Mengenal 4 Gaya Fundamental yang Menopang Alam Semesta

Gaya fundamental merupakan suatu mekanisme interaksi dasar antara satu partikel dengan partikel lainnya, yang mana interaksi tersebut tidak dapat dijelaskan lagi dengan interaksi dasar yang lain. Di alam semesta kita terdapat 4 gaya fundamental yaitu gaya nuklir kuat, gaya elektromagnetik, gaya nuklir lemah dan gaya gravitasi. Jika satu saja dari keempat gaya fundamental ini tidak ada maka alam semesta ini pun tidak akan ada. Penyebutan gaya fundamental ini seringkali disebut juga sebagai interaksi fundamental. Jadi kata 'gaya' dan 'interaksi' sering dipertukarkan.

Keempat interaksi dasar sering kali digambarkan menurut kekuatan relatifnya. Gravitasi dianggap sebagai interaksi yang paling lemah di alam semesta lalu diikuti oleh interaksi lemah, interaksi elektromagnetik hingga interaksi yang paling kuat yaitu interaksi nuklir kuat. Jika besarnya nilai dari gaya kuat bernilai 1, maka besarnya gaya elektromagnetik adalah sebesar 1/137, kemudian gaya lemah sebesar 10 pangkat minus 6 dan gravitasi sebesar 6 kali 10 pangkat minus 39.

Gaya gravitasi dan gaya elektromagnetik adalah dua interaksi yang telah dikenal jauh sebelum ditemukannya interaksi nuklir kuat dan interaksi nulir lemah. Hal ini dikarenakan pengaruh kedua interaksi (gaya) tersebut terhadap benda-benda normal mudah diamati oleh manusia. Interaksi kuat dan interaksi lemah baru ditemukan oleh ilmuwan pada abad ke-20 ketika para ilmuwan mulai menyelidiki dan meneliti tentang inti atom.

Gravitasi awalnya dijelaskan secara sistematis oleh Sir Isaac Newton pada abad ke-17 sebagai gaya atau kekuatan yang bekerja pada semua jenis benda yang memiliki massa. Gravitasi menyebabkan apel jatuh dari pohon dan menentukan orbit planet-planet di sekitar Matahari. Namun, hukum gravitasi Newton belum bisa menjelaskan bagaimana gravitasi bekerja. Ini baru bisa dijelaskan oleh Einstein dalam teori relativitas umum-nya. Dalam teori relativitas umum, gravitasi yang sebelumnya dianggap sebagai interaksi dari kejauhan antar benda pada jarak, digantikan dengan konsep kelengkungan ruang-waktu. Gravitasi adalah fenomena kelengkungan ruang-waktu.

Dalam tinjauan fisika partikel atau dalam beberapa teori kandidat gravitasi kuantum, misalnya teori string, gravitasi dipercaya dimediasi oleh partikel hipotesis pembawa gaya yang disebut graviton. Disebut sebagai partikel hipotesis karena keberadaan fisis dari graviton belum terbukti secara eksperimental. Gravitasi adalah interaksi dengan rentang jarak yang tak terhingga, besarnya gaya gravitasi  akan melemah dengan bertambahnya jarak namun tidak akan pernah menjadi nol.

Interaksi Elektromagnetik yang definisi ilmiahnya diberikan pertama kali oleh James Clerk Maxwell pada abad ke-19, bertanggung jawab atas gaya tolak-menolak dari muatan listrik yang sejenis dan gaya tarik-menarik dari muatan listrik yang berbeda jenis. Semakin besar muatan, semakin besar interaksinya.

Seperti namanya, gaya elektromagnetik pada dasarnya terdiri dari dua bagian, yaitu; gaya listrik dan gaya magnet. Lebih jelasnya gaya elektromagnetik dimanifestasikan oleh gaya antara muatan listrik (Hukum Coulomb) dan gaya magnet - keduanya dirangkum dalam hukum gaya Lorentz. Gaya elektromagnetik adalah gaya dengan jarak tak terhingga yang mengikuti hukum kuadrat terbalik dan memiliki bentuk yang sama dengan gravitasi.

Gaya elektromagnetik bekerja dengan dimediasi oleh boson gauge. Boson gauge adalah jenis partikel elementer yang akan merespon untuk mengkomunikasikan gaya tertentu. Dalam kasus gaya elektromagnetik, boson gauge yang dimaksud adalah partikel foton. Saat sebuah elektron masuk di daerah interaksi maka ia akan memancarkan sebuah foton, dan foton tersebut akan merambat ke elektron yang lain, kemudian mengkomunikasikan gaya elektromagnetik, lalu lenyap. Lewat pertukaran foton ini, maka foton memediasi sebuah gaya dan menyampaikan informasi dari satu tempat ke tempat yang lain.

Gaya lemah atau yang juga disebut interaksi inti lemah bertanggung jawab atas peluruhan partikel. Fisikawan menggambarkan interaksi ini melalui pertukaran partikel pembawa gaya yang disebut boson W dan Z (boson lemah/weak boson). Ketika partikel subatom seperti proton, neutron, dan elektron berada dalam jarak 10 pangkat minus 18 meter (setara 0,1% dari diameter proton) satu sama lain, maka partikel-partikel tersebut akan melakukan pertukaran boson jenis ini (boson W dan Z). Akibatnya, partikel subatomik membusuk (meluruh) menjadi partikel baru.

Gaya lemah sangat penting untuk reaksi fusi nuklir yang terjadi pada inti matahari yang kemudian menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk sebagian besar kehidupan di Bumi. Karena adanya gaya lemah maka arkeolog dapat menggunakan carbon-14 untuk menentukan usia artefak atau fosil. Carbon-14 memiliki enam proton dan delapan neutron; salah satu neutron itu meluruh menjadi proton untuk membuat nitrogen-14, yang memiliki tujuh proton dan tujuh neutron. Peluruhan ini terjadi pada tingkat yang dapat diprediksi sehingga memungkinkan para ilmuwan untuk menentukan berapa usia artefak tersebut.

Gaya kuat bekerja di antara quark; yaitu partikel elementer penyusun semua partikel subatom, termasuk proton dan neutron -- gaya kuat menyatukan quark yang membentuk proton dan neutron. Gaya kuat hanya bekerja jika partikel subatomik sangat dekat satu sama lain. Partikel subatomik yang dimaksud harus berada dalam jarak 10 pangkat minus 15 meter satu sama lain - kira-kira seperti panjang diameter proton.

Tidak seperti interaksi fundamental lainnya, besarnya gaya kuat akan menjadi lebih lemah saat partikel subatom bergerak semakin dekat. Jadi gaya kuat akan mencapai nilai maksimumnya pada rentang terjauh yang diizinkan (sepanjang diameter proton) dan akan melemah jika jarak tersebut diperpendek. Setelah berada dalam jangkauan, boson bermuatan tak bermassa yang disebut gluon mengirimkan atau saling menukarkan gaya kuat antar quark dan membuat quark-quark tersebut "dilem" bersama.

Sumber:

[1]. Fundamental Force. https://www.britannica.com/science/fundamental-interaction.

[2]. Fundamental Force. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Forces/funfor.html.