Bintang Neutron dan Teori String di dalam Laboratorium

“Imagination is more important than knowledge. For knowledge is limited to all we now know and understand, while imagination embraces the entire world, and all there ever will be to know and understand.”

~ Albert Einstein~

Tired of the Endless Science Mysteries?

"No doubt you have noticed the ever-growing science mysteries: "Dark Matter", "Dark Energy", "Superstrings", "Hidden Dimensions", "Parallel Universes", "Quantum Paradoxes", "Relativistic Mysteries", "Time Travel", "Virtual Particles", multiple theories of gravity, frequent "anomalies" .. and the list goes on."
~The Final Theory~

-459 Fahrenheit

Hasil baru ini juga memberi wawasan eksperimental pada prediksi teori string, kontruksi matematis yang menyatukan dunia klasik gravitasi dengan fisika kuantum.

Dengan menggunakan laser yang mengandung beberapa atom ultra-dingin, sebuah tim ilmuwan mengukur viskositas (kekentalan) atau kerekatan dari gas yang sering dianggap sebagai keadaan keenam materi.

Pengukuran ini memverifikasi bahwa gas bisa digunakan sebagai “model skala” materi eksotis, seperti superkonduktor bersuhu super-tinggi, materi nuklir bintang neutron, dan bahkan keadaan mikrodetik materi yang tercipta setelah Big Bang.

Hasil ini juga memungkinkan pengujian eksperimental bagi teori string di masa depan.

Fisikawan Duke, John Thomas, melakukan pengukuran viskositas dengan menggunakan gas Fermi ultra-dingin dari atom lithium-6 yang terperangkap dalam mangkuk berukuran milimeter, yang tercipta dari sinar laser. Ketika didinginkan dan diletakkan di dalam medan magnet yang berukuran tepat, atom berinteraksi sama kuatnya dengan hukum mekanika kuantum. Gas yang berinteraksi sangat kuat ini menunjukkan “sifat yang luar biasa”, hampir seperti aliran fluida tanpa gesekan, kata Thomas.

Laporan tim ini muncul dalam Science edisi 10 Desember. Dalam kondisi ultra-dingin, sifat gas telah ditetapkan oleh pengatur universal, atau skala panjang alam, seperti skala pada gambar seorang arsitek. Pengatur untuk gas atom adalah jarak rata-rata di antara atom.

Menurut fisika kuantum, jarak ini menentukan semua skala alam lainnya, seperti skala untuk energi, temperatur dan viskositas, membuatkan gas ultra-dingin suatu model skala untuk hal eksotis lainnya. Thomas mengatakan bahwa ia dan yang lainnya telah memverifikasi gas sebagai model skala universal untuk sifat-sifat seperti temperatur, tapi ini adalah pertama kalinya mereka menguji skala untuk viskositas, yang kebetulan menjadi kepentingan tertentu bagi para ilmuwan saat ini.

Thomas pertama-tama mengukur viskositas gas pada beberapa milyar derajat Kelvin, atau -459 derajat Fahrenheit. Mematikan perangkap yang membatasi gas, dan kemudian menangkapnya kembali agar jari-jari gas Fermi bergetar. Osilasinya, yang disebut modus bernapas, menyerupai goyangan sepotong jelly.

Semakin lama getaran berlangsung, semakin rendah viskositasnya. Pada suhu yang sedikit lebih tinggi, sepersejuta derajat Kelvin, para peneliti mengamati seberapa cepat gas berubah dari bentuk cerutu hingga menjadi sepotong kue setelah dibebaskan dari perangkap. Perubahannya menjadi lebih lambat dalam bentuk yang tingkat kekentalan lebih tinggi.

Hasil ini “sangat penting khususnya untuk bidang fisika materi terkondensasi dan superkonduktivitas bertemperatur tinggi,” kata Kathy Levin, seorang ahli teori di Universitas Chicago, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Dia mengatakan bahwa viskositas gas Fermi mirip dengan konduktivitas suatu superfluida, yang mengalir dengan tanpa resisten. “Fluiditas sempurna” ini juga terobservasi dalam dunia materi terkondensasi, terutama pada material yang digunakan untuk membuat superkonduktor bertemperatur tinggi.

Data baru, terutama pada temperatur rendah, “tampaknya cukup konsisten” dengan prediksi tentang bagaimana superkonduktor seharusnya mengalir, kata Levin.

Gas Fermi yang digunakan sebagai model skala ini juga penting untuk mempelajari elemen alam semesta di mana para ilmuwan tidak dapat menyelidikinya di dalam laboratorium, kata fisikawan Duke, Berndt Mueller. Bahkan, potongan bintang neutron yang sangat kecil, bintang mati yang belum menjadi lubang hitam, akan seberat miliaran ton di Bumi dan terlalu padat untuk dipelajari.

Bagaimanapun juga, data yang menunjukkan sifat universal gas Fermi memungkinkan para fisikawan menghitung skalanya dari atom lithium-6 jarak demi jarak di antara neutron dalam bintang-bintang ini. Pengukuran yang dilakukan pada gas Fermi kemudian dapat digunakan untuk menentukan energi alam beserta sifat-sifat lainnya pada bintang-bintang ini, yang dapat dibandingkan dengan berbagai prediksi teori.

Perhitungan serupa bisa dilakukan pada plasma quark-gluon, keadaan materi yang tercipta hanya mikrodetik setelah Big Bang dan kini sedang dipelajari di akselerator partikel seperti Large Hadron Collider di Jenewa.

Thomas mengatakan bahwa hasil baru ini juga memberi wawasan eksperimental pada prediksi yang dibuat dengan menggunakan teori string, kontruksi matematis yang menyatukan dunia klasik gravitasi dengan fisika kuantum.

Teori string telah memberikan batas bawah bagi rasio viskositas atau aliran fluida ke entropi, atau disorder, dalam sebuah sistem yang berinteraksi kuat. Percobaan terbaru ini mengukur sifat-sifat pada gas Fermi dan menunjukkan bahwa gas minimum adalah di antara empat dan lima kali batas bawah teoretisi string.

“Pengukuran ini tidak menguji teori string secara langsung,” kata Thomas, mencatat beberapa peringatan – batas bawah diperoleh untuk sistem energi tinggi, di mana teori relativitas Einstein sangatlah penting, sedangkan eksperimen gas Fermi mempelajari gas rendah energi.

Jika teori string membuat perhitungan baru yang khusus untuk gas Fermi, maka para ilmuwan akan mampu membuat pengujian eksperimental yang tepat pada teori tersebut dengan peralatan yang tidak lebih besar dari sebuah desktop.

Sumber artikel: Fahrenheit -459: Neutron Stars and String Theory in a Lab
(dukenews.duke.edu)

Kredit: Duke University

Informasi lebih lanjut: C. Cao, E. Elliott, J. Joseph, H. Wu, J. Petricka, T. Schäfer, and J. E. Thomas. Universal Quantum Viscosity in a Unitary Fermi Gas. Science, 2010; DOI: 10.1126/science.1195219

Sumber: Fisika Net

1. http://superstringtheory.com/
2. http://www.theoryofeverything.net/