Sabtu, 23 Julai 2011

Romantis Malam Bertaburan Jirim Misteri Penghuni Samawi

Ketika kita di samping isteri yang tercinta, kita ralit menghitung bintang-bintang di malam hari, kononnya untuk menghidupkan suasana romantik tatkala berduaan tidak bimbang ditangkap JAIS. Semakin banyak yang dihitung bintang dan objek samawi di langit, semakin rakus kita menghitungnya. Sehinggalah membawa ke fajar yang mulai menyinsing tanda subuh mulai melabuh untuk langsung bersolat. Kita dengan bangganya bersorak gempita tanda selesai sudah penghitungan bilangan objek samawi dan bintang di langit. Namun kegembiraan kita itu dilenyapkan dengan kehadiran ahli fizik kosmologi yang berambut kusut, janggut misai tak terurus dan bajunya berkedut tak berseterika, kelihatan sewajarnya ahli fizik kosmologi yang menekuni dan mentelaah ilmu dan displinnya (fizik kosmologi) yang tiada masa untuk hal itu (hal ehwal pengurusan diri). Beliau bernada, "Apa yang tuan-puan kira atau hitung itu, adalah sekelumit apa yang ada dilangit". "Terdapat jirim atau entiti yang menghuni di alam semesta yang tak dihidu atau terkesan oleh kita, meskipun peralatan fizik canggih semasa", kata beliau lagi tanpa rasa bersalah sudahlah mengganggu suasana romantik pasangan suami isteri itu.

Apa yang diperkirakan oleh suami-isteri sememangnya meleset sama sekali, jika mempertimbangkan dengan objek atau entiti yang tak kelihatan lain. Yang dimaksudkan oleh ahli fizik kosmologi itu ialah, KOMPONEN TAK BERCAHAYA, JIRIM GELAP dan TENAGA GELAP, namun apa yang mungkin akan diperbincangakan dalam makalah atau entri ini adalah hanya sekitar jirim gelap sahaja.

PENGENALAN DAN TAKRIFAN

Takrifan jirim gelap secara literalnya diberikan kepada objek berjisim (jirim) yang tidak dapat dikesan (sama ada secara langsung atau tidak langsung) oleh deria manusiawi dan peranti fizik semasa, ia hanyalah hipotesis yang dicadangkan semata-mata supaya sesuatu fenomena astrofizik yang dicerap itu tekal dengan teori semasa yang sekian lama terbina, sudah tentu teori yang dimaksudkan itu ialah Teori Kenisbian Am (teori yang terpatuh bagi jasad besar samawi, seperti bintang, planet dan galaksi). Ianya dirujuk sebagai jirim yang berkesimpulan daripada kesan graviti ke atas sinaran, atau dikenali sebagai kesan pembekokan gravitasi sinaran (gravitational lensing)

Daripada pentakrifan tersebut, secara tidak langsung hipotesisnya itu ada kena mengena dengan displin ilmu fizik zarah dan fizik tenaga tinggi bagi melengkapkan Model Lazim atau dikenali dengan Model Piawai (diInggeriskan, Standard Model), iaitu ketika diusulkan Adirakan bagi zarah Model Piawai sewajarnya dikesan melalui pemecut zarah atau pelanggar zarah bertenaga tinggi. Namun tak kelihatan, maka ahli fizik zarah mengambil pendekatan bahawa 1)adisimetri adalah tercabul sama ada secara spontan (dari N=2,4,5,8 kepada N=1) atau 2)adizarahnya misteri yang tidak dapat dikesan dan memerlukan mekanisme fizik lain untuk mengesannya, atau dengan kata lain ianya adalah zarah adirakan (biasalah ahli fizik zarah memang begitu, kalau tak betul dengan teori mereka akan melakukan "penalaan halus" atau dicadangkan hipotesis lain, supaya teori semasa yang dianuti sekian lama tidak diragui atau terbatal)


Rajah 1: Komponen dan peratusannya

KOMPOSISI

Seperti yang dimaklumi oleh ahli fizik kosmologi itu, bahawa jirim yang dihitung itu adalah sekelumit adalah benar, iaitu sekitar 0.4%, diikuti dengan komponen tidak bercahaya (tetapi boleh dikesan secara kimia dan fizik) sebanyak 3.54%, jirim gelap pula lebih kurang 23% dan selebihnya adalah tenaga gelap (hampir 73%) yang mendiami alam semesta kita. Hal ini boleh dilihat dalam rajah berikutnya. Kita yang marhaen dan kerdil ini, dengan lenggok bahasa rendah diri bolehlah berkesimpulan bahawa lebih kurang 4.0% yang terkenampakan dan daripada itu jugalah yang ianya membina alam sarwajagat ini yang kamil lagi 'ajib.

BUKTI AWAL

Bukti awal jirim gelap ditemui pada era 1930an, oleh Fritz Zwicky yang menyedari bahawa pergerakan galaksi-galaksi atau dikenali sebagai Gugusan Galaksi Coma. Beliau mencerap peredaran galaksi-galaksi tersebut dan menghitung halaju peredarannya menggunakan pengukuran Anjakan Doppler


Rajah 2: Gugusan galaksi Coma

Baik, sebelum kita mendalami perbincangan ini, mari kita melihat fenomena yang dekat dengan kita, sistem solar. Planet Utarid adalah planet yang sangat dekat dengan matahari sewajarnya lebih magnitud laju peredarannya, manakala planet yang berjauhan pula kelihatan agak perlahan akan peredarannya untuk melengkap satu pusingan orbit, dan jika diajukan kepada remaja berusia 17tahun yang mengikuti aliran Sains Tulen beliau akan menjawab, "Wahh... Itu Hukum Graviti Newton"

Berikutan dari perenggan tersebut, ahli pencerap langit (merujuk kepada Fritz dan rakan-rakan penyelidiknya) cuba menghitung peredaran galaksi-galaksi tersebut dengan melihat perubahan kesan anjakan spektrum yang menganjak ke spektrum merah jika ia menjauhi dan biru sekiranya ia mendekati pencerap dan ia dikenali sebagai Kesan Doppler. Untuk lebih lanjut sila rujuk rajah dibawah,


Rajah 3: Anjakan spektrum kesan Doppler ke atas galaksi

Hal yang sewajar berlaku adalah semakin jauh galaksi tersebut dari pusat peredaran, maka semakin perlahan peredarannya untuk melengkap satu orbit, seperti hal yang yang diperbincangkan sebelum ini. Namun halnya adalah sebaliknya, iaitu laju peredarannya adalah malar terhadap jarak antara pusat peredaran. Nah, ini membingungkan pencerap-pencerap angkasa, masakan ini boleh berlaku. Tentu ada sesuatu yang meliputi ruang sekitar Gugusan Galaksi Coma tersebut, mereka namakan dengan Jirim Misteri (pada awal penamaan). Hal ini juga ketara ketika melihat peredaran objek-objek samawi dalam galaksi itu sendiri yang turut mengiyakan kepelikan yang terjadi pada gugusan galaksi itu. Jirim Misteri itu yang mengekang peredaran galaksi-galaksi tersebut dan bintang-bintang, dengan kata lain Jirim Misteri itu juga turut menyumbang kesan graviti ke atas objek-objek berjisim yang lain.


Rajah 4: Perbandingan di antara nilai jangkaan dengan hasil pencerapan

Rajah di atas adalah data yang diperolehi oleh Kent Ford dan Vera Cooper Rubin dari Institut Carnagie Washington, yang mana mereka meneliti pergerakan bintang-bintang dalam galaksi Andromeda (merupakan galaksi yang terdekat). Meskipun galaksi Andromeda kelihatan statik, walhal ia bergerak dengan kelajuan sekitar 200,000 m/s. Mereka menggunakan spektrometer bersama untuk mengukur anjakan frekuensi tersebut, dan ia memberikan nilai kelajuan bintang-bintang dalam galaksi tersebut yang memakan masa sehingga beberapa jam untuk mencerapnya. Mereka mengulangi pencerapan itu dengan ralat instrumen yang lebih kecil dan kejituan yang lebih tinggi, namun hasilnya tetap sama juga, iaitu kelajuanya hampir malar pada semua jarak

FENOMENA PEMBEKOKAN GRAVITI

Dalam Teori Kerelatifan Am (Teori Graviti Einstein) menyatakan bahawa jisim melengkung ruangmasa, hal ini turut memberi implikasi ke atas laluan cahaya, yang mana bagi mengekalkan kemalaran laju cahaya (2.9x10^8m/s). Jirim gelap juga tidak terkecuali, dengan kata lain ia juga memberikan bukti empirik yang mengesahkan kehadirannya melalui pembekokan cahaya.

Pembekokan cahaya itu boleh kita kiaskan dengan pembekokan cahaya apabila melalui kanta pembesar (kanta cembung) seperti dalam rajah berikut, yang mana taburan jirim tidak kelihatan (atau jirim gelap) itu menghalang cahaya bersumberkan daripada bintang itu dan membentuk seperti cincin tunang, semakin padu jisim jirim gelap itu, semakin tinggi aras pembekokan cahayanya itu yang juga menggambarkan nisbah keperatusan terhadap jirim kelihatan itu jauh ketara berbeza dengan komposisi yang telahpun dinyatakan sebelum ini. Gambaran kasar penerang tersebut boleh dilihat dalam rajah berikutnya.


Rajah 5: Kesan pembekokan graviti

Rajah seterusnya pula adalah imej cerapan angkasa, jika diamati dengan teliti atau "merenung dalam-dalam" rajah dibawah ini (Rajah 6), kelihatan seperti garisan melengkung atau membulat, setelah dianalisis itu adalah kesan daripada pembekokan graviti oleh jirim gelap ke atas cahaya-cahaya galaksi itu.


Rajah 6: Kesan pembekokan cahaya

Seterusnya dikenali sebagai Palang Einstein yang juga merupakan fenomena pembekokan graviti kesan daripadan kehadiran jirim gelap, begitu juga rajah seterusnya rajah Cincin Einstein. [Nota: Bilalah akan kedengarannya nama-nama umat Melayu dihujung setiap penemuan]


Rajah 7: Palang Einstein

Seperti yang diterangkan dalam rajah ini, imej kuasar itu terpapar membentuk palang (pada paksi melintang dan menegak), sekali hal ini juga boleh kita perhati fenomena persekitaran kita seperti melihat penyedut minuman (straw) kelihtan seperti bengkok ketika diletakkan dalam air atau melihat kedudukan ikan yang kelihatan seperti jauh daripada kita, padahal tidak, malahan kedudukannya sepatutnya kehadapan sedikit. Rajah 7 pula membengkokkan cahaya yang memperlihatkan objek samawi itu seakan-akan cincin.


Rajah 8: Cincin Einstein

Selanjutnya kita akan cuba mebincangkan hubungan jirim gelap dengan kejadian awal alam semesta dan apakah peranannya. "Ahhhh.... Lain kali sajalah pak cik, kami dah letih ni", sampuk si suami keletihan kerana mendengar kuliah kosmologi pula laksanan siri kuliah Profesor Leonard Susskinds dalam Youtube. Lagipula sudah masuk Dhuha tanda untuk bersolat Sunat Dhuha pula. Suami-isteri itu bingkas bangun dari bangku surau tatkala selesai solat Subuh berjemaah, akan kerana berjanji dengan si fizikawan itu untuk mendengar penerangan komposisi jirim di angkasa.

"Apakah akan ada siri kedua..." tanya si suami ala sindir, meskipun dalam hati berderau-derau berhela, "Janganlah ketemu lagi dengan dia ni...". Balas ahli fizik kosmologi itu bernada lembut lagi tersenyum, "Wallahu ta'ala a'lam"

Isnin, 4 Julai 2011

Keklasikan Sang Lohong Hitam Membawa Kepada Kuantum

Kita sering dicanangkan dengan fiksyen bahawa Lohong Hitam (atau Lubang Hitam) sebuah gerbang penghubung ke alam lain, itu mungkin boleh menjadi persoalan (yang boleh diperketengahkan), tetapi masih belum diketemui lagi bukti akan desas-desus itu sama ada melalui pencerapan astronomi atau teoritikal. Apapun kita nantikan hasilnya.

Baik, mengenai Lubang Hitam, seperti kebiasaannya kita sentiasa dimomokkan bahawa Lubang Hitam adalah satu lubang menyerap dan memusnahkan segala objek di langit yang berdekatannya.

Entri kali ini, sekadar cetusan idea sahaja yang tidak seberapa ini. Sebelum ini Profesor Hawking sendiri telah membuang hipotesis 'Lubang Hitam itu adalah Hitam' dan digantikan dengan teori terbarunya iaitu Sinaran Hawking, yang mendakwa bahawa Lubang Hitam itu sendiri mengeluarkan sinaran, tetapi dalam julat panjang gelombang yang sangat kecil iaitu sekitar julat spektrum sinaran-x.

MEKANIK KLASIK

Mari kita melihat rajah gambaran klasik mengenai lubang hitam seperti berikut;


Rajah 1: Sebelum (Klasik)

Katakan zarah itu bergerak dengan tenaga E' menghala ke arah lubang hitam yang sangat tinggi keupayaannya ke atas zarah tersebut. Keupayaan lubang hitam yang sangat tinggi itu disebabkan oleh ketumpatan jisim lubang hitam yang tersangat padu, ini disebabkan oleh tenaga keupayaan termodinamik bintang (pada awalnya) yang sudah kehabisan sumber tenaga pembakarannya dan tidak mampu menahan daya tarikan graviti yang secara semulajadinya bertindak ke atas jisim di alam semesta ini.

Oleh kerana daya gravitinya semakin meningkat, lama-kelamaan bintang mati itu (yang kehabisan sumber tenaga pembakarannya) akan bertambah susut isipadunya. Ini memberi implikasi ke atas kekuatan gravitinya yang berkadaran terhadap ketumpatan jasad. Jasad berisipadu yang sangat kecil itu dikenali sebagai Bintang Kerdil. Namun Profesor Chandarasekhar, meramalkan bahawa ketumpatan Bintang Kerdil sepatutnya boleh melampaui daripada had itu, jika dipertimbangkan Prinsip Pengecualian Pauli dalam teori ini dan susulan daripada itu, mereka meramalkan bahawa batasan susutan itu hanya terhad kepada pembentukan Bintang Neutron sahaja tidak boleh daripada itu.

Sedikit sebanyak telah diperbincangkan mengenai pembentukan Lubang Hitam. Seterusnya Rajah 2, menunjukkan ketika zarah itu mendekati lubang hitam langsung dan langsung termusnah dalam rantau lubang hitam berkeupayaan terpermanai (infiniti) itu. Paksi-y dalam rajah itu adalah pembolehubah tenaga manakala paksi-x berperanan sebagai kedudukan.


Rajah 2: Selepas (Klasik)

Fenomena itu boleh dikatakan sebagai fenomena klasik.

MEKANIK KUANTUM

Baik, bagaimana pula kalau dipertimbangkan teori kuantum, memandangkan Bintang Neutron adalah objek mikroskopik yang mematuhi teori kuantum. Rajah seterusnya, zarah bertenaga E' bergerak menuju ke lubang hitam, kita wakilkan zarah tersebut dengan fungsi gelombang, dalam hal ini kita katakan ia adalah fungsi Gaussian. Pada awalnya zarah itu bergerak tanpa keupayaan mengekangnya sehinggalah mendekati lubang hitam, pada rantau itu kita dapati fungsi gelombangnya adalah tertakrif.


Rajah 3: Sebelum (Kuantum)

Tapi pada rantau lubang hitam itu, fungsi gelombangnya tidak tertakrif dengan kata lain, tiada 'kemungkinan' zarah tersebut boleh didapati dalam region lubang hitam (hal ini boleh kita analogi dengan Kes Keupayaan Kotak 3D).


Rajah 4: Selepas (Kuantum)

Itu ramalan mekanik kuantum yang saya terfikir sahaja, boleh disangkal lagi.


LAMPIRAN
Persamaan Schrodinger pada rantau tertakrif itu adalah;
-h_bar^2/2m d^2/dx^2Ψ(x)=EΨ(x) ; V(x)=0

Tapi pada rantau lubang hitam, fungsi gelombangnya tidak tertakrif kerana V(x)-->∞, memberi implikasi tidak mungkin zarah boleh berada disitu.

Keupayaan gravitinya, GMm/r=V(x)-->∞ ; kerana r sangat kecil (mampat), r-->0