Gambar ini menunjukkan distribusi spasial muatan untuk paket gelombang yang dipercepat, mewakili sebuah elektron, sebagaimana dihitung dengan pendekatan tim ini. Warna paling cerah mewakili tingkat pengisian daya tertinggi. Percepatan diri sebuah partikel yang diprediksi oleh pekerjaan ini tidak dapat dibedakan dari percepatan yang akan dihasilkan oleh medan elektromagnetik konvensional.
Menggunakan variasi baru pada metode yang digunakan untuk membelokkan cahaya, tim fisikawan mengungkapkan bahwa partikel subatomik dapat diinduksi untuk mempercepat dirinya sendiri tanpa penerapan gaya eksternal apa pun.
Beberapa prinsip fisika telah dianggap tidak dapat diubah sejak zaman Isaac Newton: Cahaya selalu bergerak dalam garis lurus. Tidak ada benda fisik yang dapat mengubah kecepatannya kecuali ada gaya luar yang bekerja padanya.
Tidak secepat itu, kata seorang fisikawan generasi baru: Sementara hukum fisika yang mendasarinya tidak berubah, cara baru untuk “mengelabui” hukum tersebut untuk memungkinkan tindakan yang tampaknya mustahil mulai muncul. Misalnya, pekerjaan yang dimulai pada tahun 2007 membuktikan bahwa dalam kondisi khusus, cahaya dapat dibuat untuk bergerak di sepanjang lintasan melengkung — sebuah temuan yang sudah mulai menemukan beberapa aplikasi praktis.
Sekarang, dalam variasi baru pada metode yang digunakan untuk membelokkan cahaya, fisikawan di MIT adalah singkatan dari Massachusetts Institute of Technology. Ini adalah universitas riset swasta bergengsi di Cambridge, Massachusetts yang didirikan pada tahun 1861. Ini diatur dalam lima Sekolah: arsitektur dan perencanaan; rekayasa; humaniora, seni, dan ilmu sosial; pengelolaan; dan sains. Dampak MIT mencakup banyak terobosan ilmiah dan kemajuan teknologi. Tujuan mereka menyatakan adalah untuk membuat dunia yang lebih baik melalui pendidikan, penelitian, dan inovasi.
MIT dan Technion Israel telah menemukan bahwa partikel subatom dapat diinduksi untuk mempercepat semuanya dengan sendiri, hampir dengan kecepatan cahaya, tanpa penerapan gaya eksternal.Prinsip dasar yang sama juga dapat digunakan untuk memperpanjang umur beberapa isotop yang tidak stabil, mungkin membuka jalan baru penelitian dalam fisika partikel dasar.
Temuan tersebut, berdasarkan analisis teoretis, diterbitkan dalam jurnal Nature Physics oleh postdoc MIT Ido Kaminer dan empat rekannya di Technion.
Temuan baru ini didasarkan pada serangkaian solusi baru untuk serangkaian prinsip fisika kuantum dasar yang disebut persamaan Dirac; ini menggambarkan perilaku relativistik partikel fundamental, seperti elektron, dalam hal struktur gelombang. (Dalam mekanika kuantum, gelombang dan partikel dianggap sebagai dua aspek dari fenomena fisik yang sama). Dengan memanipulasi struktur gelombang, tim menemukan, seharusnya memungkinkan untuk menyebabkan elektron berperilaku dengan cara yang tidak biasa dan berlawanan dengan intuisi.
Perilaku tak terduga
Manipulasi gelombang ini dapat dilakukan dengan menggunakan topeng fase yang direkayasa secara khusus — serupa dengan yang digunakan untuk membuat hologram, tetapi dalam skala yang jauh lebih kecil. Setelah tercipta, partikel-partikel itu “berakselerasi sendiri”, kata para peneliti, dengan cara yang tidak dapat dibedakan dari perilakunya jika didorong oleh medan elektromagnetik.
“Elektron mendapatkan kecepatan, semakin cepat dan semakin cepat,” kata Kaminer. “Sepertinya tidak mungkin. Anda tidak mengharapkan fisika membiarkan ini terjadi.
Ternyata percepatan diri ini sebenarnya tidak melanggar hukum fisika apa pun — seperti kekekalan momentum — karena pada saat yang sama partikel mengalami percepatan, ia juga menyebar secara spasial ke arah yang berlawanan.
“Paket gelombang elektron tidak hanya berakselerasi, tetapi juga meluas,” kata Kaminer, “jadi ada bagian darinya yang mengkompensasi. Ini disebut sebagai ekor dari paket gelombang, dan akan mundur, sehingga momentum total akan dilestarikan. Ada bagian lain dari paket gelombang yang membayar harga untuk akselerasi bagian utama.”
Ternyata, menurut analisis lebih lanjut, self-acceleration ini menghasilkan efek yang berhubungan dengan teori relativitas: Ini adalah variasi pelebaran waktu dan kontraksi ruang, efek yang diprediksi oleh Albert Einstein akan terjadi ketika objek bergerak mendekati kecepatan cahaya. Contohnya adalah paradoks kembar Einstein yang terkenal, di mana kembar yang bergerak dengan kecepatan tinggi dalam roket menua lebih lambat daripada kembar lainnya yang tetap tinggal di Bumi.
Memperpanjang masa hidup
Dalam hal ini, pelebaran waktu dapat diterapkan pada partikel subatomik yang secara alami membusuk dan memiliki masa hidup yang sangat singkat — menyebabkan partikel ini bertahan lebih lama daripada biasanya.
Ini bisa mempermudah mempelajari partikel semacam itu dengan membuatnya bertahan lebih lama, saran Kaminer. “Mungkin Anda dapat mengukur efek dalam fisika partikel yang tidak dapat Anda lakukan sebaliknya,” katanya.
Selain itu, hal itu mungkin menyebabkan perbedaan perilaku partikel-partikel yang mungkin mengungkap aspek fisika baru yang tidak terduga. “Anda bisa mendapatkan sifat yang berbeda – tidak hanya untuk elektron, tetapi juga untuk partikel lain,” kata Kaminer.
Sekarang efek ini telah diprediksi berdasarkan perhitungan teoretis, Kaminer mengatakan fenomena tersebut harus dapat didemonstrasikan dalam percobaan laboratorium. Dia mulai bekerja dengan profesor fisika MIT Marin Soljačić pada desain percobaan tersebut.
Eksperimen akan menggunakan mikroskop elektron yang dilengkapi dengan topeng fase yang dirancang khusus yang akan menghasilkan resolusi 1.000 kali lebih tinggi daripada yang digunakan untuk holografi. “Ini adalah cara paling tepat yang diketahui saat ini untuk mempengaruhi bidang elektron,” kata Kaminer.
Meskipun ini adalah pekerjaan tahap awal sehingga sulit untuk memprediksi aplikasi praktis apa yang mungkin dimiliki akhirnya, Kaminer mengatakan cara percepatan elektron yang tidak biasa ini mungkin terbukti memiliki kegunaan praktis, seperti untuk pencitraan medis.
“Penelitian tentang sinar yang dapat mempercepat sendiri dan mempertahankan bentuk menjadi sangat aktif dalam beberapa tahun terakhir, dengan demonstrasi berbagai jenis sinar optik, plasmonik, dan elektron, dan mempelajari perambatannya di media yang berbeda,” kata Ady Arie, seorang profesor listrik engineering di Universitas Tel Aviv yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Penulis memperoleh solusi pelestarian bentuk untuk persamaan Dirac yang menggambarkan perambatan gelombang partikel relativistik, yang tidak diperhitungkan di sebagian besar karya sebelumnya.”
Arie menambahkan, “Mungkin hasil yang paling menarik adalah penggunaan partikel-partikel ini untuk mendemonstrasikan analog dari paradoks kembar relativitas khusus yang terkenal: Para penulis menunjukkan bahwa pelebaran waktu terjadi antara partikel yang berakselerasi sendiri yang merambat sepanjang lintasan melengkung dan ‘ partikel kembar yang tetap diam.”
Selain Kaminer, yang merupakan penulis utama makalah, tim peneliti termasuk Jonathan Nemirovsky, Michael Rechtsman, Rivka Bekenstein, dan Mordecai Segev, semua Technion. Pekerjaan tersebut didukung oleh Pusat Penelitian Keunggulan Israel, Yayasan Sains Binasional AS-Israel, dan hibah Marie Curie dari Komisi Eropa.
Publikasi : Ido Kaminer, et al., “Partikel Dirac yang mempercepat diri sendiri dan memperpanjang masa hidup fermion relativistik,” Seperti namanya, Fisika Alam adalah jurnal ilmiah peer-review yang mencakup fisika dan diterbitkan oleh Nature Research. Ini pertama kali diterbitkan pada Oktober 2005 dan liputan bulanannya mencakup artikel, surat, ulasan, sorotan penelitian, berita dan pandangan, komentar, ulasan buku, dan korespondensi.
Fisika Alam (2015); doi:10.1038/nphys3196
Gambar: Atas perkenan para peneliti
