Pada Waktu Jirim Itu Berkelakuan Aneh

Oleh Ammar Azman
Mahasiswa Fizik Universiti Malaya

Percayakah anda kalau saya katakan yang dalam dunia ada lebih daripada 3 keadaan jirim, selain daripada pepejal, cecair dan gas?

Ya, saya tahu anda ragu-ragu, tapi tidak bagi dunia Fizik.

Sebelum meneruskan perbincangan ini, ingin saya bawakan kembali kepada Hukum Termodinamik yang telah kita pelajari semasa di sekolah menengah dahulu.

Apa itu termodinamik?

Termodinamik ialah satu cabang disiplin Fizik yang berkaitan dengan pergerakan tenaga (haba). Hukum Termodinamik terbahagi kepada empat.

Hukum Termodinamik Sifar

Hukum Termodinamik Sifar mengatakan, jika objek A mempunyai suhu sama dengan objek B, dan objek B mempunyai suhu sama dengan objek C, maka suhu objek A akan sama dengan objek C, sekaligus menunjukkan keseimbangan terma diantara dua objek.

Walaupun ia kelihatan heuristik, tetapi hukum ini telahpun diaplikasikan pada termometer, di mana apabila merkuri dalam termometer akan berhenti mengembang pada waktu keseimbangan terma berlaku antara thermometer dan air, ini bermaksud tiada lagi perpindahan haba berlaku di antara dua objek.

Suhu A = Suhu B

Suhu B = Suhu C

Maka,

suhu A = suhu C.

Hukum Termodinamik Pertama

Hukum ini menerangkan konsep keabadian tenaga (haba) dimana haba yang telah diterima adalah sama dengan haba yang dilepaskan.

Ʃ haba diterima = Ʃ haba dilepaskan

(simbol sigma,Ʃ bermaksud jumlah)

Hukum Termodinamik Kedua

Hukum Termodinamik Kedua pula mengatakan entropi alam semesta akan sentiasa meningkat.

Tetapi, apa itu entropi?

Entropi bermaksud darjah kebebasan (degree of freedom) kelakuan zarah. Zarah akan mencuba sedaya upaya untuk mendapatkan “kebebasannya” dengan memperoleh tenaga (haba) daripada sekelilingnya. Semakin banyak tenaga yang dimiliki, semakin meningkat kebebasan kelakuannya. Ini juga bermaksud entropi akan sentiasa meningkat, atau dengan kata lain zarah akan sentiasa menerima haba bagi meningkatkan entropinya.

Contoh mudah adalah seperti ais. Ais berada dalam keadaan pepejal. Pepejal mempunyai darjah kebebasan yang rendah kerana zarah berada dalam keadaan yang tersusun (tidak bergerak rawak). Ini bermakna darjah kebebasan zarah di dalam ais adalah rendah. Maka dapat disimpulkan ais mempunyai entropi yang rendah.

Walau bagaimanapun, seperti yang kita tahu, ais jika dibiarkan ditempat terbuka, ia akan mencair. Mengapa berlaku pencairan? Zarah-zarah dalam ais tadi menerima tenaga haba daripada sekeliling, sekaligus menyebabkan zarah-zarah yang tersusun tadi mula bergetar dan bergerak dengan agak rawak, setelah menerima tenaga. Ini juga bermaksud entropi zarah kian meningkat.

Timbul persoalan,

“Eh, habis kalau kita letak ais dalam peti sejuk, bukankah ais itu akan membeku. Takkan entropi zarah menurun? Adakah ini telah melanggar Hukum Termodinamik Kedua?”

Tidak sama sekali. Lihat kembali apa itu hukum termodinamik kedua yang mengatakan entropi alam semesta akan sentiasa meningkat. Peti sejuk berfungsi dengan mengeluarkan haba daripada objek-objek yang berada di dalamnya. Maka, haba akan dikeluarkan ke sekeliling. Ini bermaksud objek sekeliling juga akan menerima haba yang dikeluarkan tadi. Entropi masih meningkat; hukum termodinamik tidak terbatal.

Lebih menarik, hukum ini juga memberi makna bahawa masa tidak boleh diputar ke belakang semula. Contohnya telur yang pecah tidak boleh kembali semula kepada bentuk yang asal, manusia kembali kepada menjadi muda semula, dan turut menyokong tentang fenomena kiamat (kehancuran) yang akan berlaku. Semuanya menunjukkan fenomena entropi yang meningkat.

Hukum Termodinamik Ketiga

Seterusnya Hukum Termodinamik Ketiga. Hukum ini mengatakan suhu sifar mutlak (absolute zero temperature) adalah pada -237.15 darjah Celcius atau 0 Kelvin. Suhu sifar mutlak bermaksud dimana sesebuah partikel itu tidak lagi mempunyai tenaga haba padanya.

Hukum ini sebenarnya masih dalam postulat kerana ia berdasarkan keputusan eksperimen daripada seorang ahli Fizik Termodinamik terulung, William Thomson. Dalam keputusan eksperimen beliau, graf menunjukkan garisan linear yang telah diekstrapolasikan kepada nilai -273.15 darjah Celcius.

 Pertentangan antara Hukum 2 dan Hukum 3

Mengapa dikatakan hukum ini masih dalam keadaan postulat, tetapi eksperimennya telah membuktikan ia mungkin mampu dicapai?

Cuba fikir sejenak.

Hukum Termodinamik Kedua mengatakan zarah akan sentiasa menerima haba, dan Hukum Ketiga pula berkata -273.15 Kelvin adalah suhu sifar mutlak.

Persoalannya disini, adakah suhu sifar mutlak mampu dicapai, dalam masa yang sama entropi yang sentiasa meningkat (menerima haba)? Jika suhu ini mampu dicapai, boleh dikatakan bahawa Hukum Termodinamik Kedua akan terbatal!

Ini kerana entropi dalam keadaan suhu sifar mutlak adalah sifar (tiada penerimaan haba), iaitu sesuatu yang kontradik dengan pernyataan entropi akan sentiasa meningkat (menerima haba).

Walau bagaimanapun, ahli Fizik tetap berusaha sedaya upaya melakukan kajian bagi mencapai suhu sifar mutlak. Walaupun ia mustahil untuk dicapai secara teori, ini tidak memutuskan semangat mereka.

“Eh, ada kepentingan kah kalau dapat dicapai pun?” kawan anda yang tadi kembali bertanya.

Semestinya ada. Jika anda pernah dengar tentang teknologi superkonduktor, di mana magnet akan disejukkan dengan menggunakan cecair nitrogen yang mempunyai suhu -195.79 darjah Celcius. Kesan daripada penyejukkan menyebabkan kesan magnetik yang bertindak secara berlawanan kutub dengan permukaan besi dibawahnya; menolak magnet dari permukaan landasan.

Teknologi ini akan mengurangkan geseran antara kereta api dan landasan sekaligus meningkatkan kecekapan teknologi pengangkutan. Pada waktu ini, teknologi ini telah dikenali sebagai MAGLEV (Magentic Levitation). Ini antara kesan pemanipulasian haba dalam teknologi.

Penyelidikan Bose Einstein condensate (BEC) masih lagi dalam aras asas. Antara yang menjanjikan aplikasi yang hebat adalah dalam kajian Quantum Computing, Atom Chips dan Nano detectors/sensors.

Kajian mengenai isu suhu sifar mutlak terus berjalan tanpa henti. Pada ketika ini, perkara yang paling membanggakan adalah di pencapaian suhu di sebuah makmal Cryogenic Underground Observatory for Rare Event. Mereka telah mencapai suhu serendah 1 pico Kelvin (0.000000000001 Kelvin), yakni suhu ini adalah suhu paling rendah dari suhu purata alam semesta iaitu 2.73 Kelvin ataupun daripada suhu Nebula Boomerang iaitu 1 Kelvin!

Penemuan Jirim Baharu

Kekaguman ciptaan Tuhan ini tidak terhenti disitu.

Dalam perjalanan eksperimentalis Fizik untuk mencapai Hukum Termodinamik Ketiga, suatu penemuan aneh telah dijumpai.

Sejarahnya bermula pada tahun 1924, Satyendra Nath Bose, seorang ahli Fizik dari India telah mengkaji bidang statistikal kuantum pada zarah cahaya iaitu foton (quantum statistic of photon). Dia telah menghantar sebuah kertas kerja kepada bapa Fizik Modern kita, Albert Einstein.

Kertas kerja ini adalah berkenaan perkiraan Hukum Plack. Einstein berasa sangat kagum lalu telah menterjemah kertas kerja ini daripada bahasa Inggeris kepada bahasa Jerman.  Setelah itu, beliau telah menghantarnya ke Zeitschrift für Physik. untuk disemak.

Einstein kemudian telah mengembangkan idea tersebut kepada zarah dalam dua kertas kerja. Keputusan daripada pengkajian mereka menghasilkan konsep gas Bose dimana daripada Bose-Einstein statistik yang menerangkan taburan statistik zarah serupa (identical atom) bersama putaran interger, yang dikenali sebagai boson.

Einstein menyatakan bahawa menyejukkan zarah Boson kepada suhu yang sangat rendah akan menyebabkan ia jatuh (terluap) kepada sebuah ruang kuantum, menghasilkan sebuah pembentukan keadaan jirim yang baharu. Walau bagaimanapun, setelah Einstein memberikan konsep ini, dia tidak lagi fokus kepada kajian tersebut sehingga kematian beliau.

Bagi mencapai keadaan ini, pada tahun 1995 gas terluwap pertama telah dihasilkan oleh saintis dari Universiti Colorado, Eric Cornell dan Carl Weinman di makmal Boulder NIST-JLA.  Gas zarah rubidium telah disejukkan sehingga mencapai 170 nano Kelvin (1 x 10^-9 Kelvin).  Diameter awan (cloud) bagi zarah rubidium ialah 20 micrometer (0.00002 meter) atau 1per 5 daripada ketebalan sekeping kertas.

Tidak lama selepas itu, Wolfgang Ketterle dari MIT telah menerangkan kepentingan sifat-sifat Bose-Einstein Terluwap (BEC) bagi gas zarah sodium-23. Berikutan pencapaian ini, mereka telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam bidang Fizik pada tahun 2001.

Sifat yang Aneh

Dalam keadaan zarah tidak punya tenaga, zarah berkelakuan dengan aneh sekali. Bayangkan, dalam keadaan pepejal, zarah masih lagi mempunyai tenaganya sendiri. Tetapi, dalam keadaan BEC, zarah seolah-olah sudah tiada tenaga.

Mengikut teori Kuantum Mekanik, pada saiz zarah, terdapat satu konsep yang dikenali sebagai ‘konsep kedualan gelombang dan zarah’ dimana pada saiz ini, zarah boleh bersifat seperti zarah dan juga seperti gelombang. Berdasarkan hal ini, kita boleh simpulkan bahawa setiap zarah mempunyai gelombang tersendiri dan ia boleh didefinasikan dengan Gelombang de Broglie.

Mengikut kesan termal (haba), panjang gelombang adalah berkadar songsang dengan suhu (dalam Kelvin); pada suhu bilik iaitu sekitar 300K. Zarah bergerak secara rawak dan pergerakkan zarah lebih mendominasi berbanding panjang gelombangnya. Apabila suhu menurun, iaitu semakin menyejuk, zarah akan kurang bergerak (perlahan) dan jarak gelombang lebih mendominasinya.

Akhirnya gelombang-gelombang ini bertindih antara satu sama lain, zarah sudah tidak tahu sama ada dirinya seperti zarah ataupun seperti gelombang (kehilangan identiti diri) dan apabila suhu menghampiri 0 Kelvin, gelombang yang bertindih ini akhirnya membentuk satu gelombang gergasi yang dikenali sebagai BEC.

Secara eksperimen, menghasilkan BEC adalah satu teknik eksperimen yang agak rumit dan eksperimen ini dibantu oleh instrumen Penyejukkan Laser. Pergerakkan zarah-zarah akan diperlahankan dengan menembak laser kepada setiap zarah.

Analoginya adalah seperti ‘memperlahankan seekor gajah yang menaiki papan luncur (tenaga zarah bergerak rawak) dengan menembak gajah terbabit dengan bola ping pong (tenaga laser). Dapatlah dibayangkan betapa sukarnya proses ini!

Selain itu, beberapa proses penting lain yang dilakukan adalah seperti menggunakan perangkap magnet (magnetic trap) dan penyejukkan tersejat (evaporating cooling) sehingga ke suhu nanoKelvin bagi mendapatkan keadaan BEC.

Sungguh mengagumkan!

Video 1: Bose-Einstein Condensation
Video ini menunjukkan proses bagaimana mendapatkan BEC dengan animasi yang mudah difahami.

Video 2: Bose-Einstein Condensate -A New State of Matter

Video ini menerangkan sejarah bagaimana penyelidikan BEC bermula dan sedikit penerangan daripada seorang ahli Fizik.

Dalam bidang Fizik Kuantum, ini adalah sebuah penemuan besar. Ini kerana melalui BEC, kita dapat melihat fenomena Fizik yang berada dalam  sudut mikroskopik dalam teropong makroskopik. Ini kerana, lokasi zarah amatlah sukar untuk dikenalpasti dengan tepat, melainkan ia hanyalah dalam bentuk kebarangkalian sahaja seperti yang diusulkan oleh Prinsip Ketidakpastian Heinsernberg.

Untuk memahami dengan lebih mudah, bayangkan Ali sedang bermain di sebuah padang. Disebabkan Ali bersaiz makro (lebih besar daripada 1 micro meter), kita boleh mengenal pasti kedudukan Ali di padang itu.

Sebaliknya bayangkan jika Ali bersaiz seketul zarah. Merujuk kembali Prinsip Ketidakpastian Heisenberg zarah tidak dapat diketahui dengan tepat lokasinya. Ali yang tadi berada di padang tidak dapat diketahui lokasinya dengan tepat melainkan kita boleh mengatakan Ali berkemungkinan besar sedang berada di padang itu.

Namun, apa akan terjadi jika kita bayangkan Ali yang tadi hanya sebesar zarah itu, kehilangan tenaga (haba) akibat kepenatan dan tidak bergerak dan bergetar (untuk zarah)? Apakah Ali akan terduduk diam di padang itu.? Apakah kita dapat tahu kedudukannya? Adakah zarah yang tidak diketahui kedudukannya dengan tepat tadi, dapat diketahui kedudukannya dengan cara menyejukkan zarah itu kesebuah tahap ia kehilangan tenaga? Ahli Fizik sedang mencari jawapannya. Kita mungkin bakal mendengar bagaimana alam “berbicara”.

Nota kaki:

Jika eksperimen menggunakan gas boson jirim yang dijumpai itu dipanggil BEC. Manakala jika menggunakan gas fermion, ia dinamakan sebagai gas Fermionik terluwap, atau boleh menggunakan istilah Ultracold Atoms merujuk kepada kedua-dua jenis gas, iaitu boson dan fermion.

Sumber:

• https://www.nist.gov/public_affairs/re;eases/bec_background.cfm
• https://www.physicstoday.org/pt/vol-54/iss-12/p14.html
• https://en.m.wikipedia.org/wiki/Bose%E2%80%93Einstein_condensate