Medan

Ternyata kota Padang dan kota Medan berbagi makna yang sama atas namanya: field. Mereka saudara semakna yang benar-benar adil dan tahu diri. Si “Padang” lebih memilih untuk melekat pada hal-hal religus dan sosial-lingkungan, katakanlah kita mengenal ada padang Mahsyar atau padang rumput/ilalang; sementara si “Medan” mengambil peran nuansa yang lebih seram, katakanlah ada medan perang atau medan gravitasi. Wah…

Mungkin kalau kita ganti, misalnya medan Mahsyar atau padang gravitasi, secara makna tidak berbeda tapi hanya ganjal di telinga. Hmm… tapi ide menarik juga kalau saya coba mulai dari sekarang menyebut Quantum Field Theory sebagai “Teori Kuantum Padang”, hahaha. Mungkin orang yang mendengar akan mengasosiasikannya sebagai “Teori Kuantum dari Padang”.

Ngomong-ngomong tentang medan gravitasi, apa sih itu? Selain itu kita juga sering mendengar medan listrik atau medan magnet, apa sih itu? Atau lebih tepatnya, apa sih arti medan dalam fisika?

Saat Newton menyadari, sekitar tahun 1750, bahwa ada sesuatu yang membuat kita tertahan di kulit Bumi, sesuatu yang sama yang membuat Bulan mengorbit Bumi dan Bumi mengorbit Matahari, dia mengusulkan sesuatu itu adalah gaya umum (universal force) yang membuat segala sesuatu menarik segala sesuatu yang lain. Gaya itu kemudian disebut gaya gravitasi, berbanding lurus dengan dua objek bermassa yang terlibat dalam aksi tarik-tarikkan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dua objek tersebut.

Walau sukses menjelaskan gaya gravitasi, Newton tidak benar-benar menjelaskan bagaimana gravitasi bekerja. Newton menjelaskan bagaimana Bumi mengorbit Matahari dan bagaimana kita tertahan di kulit Bumi, tapi dia tidak menjelaskan apa yang membuat ini terjadi.

Sekitar seratus delapan puluh tahun kemudian penjelasan ini datang dari Einstein dengan teori Relativitas Umumnya: bahwa benda bermassa akan menciptakan medan di sekitarnya, melengkungkan ruang sehingga dimensi ruang memendek (kontraksi panjang) dan dimensi waktu memanjang (dilatasi waktu).

Medan Gravitasi

Medan gravitasi berdasarkan teori Relativitas Umum. Benda bermassa menyebabkan ruang melengkung disekitarnya. Lengkungan ruang inilah medan gravitasi dari benda tersebut. Jika ada partikel yang masuk dalam medan tersebut, dia akan “jatuh” ke dalam benda ini. Bahkan cahaya pun terpengaruh oleh medan gravitasi, sehingga kita bisa melihat benda lain di belakang benda ini seperti yang diilustrasikan gambar di atas.

Bagaimana jika benda itu bermuatan (positif atau negatif)? Nah, dalam teori elektromagnetik dijelaskan bahwa benda bermuatan yang diam akan menghasilkan medan listrik yang menyebar ke segala arah. Medan ini berawal dari muatan positif dan berakhir di muatan negatif. Ini disebut juga hukum Coloumb.

Medan Listrik

Medan listrik dihasilkan oleh benda bermuatan. Muatan positif menghasilkan medan listrik menjauhi dirinya sementara muatan negatif menghasilkan medan listrik mengarah ke dirinya. Atas: Medan listrik pada dua muatan yang sejenis, ini mengakibatkan masing-masing muatan akan tolak-menolak. Bawah: Medan listrik pada muatan yang tidak sejenis, ini mengakibatkan masing-masing muatan akan tarik-menarik.

Bagaimana jika benda bermuatan itu bergerak? Masih dalam teori yang sama, benda bermuatan yang memiliki kecepatan akan menghasilkan medan magnet. Ini disebut hukum Biot-Savart. Pemahaman ini mungkin rada baru bagi kita yang belum sempat belajar elektrodinamika. Sesungguhnya sifat kemagnetannya berasal dari elektron-elektron yang mengorbit intinya memiliki momen dipol magnetik. 

Garis medan

Garis medan magnet tidak memiliki awal dan akhir, karena itu kita tidak bisa memiliki magnet yang hanya punya satu kutub saja.

Berbeda dengan medan listrik, medan magnet ini tidak berawal dan tidak berakhir. Kita bisa punya benda yang bermuatan positif saja (misalnya proton), atau negatif saja (misanya elektron). Tapi kita tidak pernah punya benda yang hanya berkutub Utara saja, atau Selatan saja. Dalam fisika ini disebut masalah monopole. Dikatakan bermasalah karena teori fisika elektrodinamik meminta kehadiran benda yang hanya memiliki satu kutub magnet saja. Hal ini sudah disadari oleh Maxwell saat menyederhanakan matematika hukum-hukum yang berlaku dalam fenomena listrik-magnet tahun 1864, orang-orang sudah berpikir untuk mencari benda ini dan sampai sekarang belum ada yang sukses.

Kita kembali ke topik kita: apa itu medan. Susah juga kalau memberi deskripsi harfiahnya. Yang jelas dari diskusi kita di atas, fisika menyarankan kita bahwa benda (yang bermassa dan/atau bermuatan) akan menciptakan medan disekitarnya. Interaksi-interaksi antar partikel terjadi di dalam medan ini.

Bagaimana kalau ada benda yang tidak bermassa dan tidak bermuatan? Setidak-tidaknya ada dua benda ini di alam semesta, tidak bermuatan dan (nyaris) tidak bermassa, dan masing-masing memberi warna sangat penting dalam pemahaman alam semesta kita ini. Tahukan Anda apa itu?