Medan (fisika)

Medan dalam ilmu fisika adalah kehadiran besaran fisika di setiap titik dalam ruang (atau, secara lebih umum, ruang-waktu). Kekuatan medan biasanya berubah-ubah dalam suatu wilayah.

Besar medan listrik di sekeliling dua partikel bermuatan sama (tolak-menolak). Daerah yang lebih terang memiliki kuat medan lebih besar. Arah medan tidak terlihat.

Medan biasanya direpresentasikan secara matematis oleh medan skalar, vektor atau tensor. Sebagai contoh kita dapat memodelkan medan gravitasi menggunakan medan vektor. Pada medan ini suatu vektor melambangkan percepatan yang akan didapat titik massa pada tiap titik di dalam ruang. Contoh lain adalah medan temperatur atau medan tekanan udara, yang kerap diilustrasikan dalam laporan cuaca sebagai isoterm dan isobar, dengan menghubungkan titik-titik yang memiliki suhu atau tekanan yang sama.

Teori Medan

Teori Medan biasanya mengacu pada konstruksi dinamika suatu medan, yaitu spesifikasi bagaimana suatu medan berubah terhadap waktu atau terhadap komponen lain dari medan tersebut. Biasanya ini dilakukan dengan menulis Lagrangian atau Hamiltonian dari medan tersebut, dan memperlakukannya sebagai sistem mekanika klasik atau kuantum dengan jumlah derajat kebebasan tak terhingga. Teori medan yang dihasilkan disebut sebagai teori medan klasik atau teori medan kuantum.

Dalam fisika modern, medan yang paling sering dipelajari adalah model empat gaya fundamental yang pada suatu hari mungkin menghasilkan Teori Medan Terpadu

Medan klasik

Terdapat beberapa contoh medan klasik. Dinamika suatu medan klasik biasanya dispesifikasikan oleh kerapatan Lagrange dalam komponen medan. Dinamika tersebut dapat diperoleh menggunakan prinsip Aksi.

Michael Faraday pertama kali menyadari pentingnya medan sebagai objek fisika, selama penyelidikannya tentang magnetisme. Dia menyadari bahwa medan listrik dan medan magnet tidak hanya medan gaya yang menentukan gerakan partikel, tetapi juga memiliki realitas fisika sendiri, karena mereka mengandung energi.

Gagasan ini pada akhirnya berujung pada penciptaan teori medan terpadu pertama oleh James Clerk Maxwell, dengan diperkenalkannya persamaan untuk medan elektromagnetik. Versi modern persamaan ini disebut sebagai Persamaan Maxwell. Pada akhir abad ke-19, medan elektromagnetik dipahami sebagai kumpulan dua medan vektor dalam ruang. Saat ini, para fisikawan merumuskannya sebagai medan tensor tunggal asimetris orde-2 dalam ruang-waktu.

Teori gravitasi Einstein, teori relativitas umum, adalah contoh lain teori medan. Di sini medan utama adalah tensor metrik, medan tensor orde-2 simetris dalam ruang-waktu.

Medan kuantum

Saat ini para fisikawan percaya bahwa mekanika kuantum semestinya mendasari semua fenomena fisis, sehingga suatu teori medan klasik, paling tidak dalam prinsipnya, dapat dirumuskan dalam bentuk mekanika kuantum. Keberhasilan kuantisasi ini menghasilkan teori medan kuantum yang terkait. Sebagai contoh kuantisasi elektrodinamika klasik menghasilkan elektrodinamika kuantum. Elektrodinamika kuantum dapat disebut sebagai teori ilmiah paling berhasil. Data percobaan mengkonfirmasi ramalannya dengan kecermatan lebih tinggi daripada teori lain manapun. Dua teori medan kuantum dasar lainnya adalah kromodinamika kuantum dan teori elektrolemah. Ketiga teori medan kuantum ini dapat diturunkan sebagai kasus khusus model standar fisika partikel. Teori Relativitas Umum, teori medan gravitasi klasik, sampai saat ini belum berhasil dikuantisasi.

Teori medan klasik masih bermanfaat pada keadaan sifat-sifat kuantum tidak muncul, dan dapat menjadi wilayah penelitian aktif. Elastisitas bahan, dinamika fluida, dan persamaan Maxwell merupakan contoh-contohnya.

Medan acak kontinu

Medan klasik seperti disebut di atas, seperti medan elektromagnetik, biasanya merupakan fungsi yang dapat diturunkan (diferensiabel), namun pada setiap kasus medan-medan tersebut hampir selalu dapat diturunkan dua kali. Namun fungsi tergeneralisasi tidaklah kontinu. Ketika berurusan dengan medan klasik pada temperatur terhingga, metode matematika medan acak kontinu mesti dipakai, karena medan klasik yang berfluktuasi secara termal tidak dapat diferensiasikan di mana pun (nowhere differentiable).

Simetri Medan

Cara yang mudah menggolongkan medan (klasik atau kuantum) adalah melalui kesetangkupan (simetri) yang dimilikinya. Biasanya ada dua jenis simetri fisis:

Simetri ruang-waktu

Medan kerap kali diklasifikasikan dalam kelakuan mereka terhadap transformasi simetri ruang-waktu. Istilah yang digunakan dalam klasifikasi ini adalah:

Medan skalar (seperti temperatur), yang nilai-nilainya diberikan oleh variabel tunggal pada tiap titik dalam ruang. Nilai ini tidak berubah dengan transformasi ruang.
Medan vektor (seperti besar dan arah gaya pada tiap titik dalam medan magnet yang diberikan dengan menempatkan vektor pada tiap titik dalam ruang. Komponen-komponen vektor ini bertransformasi seperti biasa dalam rotasi dalam ruang.
Medan tensor (seperti tensor tegangan kristal) diberikan oleh tensor pada tiap titik ruang. Komponen tensor ini bertransformasi seperti biasa dalam rotasi dalam ruang.
Medan spinor berguna dalam teori medan kuantum

Pada teori relativitas penggolongan yang mirip berlaku, dengan perkecualian skalar, vektor, dan tensor didefinisikan terhadap simetri Poincaré dari ruang-waktu.

Simetri internal

Medan boleh jadi memiliki simetri internal selain simetri ruang-waktu. Dalam banyak keadaan bisa muncul keperluan terhadap medan yang merupakan senarai skalar ruang-waktu: (φ₁,φ₂...φ_N). Sebagai contoh, dalam ramalan cuaca skalar-skalar tersebut adalah suhu, tekanan, kelembapan, dan sebagainya. Dalam fisika partikel, simetri muatan warna interaksi quark adalah contoh simetri internal interaksi kuat, seperti juga simetri isospin atau flavor.

Bila ada simetri suatu masalah yang tidak melibatkan ruang-waktu, yang didalamnya komponen-komponen ini bertransformasi ke dalam satu sama lain, maka himpunan simetri ini dinamakan simetri internal. Klasifikasi muatan medan dapat juga dibuat di bawah simetri internal

Rujukan

Landau, Lev D. and Lifshitz, Evgeny M. (1971). Classical Theory of Fields (3rd ed.). London: Pergamon. ISBN 0-08-016019-0. Vol. 2 of the Course of Theoretical Physics.