuk menjadi guru bahasa Prancis di Akademi Teknik
Merchant Venturers. Ibunya bernama Florence Holten, wanita yang lahir di
Liskeard pada tahun 1878 dan menjadi pustakawan di kota Bristol. Ayah dan Ibu
Dirac menikah di Bristol pada tahun 1899 dan memiliki tiga orang, anak dua
laki-laki (dimana Paul adalah yang lebih muda) dan seorang perempuan. Setelah
menyelesaikan pendidikan SMA dan sekolah teknik, Paul Dirac melanjutkan studi
di Jurusan teknik elektro Universitas Bristol pada tahun 1918 untuk belajar
menjadi insinyur teknik elektro. Pilihannya ini diambil berdasarkan anjuran
ayahnya yang menginginkan Paul mendapatkan pekerjaan yang baik.
Dirac
menyelesaikan kuliahnya dengan baik, tetapi dia tidak mendapatkan pekerjaan
yang cocok paska berkecamuknya perang dunia pada saat itu. Keinginannya adalah
pergi ke Universitas Cambridge untuk meperdalam matematika dan fisika. Dia
diterima di akademi St John Cambridge pada tahun 1921, tetapi hanya ditawarkan beasiswa
yang tidak memadai untuk menyelesaikan kuliahnya. Untungnya dia sanggup
mengambil kuliah matematika terapan di Universitas Bristol selama dua tahun
tanpa harus membayar uang kuliah dan tetap dapat tinggal di rumah. Setelah itu
pada tahun 1923 dia berhasil mendapatkan beasiswa penuh di akademi St John dan
dana penelitian dari Departemen perindustrian dan sains, tetapi dana inipun
belum bisa menutupi jumlah biaya yang diperlukan untuk kuliah di Cambridge.
Pada akhirnya Paul Dirac berhasil mewujudkan keinginannya kuliah di Akademi St
John karena adanya permintaan dari pihak universitas. Di Cambridge Paul Dirac
mengerjakan semua pekerjaan sepanjang hidupnya sejak kuliah paska sarjananya
pada tahun 1923 sampai pensiun sebagai profesor (lucasian professor) pada tahun
1969. Dirac membuktikan bahwa dirinya pantas mendapatkan beasiswa yang
diberikan pihak universitas untuk kuliah di Cambridge.
Pada tanggal 20 oktober 1984 Paul Dirac meninggal dunia pada
usia 82 tahun, sebagai peraih hadiah nobel fisika tahun 1933 dan anggota
British order of merit tahun 1973. Paul Dirac merupakan fisikawan teoretis
Inggris terbesar di abad ke-20. Pada tahun 1995 perayaan besar diselenggarakan
di London untuk mengenang hasil karyanya dalam fisika. Sebuah monumen dibuat di
Westminster Abbey untuk mengabadikan namanya dan hasil karyanya, di mana di
sini dia bergabung bersama sejumlah monumen yang sama yang dibuat untuk Newton,
Maxwell, Thomson, Green, dan fisikawan-fisikawan besar lainnya. Pada monumen
itu disertakan pula Persamaan Dirac dalam bentuk relativistik yang kompak.
Sebenarnya persamaan ini bukanlah persamaan yang digunakan Dirac pada saat itu,
tetapi kemudian persamaan ini digunakan oleh mahasiswanya.
Penemuan yang monumental
Dirac
mengukuhkan teori mekanika kuantum dalam bentuk yang paling umum dan
mengembangkan persamaan relativistik untuk elektron, yang sekarang dinamakan
menggunakan nama beliau yaitu persamaan Dirac. Persamaan ini juga mengharuskan
adanya keberadaan dari pasangan antipartikel untuk setiap partikel misalnya
positron sebagai antipartikel dari elektron. Dia adalah orang pertama yang
mengembangkan teori medan kuantum yang menjadi landasan bagi pengembangan
seluruh teori tentang partikel subatom atau partikel elementer. Pekerjaan ini
memberikan dasar bagi pemahaman kita tentang gaya-gaya alamiah. Dia mengajukan
dan menyelidiki konsep kutub magnet tunggal (magnetic monopole), sebuah objek
yang masih belum dapat dibuktikan keberadaannya, sebagai cara untuk memasukkan
simetri yang lebih besar ke dalam persamaan medan elektromagnetik Maxwell. Paul
Dirac melakukan kuantisasi medan gravitasi dan membangun teori medan kuantum
umum dengan konstrain dinamis, yang memberikan landasan bagi terbentuknya Teori
Gauge dan Teori Superstring, sebagai kandidat Theory Of Everything, yang
berkembang sekarang. Teori-teorinya masih berpengaruh dan penting dalam
perkembangan fisika hingga saat ini, dan persamaan dan konsep yang
dikemukakannya menjadi bahan diskusi di kuliah-kuliah fisika teori di seluruh
dunia.
Dirac bersama Heisenberg, dua orang
ysng berjasa dalam pengembangan fisika kuantum
Langkah awal menuju teori kuantum
baru dimulai oleh Dirac pada akhir September 1925. Saat itu, R H Fowler
pembimbing risetnya menerima salinan makalah dari Werner Heisenberg berisi
penjelasan dan pembuktian teori kuantum lama Bohr dan Sommerfeld, yang masih
mengacu pada prinsip korespondensi Bohr tetapi berubah persamaannya sehingga
teori ini mencakup secara langsung kuantitas observabel. Fowler mengirimkan
makalah Heisenberg kepada Dirac yang sedang berlibur di Bristol dan menyuruhnya
untuk mempelajari makalah itu secara teliti. Perhatian Dirac langsung tertuju
pada hubungan matematis yang aneh, pada saat itu, yang dikemukakan oleh
Heisenberg. Beberapa pekan kemudian setelah kembali ke Cambridge, Dirac
tersadar bahwa bentuk matematika tersebut mempunyai bentuk yang sama dengan
kurung poisson (Poisson bracket) yang terdapat dalam fisika klasik dalam
pembahasan tentang dinamika klasik dari gerak partikel. Didasarkan pada
pemikiran ini dengan cepat dia merumuskan ulang teori kuantum yang didasarkan
pada variabel dinamis non-komut (non-comuting dinamical variables). Cara ini
membawanya kepada formulasi mekanika kuantum yang lebih umum dibandingkan
dengan yang telah dirumuskan oleh fisikawan yang lain.
Pekerjaan
ini merupakan pencapaian terbaik yang dilakukan oleh Dirac yang menempatkannya
lebih tinggi dari fisikawan lain yang pada saat itu sama-sama mengembangkan
teori kuantum. Sebagai fisikawan muda yang baru berusia 25 tahun, dia cepat
diterima oleh komunitas fisikawan teoretis pada masa itu. Dia diundang untuk
berbicara di konferensi-konferensi yang diselenggarakan oleh komunitas fisika
teori, termasuk kongres Solvay pada tahun 1927 dan tergabung sebagai anggota
dengan hak-hak yang sama dengan anggota yang lain yang terdiri dari para pakar
fisika ternama dari seluruh dunia.
Formulasi
umum tentang teori kuantum yang dikembangkan oleh Dirac memungkinkannya untuk
melangkah lebih jauh. Dengan formulasi ini, dia mampu mengembangkan teori
transformasi yang dapat menghubungkan berbagai formulasi-formulasi yang berbeda
dari teori kuantum. Teori tranformasi menunjukkan bahwa semua formulasi
tersebut pada dasarnya memiliki konsekuensi fisis yang sama, baik dalam
persamaan mekanika gelombang Schrodinger maupun mekanika matriksnya Heisenberg.
Ini merupakan pencapaian yang gemilang yang membawa pada pemahaman dan kegunaan
yang lebih luas dari mekanika kuantum. Teori transformasi ini merupakan puncak
dari pengembangan mekanika kuantum oleh Dirac karena teori ini menyatukan
berbagai versi dari mekanika kuantum, yang juga memberikan jalan bagi
pengembangan mekanika kuantum selanjutnya. Di kemudian hari rumusan teori
transformasi ini menjadi miliknya sebagaimana tidak ada versi mekanika kuantum
yang tidak menyertainya. Bersama dengan teori transformasi, mekanika kuantum
versi Dirac disajikan dalam bentuk yang sederhana dan indah, dengan struktur
yang menunjukkan kepraktisan dan konsep yang elegan, namun berkaitan erat
dengan teori klasik. konsep ini menunjukkan kepada kita aspek baru dari alam
semesta yang belum pernah terbayangkan sebelumnya.
Karier
cemerlang Dirac sesungguhnya telah tampak ketika dia masih berada di tingkat
sarjana. Pada saat itu Dirac telah menyadari pentingnya teori relativitas
khusus dalam fisika, suatu teori yang menjadikan Einstein terkenal pada tahun
1905, yang dipelajari Dirac dari kuliah yang dibawakan oleh C D Broad, seorang
profesor filsafat di Universitas Bristol. Sebagian besar makalah yang dibuat
Dirac sebagai mahasiswa paska sarjana ditujukan untuk menyajikan bentuk baru
dari rumusan yang sudah ada dalam literatur menjadi rumusan yang sesuai
(kompatibel) dengan relativitas khusus. Pada tahun 1927 Dirac berhasil
mengembangkan teori elektron yang memenuhi kondisi yang disyaratkan oleh teori
relativitas khusus dan mempublikasikan persamaan relativistik yang invarian
untuk elektron pada awal tahun 1928.
Persamaan Dirac
Sebagian fisikawan lain sebenarnya
memiliki pemikiran yang sama dengan apa yang dilakukan oleh Dirac, meskipun
demikian belum ada yang mampu menemukan persamaan yang memenuhi seperti apa
yang telah dicapai oleh Dirac. Dia memiliki argumen yang sederhana dan elegan
yang didasarkan pada tujuan bahwa teori tranformasinya dapat berlaku juga dalam
mekanika kuantum relativistik – sebuah argumen yang menspesifikasikan bentuk
umum dari yang harus dimiliki oleh persamaan relativistik ini, sebuah argumen
yang menjadi bagian yang belum terpecahkan bagi semua fisikawan. Teori
tranformasinya harus memuat persamaan yang tidak hanya berupa turunan waktu,
sementara asumsi relativitas mensyaratkan bahwa persamaannya harus juga dapat
linier di dalam turunan ruang. Persamaan Dirac merupakan salah satu persamaan
fisika yang paling indah. Profesor Sir Nevill Mott, mantan Direktur
Laboratorium Cavendish, baru-baru ini menulis,”persamaan ini bagi saya adalah
bagian fisika teori yang paling indah dan menantang yang pernah saya lihat
sepanjang hidup saya, yang hanya bisa dibandingkan dengan kesimpulan Maxwell
bahwa arus perpindahan dan juga medan elektromagnetik harus ada. Selain itu,
persamaan Dirac untuk elektron membawa implikasi penting bahwa elektron harus
mempunyai spin ½, dan momen magnetik eh/4pm menjadi benar dengan ketelitian
mencapai 0,1%.
Persamaan
Dirac dan teori elektronnya masih tetap relevan digunakan sampai sekarang.
Perkiraan yang dibuatnya telah dibuktikan dalam sistem atom dan molekul. Telah
ditunjukkan juga bahwa hal ini berlaku untuk partikel lain yang memiliki spin
yang sama dengan elektron seperti proton, hyperon dan partikel keluarga baryon
lainnya. konsep ini dapat diterapkan secara universal dan diketahui dengan baik
oleh para fisikawan dan kimiawan, sesuatu yang tidak seorangpun dapat
membantahnya. Melihat kenyataan ini, Dirac merasa sudah waktunya untuk
menyatakan, ”teori umum mekanika kuantum sudah lengkap sekarang …… hukum-hukum
fisika yang yang mendasari diperlukannya teori matematika dari bagian besar
fisika dan keseluruhan bagian dari kimia telah diketahui secara lengkap.”
Indahnya Fisika
Dirac
menunjukkan kemudian bahwa persamaannya ini mengandung implikasi yang tidak
diharapkan bagi suatu partikel. Persamaannya memperkirakan adanya antipartikel,
seperti positron dan antiproton yang bermuatan negatif, yaitu suatu objek yang
saat ini sudah sangat dikenal di laboratorium fisika energi tinggi. Menurut
teorinya, semua partikel memiliki antipartikel tertentu yang terkait dengannya.
sebagian besar dari antipartikel ini sekarang telah dibuktikan keberadaannya.
Positron dan antiproton adalah sebagian kecil dari antipartikel yang sudah
sangat dikenal, keduanya dapat berada dalam kondisi stabil di ruang hampa, dan
saat ini digunakan secara luas dalam akselerator penumbuk partikel (collider
accelerator) yang dengannya fisikawan mempelajari fenomena yang terjadi dalam
fisika energi tinggi.
Dirac dan Persamaan Relativistiknya
Penting diungkapkan di sini
keindahan dari persamaan Dirac. Keindahan ini bisa jadi sulit dirasakan oleh
orang yang tidak terbiasa dengan rumus-rumus fisika, tetapi kenyataan ini tidak
akan dibantah oleh para fisikawan. Persamaan Dirac adalah salah satu penemuan
besar dalam sejarah fisika. Melalui pekerjaannya ini, Dirac memberikan
prinsip-prinsip dasar yang memuaskan dalam usaha untuk memahami alam semesta
kita. Melalui penemuannya ini nama Dirac akan dikenang selamanya sebagai salah
satu fisikawan besar. Suatu monumen telah dibangun untuknya atas jasanya
membimbing kita kepada pemahaman tentang salah satu aspek penting gaya dasar
yang terkandung di alam semesta yang kita diami ini.
Persamaan Dirac dalam bentuk lain
Nama Dirac akan dimasukkan dalam
catatan sejarah fisika atas kontribusi yang diberikannya kepada dunia sains
khususnya fisika berupa dasar-dasar mekanika kuantum dan teori transformasi.
Penemuannya menempatkan Dirac di jajaran papan atas fisikawan teori sepanjang
masa – seorang jenius yang hebat dalam sejarah fisika.
0 komentar:
Posting Komentar