Teori Matematika Berusia 150 Tahun Tampaknya Salah Setelah Diuji Lagi

Utomo Priyambodo - Rabu, 4 Agustus 2021 | 11:00 WIB

THE PERTH MINT COIN COLLECTOR

Selama 150 tahun teori dari Lord Kelvin sudah dikaji oleh para ilmuwan lainnya sebagai ilustrasi elegan dari kekuatan analisis simetri. Namun, tampaknya ada yang keliru.

Nationalgeographic.co.id—Lord Kelvin mungkin benar tentang termodinamika, dinamika fluida, elektronik, terobosan tak terhitung dalam bidang teknik, evolusi dan siklus hidup bintang, analisis fungsi asimtotik, dan energi kinetik. Namun jika menyangkut benda-benda sangat kecil yang berputar di dalam air, teorinya terkait itu tampaknya salah.

Pada tahun 1871, Lord Kelvin, yang nama aslinya adalah William Thompson, mengusulkan keberadaan bentuk tertentu yang secara alami harus berputar ketika jatuh ke dalam cairan. Bentuk yang ia usulkan dalam teorinya itu adalah "helikoid isotropik."

Dia menggambarkan seperti apa bentuk ini seharusnya, dan selama 150 tahun idenya diangkat sebagai ilustrasi elegan dari kekuatan analisis simetri. Faktanya, ide itu sangat meyakinkan sehingga, tampaknya, tidak ada yang benar-benar pernah mengujinya.

Kini, banyak ilmuwan yang telah menerima mentah-mentah teori tersebut tampaknya akan merasa sangat malu. Sebab, baru-baru ini sebuah tim fisikawan akhirnya berhasil menguji kembali dugaan Kelvin tersebut dan sepertinya dia salah.

“Meskipun analisis simetri menunjukkan bahwa partikel itu harus mulai berputar saat mengendap, kami tidak mendeteksi kopling rotasi-translasi dalam eksperimen kami,” kata tim tersebut dalam laporan studi mereka yang telah terbit di jurnal Physical Review Fluids pada 13 Juli 2021.

“Ini menimbulkan pertanyaan [tentang] apakah argumen asli Lord Kelvin itu salah,” tutur mereka sebagaimana dilansir IFL Science.

Mengikuti instruksi Lord Kelvin, tim tersebut mencetak lima helikoid isotropik kecil dalam tiga dimensi. Bentuknya seperti bola-bola dengan sejumlah “sirip” yang ditempatkan secara strategis di permukaan pada sudut 90 dan 45 derajat ke lingkaran tengah.

BRITANNICA

Lord Kelvin, yang bernama sejati William Thomson (26 Juni 1824 – 17 Desember 1907) adalah seorang matematikawan, fisikawan, dan insinyur Irlandia-Skotlandia yang lahir di Belfast.

Kunci dari bentuknya adalah properti yang terlihat sama dari sudut mana pun. Ini adalah bagian “isotropik” dari “helikoid isotropik”.

Tim memvariasikan ukuran dan bentuk sirip untuk masing-masing helikoid isotropik itu dalam lima percobaan, tetapi semuanya menghasilkan hasil yang sama: tampaknya teori Lord Kelvin itu salah.

Menurut hipotesis awal Kelvin, apa yang seharusnya terjadi ketika helikoid dijatuhkan ke dalam cairan adalah bahwa helikoid itu akan mulai berputar. Sebab, bentuk aneh itu berinteraksi dengan dinamika fluida yang mengelilinginya. Dan semakin dalam ia tenggelam, semakin cepat ia harus jatuh.

G. Voth/Wesleyan University

Cetakan bentuk helikoid isotropik kecil dalam tiga dimensi. Menurut hipotesis awal Kelvin, ketika helikoid dijatuhkan ke dalam cairan, helikoid itu akan berputar. Sebab, bentuk aneh itu berinteraksi dengan dinamika fluida yang mengelilinginya. Apakah benar?

Apa yang sebenarnya terjadi ketika helikoid dijatuhkan ke dalam cairan—khususnya, minyak siliko—adalah bahwa helikoid itu jatuh ke dasar tanpa berputar sama sekali.

Faktanya, para peneliti menduga bahwa sifat antiklimaks dari eksperimen mereka mungkin menjadi alasan mengapa kita belum melihat orang lain mencobanya.

"Dalam manuskrip Kelvin, dia secara eksplisit menjelaskan cara membuat helikoid isotropik, termasuk bahan yang akan digunakan, menunjukkan bahwa dia menciptakannya," kata Greg Voth, pemimpin studi baru itu, kepada Live Science.

“Saya pribadi menduga bahwa Kelvin dan yang lainnya sejak itu telah membuat helikoid isotropik dan mengamati bahwa kopling translasi-rotasi yang diukur ditentukan oleh batasan kualitas fabrikasi, dan oleh karena itu, mereka tidak mempublikasikan pengukurannya.”

Smithsonian Institution Libraries

Seiring dengan bakat matematika, Lord Kelvin (William Thomson) memiliki kemampuan praktis untuk memecahkan masalah. Ini bisa berkisar dari keran yang menetes hingga sinyal yang buruk dari kabel telegraf. Hasilnya, dia menemukan instrumen yang membantu komunikasi dan navigasi laut, serta fisika. Foto sekitar 1906.

Menurut para peneliti, masalahnya mungkin karena "kopling translasi-rotasi", yang mengacu pada interaksi antara cairan dan bentuk tersebut, terlalu kecil untuk dilihat. Dengan menggunakan pemodelan matematika, mereka menemukan bahwa sebagian besar torsi –gaya rotasi– yang diciptakan oleh sirip-sirip itu dibatalkan di atas helikoid. Itu berarti bahwa secara keseluruhan, hanya sejumlah kecil torsi yang dikembangkan, dan sepertinya hipotesis Kelvin itu salah.

Namun begitu, dengan beberapa modifikasi, tim peneliti berpikir reputasi Lord Kelvin dapat diselamatkan. Mereka sekarang bekerja untuk mengoptimalkan desain helikoid agar putarannya dapat diukur.

“Koplingnya kecil,” ucap Voth kepada New Scientist, “tetapi masih ada.”