Dr. Husin Alatas (Professor of Physics)

Imagination is more important than knowledge – A. Einstein

 

Menyoal Kemandirian Riset Nasional

 

MENYOAL KEMANDIRIAN RISET NASIONAL*

INOVASI untuk kemandirian bangsa merupakan tema yang dicanangkan pemerintah pada perayaan ke-17 Hari Kebangkitan Teknologi Nasional tahun ini. Kesuksesan realisasi tema tersebut tentu saja dapat membawa ke kemajuan yang signifikan bagi bangsa kita.

Namun, pertanyaan mendasar yang perlu dijawab guna mendukung kesuksesan tema tersebut ialah bagaimanakah kondisi kemandirian nasional di bidang riset saat ini? Sebuah kemandirian yang efek dominonya terbukti secara empiris berkorelasi positif dengan kemampuan sebuah bangsa mengoptimalkan apa yang di milikinya melalui inovasi-inovasi yang cerdas dan kreatif serta memiliki nilai tambah tinggi.

Sebelum menjawabnya, layak dikaji terlebih dahulu data terkait dengan profil produksi dokumen ilmiah terpublikasikan yang berasal dari Indonesia jika dibandingkan dengan negara lain. Jumlah tersebut dapat dijadikan indikator kemandirian riset sebuah negara. Data terkait dapat diakses secara gratis di http://www.scimagojr.com yang bersumber dari pangkalan data publikasi ilmiah, Scopus.

Selain Indonesia, negara yang datanya dipilih untuk disajikan ialah tiga negara maju yang nyata-nyata telah mandiri dalam riset, Amerika Serikat, Jerman, dan Jepang. Kemudian empat negara BRIC–Brasil, Rusia, India, dan China–dan terakhir empat negara di Asia Tenggara, yaitu Thailand, Malaysia, Vietnam, dan Filipina. Sebagai tambahan disertakan pula Iran sebagai kasus khusus.

Penelusuran difokuskan pada jumlah produksi dokumen ilmiah baik yang dapat di sitasi maupun tidak, serta persentase dokumen hasil kolaborasi dengan institusi dari negara lain untuk 2010. Data tahun tersebut merupakan data terbaru yang tersedia.

Berikut ialah data jumlah dokumen ilmiah negara-nega ra tersebut dan angka dalam kurung menyatakan persentase dokumen ilmiah hasil kolaborasi antara institusi di negara tersebut dan institusi dari negara lain.

1. Indonesia: 2.032 (67,67%), 2. Amerika Serikat: 502.804 (28,45%), 3. Jerman: 130.031 (44,72%), 4. Jepang: 113.246 (23,69%), 5. Brasil: 45.189 (24,35%) 6. Ru sia: 36.053 (29,37%) 7. India: 71.975 (17,46%), 8. China: 320.800 (14,68%), 9. Thailand: 9.129 (37,86%) 10. Malaysia: 14.407 (29,81%) 11. Filipina: 1.056 (61,65%) 12. Vietnam: 1.890 (71,32%), dan 13. Iran: 27.510 (17,85%).

Berdasarkan data ke-13 negara tersebut, jelas terlihat bahwa hanya terdapat tiga negara yang memiliki persentase dokumen ilmiah hasil kolaborasi dengan negara lain lebih dari 50%, yaitu Vietnam, Indonesia, dan Filipina.

 

Kemandirian Riset Rendah

Data mengenai Indonesia menunjukkan mulai 1996 hingga 2010 terdapat kecenderungan jumlah kolaborasi yang relatif stabil, dengan angka tertinggi tercatat pada 2004 sebesar 81,60% dan terendah 2010 sebesar 67,67% dengan rata-rata 74,86%. Jumlah dokumen ilmiah yang tercatat terus meningkat, dari 15 di 1996 menjadi 2.032 di 2010.

Kecenderungan peningkatan jumlah dokumen dan stabilnya kolaborasi dengan persentase yang relatif tinggi juga diperlihatkan Vietnam dan Filipina. Sementara ke-9 negara lainnya memiliki persentase kolaborasi yang relatif rendah. Kecuali Iran yang memperlihatkan kecenderungan menurun dari 36,42% di 1996 menjadi 17,85% di 2010, dengan rata-rata sebesar 24,53%. Jumlah dokumen ilmiah mereka tumbuh secara eksponensial, mulai 810 menjadi 27.510 dalam kurun 15 tahun tersebut.

Dokumen ilmiah dari Indonesia sebagai hasil kolaborasi dengan institusi dari negara lain setidaknya berasal dari empat sumber. Pertama, penelitian kolaboratif berdasarkan kesamaan minat dan tingkat kepakaran. Kedua, penelitian yang minim fasilitas pendukung sehingga harus menggandeng mitra luar negeri. Ketiga, peneliti asing yang berminat meneliti keunikan Indonesia dan menggandeng peneliti lokal. Keempat, penelitian mahasiswa pascasarjana yang tengah studi di luar negeri dan atas izin promotornya dibolehkan mencantumkan institusi tempatnya bertugas di Indonesia pada publikasi ilmiah mereka.

Tentu, keempat sumber dokumen ilmiah tersebut sangat positif bagi Indonesia. Namun, kenyataan bahwa dalam rentang 1996-2010 secara rata-rata hanya 25,14% porsi dokumen ilmiah yang murni dihasilkan tanpa berkolaborasi dengan pihak asing merupakan kondisi yang sangat memprihatinkan!

Data tersebut sangat mungkin menunjukkan rendahnya kemandirian kita dalam melakukan riset, terutama yang berkualitas baik. Jumlah dokumen ilmiah yang relatif sedikit juga turut memperkuatnya.

Penyebab kondisi itu tampaknya masih berupa problem klasik dari tahun ke tahun yang terkait satu sama lain, yakni antara lain minimnya pendanaan riset, relatif rendahnya pengalaman riset rata-rata peneliti serta kurangnya penghargaan terhadap eksistensi mereka, belum optimalnya peran program pascasarjana di perguruan tinggi dan lembaga penelitian sebagai mesin utama penghasil pengetahuan baru, serta belum berjalannya sinergi yang efektif di antara perguruan tinggi, lembaga penelitian, dan industri. Minimnya pendanaan riset berkontribusi pula pada kurangnya ketersediaan fasilitas riset dalam jumlah memadai berupa laboratorium-laboratorium berperalatan lengkap yang penanganan dan perawatannya dilakukan tenaga profesional.

 

Pilar Utama

Guna mencapai kemandirian riset tersebut sangat dibutuhkan kebijakan yang nyata dan kuat dari pemerintah dan DPR dengan menjadikannya sebagai pilar utama penyokong pembangunan nasional. Dengan menimbang bangsa kita terbukti tidak kekurangan sumber daya manusia yang memiliki potensi besar untuk melakukan riset berkualitas, keberanian politik untuk menetapkan anggaran riset lebih dari 1% produk domestik bruto (PDB), sebagaimana yang telah disarankan Komite Inovasi Nasional (KIN) baru-baru ini (http://www.metrotvnews.com, 9 Juni 2012), memang harus diyakini merupakan satu langkah tepat yang mampu memecahkan problem-problem di atas dan membawa budaya serta atmosfer riset negeri ini ke arah yang jauh lebih baik lagi.

Tidak berlebihan untuk mengatakan bahwa langkah penting yang perlu dilakukan terlebih dulu untuk merealisasikannya haruslah berbentuk upaya peningkatan kemandirian riset nasional secara masif. Tanpa itu, sepertinya sulit untuk memperoleh inovasi nasional yang benar-benar berkualitas dan berkuantitas.

*Artikel Opini MEDIA INDONESIA, 25 Agustus 2012

 

Posisi Ilmuwan

 

Posisi Ilmuwan*

Sebagian besar dari kita tentunya mengetahui bahwa seekor bebek dapat dengan mudah melewati tanah yang lunak ketimbang seekor ayam. Mengapa demikian? Secara fisika fenomena ini bisa dijelaskan melalui konsep tekanan yang didefinisikan sebagai berat dibagi dengan luas permukaan. Bebek memiliki luas permukaan kaki yang lebih besar dari kaki ayam sehingga tekanan yang diberikannya terhadap tanah lebih kecil.

Jika dianalogikan berat bebek atau ayam sebagai beban hidup yang kita alami sehari hari maka tekanan (baca: stres) yang menghinggapi kita dapat dikendalikan dengan memperluas sesuatu yang secara intrinsik ada dalam diri masing-masing, yaitu hati. Karena luas permukaan secara sederhana merupakan perkalian antara parameter panjang dan lebar maka keluasan hati di sini dapat kita pandang sebagai perkalian antara parameter sabar dan syukur.

Menarik untuk dicatat bahwa nasihat yang biasanya dijumpai dalam ajaran agama ternyata bisa pula kita ambil dari penganalogian fenomena alam di atas. Alam seolah ingin mengajarkan bahwa untuk mengurangi stres akibat beban hidup maka kita harus memperbanyak sabar dan syukur sebagai satu kesatuan yang mewakili keluasan hati.

Jelas hal ini sejalan dengan ajar an agama yang disampaikan, baik secara eks plisit maupun implisit oleh para nabi, bah wa sabar dan syukur adalah dua sifat yang mesti berdampingan untuk memperoleh kebahagiaan dunia dan akhirat.

Analogi di atas merupakan satu contoh dari sekian banyak indikasi keselarasan antara ajaran luhur agama yang tertulis dalam teks-teks suci dengan hikmah yang dapat diambil dari fenomena yang “tertulis” di alam sebagai tanda kauniyah kebesaran-Nya. Contoh sederhana lainnya adalah elektron di dalam atom yang hanya berpindah orbit lebih luar dengan menyerap foton cahaya sesuai yang telah ditentukan oleh hukum alam yang mengendalikannya, mengajarkan kepada kita untuk tidak berperilaku koruptif dengan mengambil sesuatu di luar yang telah ditetapkan.

Peran dan karakteristik

Menjelaskan fenomena alam seperti tekanan dan perpindahan elektron adalah ranah pekerjaan ilmuwan. Mereka sejatinya memiliki peran mencari gambaran yang komprehensif, sistematis, dan konsisten mengenai fenomena-fenomena alam. Penting untuk ditekankan bahwa peningkatan kualitas hidup manusia di semua aspek sebagian besar berasal dari kemampuan para ilmuwan dalam membaca fenomena alam dan menjadikannya bagian dari ilmu pengetahuan atau sains untuk kemudian diterapkan ke dalam teknologi.

Proses pencarian pengetahuan baru berbentuk riset ilmiah merupakan jalan yang sulit dan sering kali harus berlangsung dalam kesunyian tanpa gempita penghargaan.

Untuk melakukan riset dengan baik, seorang ilmuwan dituntut memiliki kecerdikan dalam “melihat” fenomena alam secara benar dan itu hanya dapat dicapai melalui kerja keras guna mendapat bekal pengalaman yang mencukupi.

Setelah memperoleh pengetahuan baru, seorang ilmuwan kemudian dituntut secara moral untuk menyebarkan apa yang diperolehnya kepada khalayak, khususnya ilmuwan serumpun. Tuntutan ini dimaksudkan agar pengetahuan baru tersebut dapat diestafetkan pengembangan dan pemanfaatannya oleh ilmuwan lain.

Penyebarluasan hasil riset lazim dilakukan dengan memublikasikannya. Dalam proses publikasi hasil riset tersebut mutlak diperlukan kejujuran pada penyampaiannya. Bahkan, apabila setelah paper dipublikasikan ternyata diketahui ada kesalahan yang tidak disengaja dan luput dari pemeriksaan rekan sejawat, maka secara etika sang ilmuwan diharuskan menerbitkan koreksi atau bahkan menarik paper-nya jika kesalahan yang ditemukan cukup fatal.

Uraian di atas jelas memperlihatkan adanya suatu kesebangunan karakter antara ilmuwan dan para nabi yang memiliki sifat-sifat cerdik, jujur, dapat dipercaya, dan menyebarkan kebenaran. Jika nabi dengan keempat karakteristik tersebut ditugaskan untuk menerima dan menyampaikan wahyu yang bersifat kauliyah maka ilmuwan pun memiliki kewajiban serupa, yakni mencari dan menyampaikan tanda kauniyah yang tersembunyi di alam raya. Lebih dari itu, seorang ilmuwan harus pula memiliki kemampuan tambahan dalam hal mendeteksi kesalahan yang dapat saja dilakukannya, baik ketika melaksanakan maupun menyampaikan hasil riset.

Ilmuwan dengan semua karakter tersebut dapat dipandang juga sebagai pewaris para nabi. Dalam pengertian, merekalah yang memang sejatinya dibebani tugas untuk melakukan pencarian ayat-ayat kauniyah serta melakukan pembuktian bahwa alam ini tidak diciptakan secara sia-sia, tetapi penuh kemanfaatan.

Konteks Indonesia

Melihat kondisi bangsa yang saat ini belum bisa dikatakan berada pada keadaan menggembirakan, tetapi di sisi lain telah terbukti memiliki sumber daya manusia yang tidak kalah kualitas dengan bangsa lain maka sudah sepatutnya ilmuwan yang dimaksud berada pada posisi yang unik dan strategis sebagai komponen utama bangsa. Mereka mempunyai tugas khusus melakukan riset yang berdampak pada terangkatnya harkat dan martabat bangsa.

Sebagaimana telah disinggung sebelumnya, harus benar-benar dipahami bahwa tugas ilmuwan dalam pencarian ayat kauniyah kerap menghadapi berbagai macam tantangan keras yang harus dilewati. Oleh karena itu, dukungan yang memadai dalam segala bentuk dari seluruh pihak menjadi sangat diperlukan, termasuk sikap politik terhadap eksistensi mereka harus lebih dipertegas keberpihakannya. Ini dimaksudkan agar tercipta kondisi yang kondusif bagi ilmuwan dalam melaksanakan perjuangan mencari dan memberi yang terbaik.

Hari Kebangkitan Teknologi Nasional yang jatuh pada tanggal 10 Agustus 2012 dan kali ini bertepatan dengan Bulan Suci Ramadhan 1433 H sudah selayaknya dijadikan sebagai momentum untuk semakin menguatkan semangat dalam mencetak ilmuwan ilmuwan andal pewaris para nabi. Semangat ini harus mampu memberikan.

*Artikel Opini REPUBLIKA, 30 Juli 2012

 

Pendidikan Sebagai Agen Perubahan

 

Pendidikan Sebagai Agen Perubahan

Ketika artikel ini akan dibuat, ada sedikit keraguan di hati saya untuk memulainya. Sepintas melihat judul di atas, mungkin banyak yang berpikir bahwa pendidikan sebagai agen perubahan tentunya sudah jelas maknanya dan tidak perlu diulas kembali. Benar, semua orang tentu mengatakan pendidikan itu sangat penting. Tetapi, saya berkeyakinan bahwa tidak semua orang memiliki persepsi yang sama tentang pendidikan macam apa yang penting dan perubahan apa yang hendak dicapai melalui pendidikan tersebut. Mengacu pada alasan tersebut, tulisan yang merupakan pendapat pribadi ini berusaha untuk memberi cara pandang yang bisa jadi baru bagi sebagian kita tentang arti pendidikan sebagai agen perubahan.

Pengalaman selama lebih dari enam belas tahun berkecimpung di bidang pendidikan sedikit banyak telah memberikan gambaran kepada saya, bahwa sebagian besar masyarakat Indonesia mempersepsikan pendidikan lebih kepada upaya sistematis untuk membentuk individu yang dapat bekerja di tempat yang bagus dan memiliki penghasilan yang layak, tanpa memperhatikan keunikan masing-masing, serta mengabaikan pencapaian tujuan bermasyarakat secara kolektif melalui cara berpikir dan bertindak dalam konteks kebersamaan. Tentu saja, sekilas tidak ada yang salah dalam pandangan ini. Apalagi jika dihadapkan pada realita sosial-ekonomi yang semakin hari menuntut orang untuk dapat bersaing secara ketat memperebutkan pekerjaan yang layak untuk menunjang hidup.

Namun, persepsi masyarakat di atas yang mereduksi makna pendidikan sedemikian rupa, telah sedikit banyak berdampak pada terciptanya masyarakat dengan ciri individu yang lebih menonjol ketimbang ciri kolektif. Masyarakat dengan ciri individu yang dominan cenderung memiliki tingkat kepercayaan yang rendah (low-trust) di antara anggotanya. Ketidakpercayaan dan ketidakpedulian terhadap orang lain dan lingkungan, serta kecurigaan yang berlebihan dalam melindungi kepentingan sendiri merupakan salah satu ciri masyarakat tersebut. Di pihak lain, masyarakat dengan ciri kolektif lebih mengedepankan kepentingan bersama dalam berpikir dan berbuat, memiliki keselarasan yang saling menunjang dan tingkat kepercayaan yang tinggi (hightrust) di antara para anggotanya. Kepedulian akan tanggung jawab merupakan ciri utama masyarakat ini. Keengganan untuk membuang sampah sembarangan karena sadar akan merugikan orang lain. Tingginya ketaatan dalam membayar pajak disebabkan adanya kepercayaan pada pengelolaannya yang tercermin lewat keandalan pelayanan-pelayanan publik, merupakan sebagian kecil contoh masyarakat berkarakter hightrust dengan ciri kolektivitas dalam berpikir dan bertindak.

Disadari atau tidak, saat ini tanpa terasa kita tengah berada di masyarakat dengan karakteristik lowtrust. Karena ketidakpercayaan pejalan kaki terhadap perilaku pengemudi kendaraan, maka untuk menyeberang jalan dengan aman di zebra cross harus dilakukan dengan ekstra hati-hati sambil melambaikan tangan untuk memohon agar kendaraan berhenti, merupakan contoh kecil karakter lowtrust. Disamping tentunya hal-hal lain yang lebih serius lagi seperti ketidakpercayaan terhadap kepastian penegakan hukum, pengelolaan pajak dan kemudahan pelayanan administrasi publik, serta kebenaran berita media massa.

Salah satu penyumbang munculnya karakter lowtrust tersebut adalah pola pendidikan terhadap individu yang kurang tepat yang diterapkan oleh masyarakat secara umum. Undang-Undang Sistem Pendidikan Nasional (Sisdiknas) tahun 2005, memang telah secara tegas menyatakan bahwa pendidikan nasional Indonesia merupakan sebuah upaya bersama antara semua elemen bangsa untuk membentuk individu yang mampu mengembangkan potensinya masing-masing, memiliki tanggung jawab sosial, berperilaku yang sesuai norma agama dan sosial yang berlaku, serta memiliki fungsi yang jelas dan bermanfaat di masyarakat. Namun begitu, tampaknya fakta lapangan di Indonesia saat ini menunjukkan bahwa upaya tersebut masih jauh dari harapan. Hingga kini anak didik di negeri ini sejatinya masih “dipaksa” oleh keadaan lingkungan dan sosial-ekonomi untuk tidak menjadi dirinya sendiri, serta kurang diberikan kepercayaan dalam berpikir dan bertindak sesuai dengan norma-norma yang ada. Sistem pendidikan yang sejak dini sebagian besar masih bersifat monologis patut diduga merupakan penyumbang utama terjadinya kondisi tersebut.

Pengingkaran terhadap keunikan anak didik dapat berdampak pada rendahnya rasa percaya diri mereka. Selanjutnya, sebagai konsekuensi atas rasa percaya diri yang rendah tersebut adalah terjangkitnya rasa cemas dan kecurigaan yang kadang berlebihan terhadap lingkungan sekitar. Apabila hal ini terjadi, maka hasil optimal dari peran mereka kelak di masyarakat kemungkinan besar tidak dapat tercapai, dan alih-alih yang terbentuk adalah manusia dengan ciri individu yang dominan dengan motto hidup “tidak ada yang memikirkan nasib saya kecuali saya sendiri”.

Perlu ditekankan di sini, bahwa manusia sebagai makhluk sosial dapat menunjukkan keunikan tersendiri. Jika diberi kesempatan untuk mengubah dirinya sesuai dengan potensi yang dimiliki serta kepercayaan untuk berperan sesuai dengan kapasitasnya, maka mereka dapat berkembang ke arah sukses yang tidak dapat diduga-duga sebelumnya. Manusia yang berkembang sesuai dengan potensinya memiliki kemungkinan besar untuk secara naluriah bisa menempatkan dan menyelaraskan diri secara positif di masyarakat, serta mampu berpikir kreatif. Jika diberi kepercayaan ia akan menjalankannya dengan tanggung jawab. Seseorang yang memperoleh kesempatan tersebut dapat dengan baik memenuhi kebutuhan naluriah dasarnya untuk menunjukkan apa yang terbaik dari yang ia bisa (aktualisasi diri), sehingga dapat dengan mudah mengartikulasikan perannya secara optimal di tengah masyarakat.

Bertolak belakang dengan hal tadi, penggiringan anak didik untuk memiliki karakter yang tidak sesuai dengan potensinya dapat menimbulkan ketidakharmonisan antara apa yang diinginkan dengan apa yang menjadi tanggungjawabnya. Kelak mereka mungkin akan merasakan kerja hanya sebagai sebuah beban yang harus dipikul sekedar untuk menggapai kecukupan materi semata, ketimbang menjadi sebuah kegiatan menyenangkan yang memiliki nilai-nilai mulia seperti ibadah misalnya.

Berdasarkan argumen di atas, maka jelas bahwa pendidikan sejatinya harus dipandang sebagai dan diarahkan untuk menjadi agen perubahan yang mampu menghantarkan orang menemukan potensi dirinya sendiri dan memfasilitasi mereka untuk mencapai kepercayaan diri dalam mengembangkannya. Kemampuan bertahan hidup, yang diantaranya adalah kemampuan untuk memperoleh pekerjaan atau penghasilan yang layak hendaknya dipandang sebagai satu konsekuensi alami dari keberhasilan penemuan dan pengembangan potensi dan kepercayaan diri tersebut. Dari sini jelas, semakin banyaknya orang yang dapat menemukan potensinya masing-masing akan berdampak pada terciptanya sebuah masyarakat dengan karakter hightrust dan lebih mengedepankan ciri kolektivitas dalam berpikir dan bertindak.

Sudah saatnya para orang tua memberanikan diri untuk lebih menekankan pendidikan yang sesuai dengan keunikan anak-per-anak, serta memberikan kepercayaan yang wajar dan terukur kepada mereka untuk berkembang. Saya memiliki keyakinan, bahwa perwujudan masyarakat yang berkeadilan sosial, hanya dapat dicapai jika kita mampu membangun generasi yang bisa berperan di masyarakat secara konsisten melalui pola pendidikan tersebut.

(Tulisan ini telah diterbitkan di Majalah BUSYRA Ed. 2 Tahun 2012 dan telah pula dilakukan penyesuaian isi)

 

Gejala Nonlinieritas di Alam

 

Agaknya mudah untuk dibayangkan jika anda memberi gaya pada sebuah bandul sehingga mengalami penyimpangan kecil dan secara bersamaan orang lain melakukan hal yang sama pada bandul tersebut, maka besar simpangannya merupakan penjumlahan linier sederhana (seperti 1+1=2) dari simpangan yang dihasilkan jika anda dan orang tersebut melakukannya secara terpisah. Ketika simpangan yang anda dan orang tersebut hasilkan cukup besar, maka penjumlahan sederhana ini tidak berlaku lagi. Kegagalan penjumlahan sederhana ini merupakan ciri pokok gejala nonlinieritas. Walaupun ide dasarnya sederhana, tetapi implikasinya dapat dikatakan sangat kompleks. Jika berhadapan dengan sistem yang memiliki sifat nonlinieritas, hal yang umum dilakukan fisikawan untuk menghindari kerumitan dalam memecahkan model terkait adalah dengan menyelidikinya dalam kerangka teori gangguan. Dalam teori ini, gejala nonlinieritas dianggap sebagai gangguan kecil sehingga pemecahan dinamika sistem tetap dapat dilakukan berdasar kaidah linier. Kini, setelah nonlinieritas sistem tidak lagi dianggap sebagai gangguan, gejala-gejala baru yang selama ini tersembunyi di dalam sistem fisis tersebut satu persatu banyak yang kemudian terungkap.

Selain kasus gerakan bandul di atas, hampir seluruh gejala fisika yang kita jumpai sehari-hari merupakan sistem yang nonlinier. Karet yang tidak kembali ke bentuk semula jika ditarik terlalu panjang, mendorong mobil agar berjalan lebih sulit ketimbang mendorong mobil yang sudah berjalan adalah contoh-contoh sederhana gejala akibat nonlinieritas. Dari sedemikian banyak gejala akibat nonlinieritas yang muncul, setidaknya terdapat dua gejala penting yang mencirikan secara spektakuler sifat nonlinieritas alam, yakni kehadiran soliton dan gejala chaos.

Terkuaknya kehadiran soliton yang secara teknis matematik didefinisikan sebagai pemecahan terlokalisir persamaan dinamika nonlinier, dapat ditelusuri mulai dari tahun 1834, ketika seorang naval architect asal Skotlandia yang bekerja pada VOC, John Scott-Russell, mencatat dan mempelajari ihwal perambatan sebuah gundukan air pada suatu kanal sempit di Edinburgh. Pada awalnya Russell secara tidak sengaja mengamati sebuah kapal kecil yang sedang melaju dan kemudian secara tiba-tiba berhenti. Ia memperhatikan bahwa gundukan air yang muncul di depan kapal terus melaju tanpa mengalami perubahan bentuk untuk waktu yang relatif cukup lama. Hal ini cukup membingungkan kala itu, karena seharusnya gundukan itu segera menyebar dan hilang. Ia juga mencatat fakta lain yang cukup mengherankan, ternyata semakin tinggi gundukan, semakin cepat pula laju perambatannya. Membutuhkan waktu sekitar enam puluh satu tahun, yaitu hingga tahun 1895, untuk menjelaskan bahwa gejala yang diamati oleh Russel berupa terbentuknya gelombang soliter tersebut dikendalikan oleh suatu persamaan dinamika nonlinier Korteweg-de Vries (KdV), yang dinamai sesuai dengan nama perumusnya Diderik Johannes Korteweg dan Gustave de Vries.

Sekitar tujuh puluh tahun kemudian, yakni di tahun 1965, persamaan KdV diperoleh kembali oleh Martin Kruskal dan Norman Zabusky, ketika mereka mencoba mempelajari ulang gejala aneh yang ditemukan oleh Enrico Fermi, John Pasta dan Stanislaw Ulam (FPU) sewaktu menyelidiki sifat konduktivitas termal bahan berdasarkan model dwiatomik yang diasumsikan terhubung melalui ikatan yang berperilaku seperti pegas nonlinier. Kerja yang lakukan FPU di Los Alamos, New Mexico, Amerika Serikat, dengan menggunakan MANIAC-I di tahun 1955, adalah untuk menyelidiki hipotesis Debye yang dikemukakan sekitar 40 tahun sebelumnya tentang terbatasnya kapasitas termal benda padat terkait dengan sifat nonlinieritas bahan. Secara numerik, Kruskal dan Zabusky menemukan bahwa persamaan tersebut dapat menampung pemecahan berupa gelombang soliter dengan dua atau lebih gundukan terlokalisir yang merambat. Seperti yang diperoleh Russell, dua gundukan yang berbeda tinggi memiliki kelajuan yang berbeda pula. Anehnya lagi, mereka mengamati bahwa jika dua gundukan tersebut bertemu (berinteraksi) ternyata tingginya bukan merupakan penjumlahan linier keduanya dan setelahnya akan kembali ke bentuk asal, seolah tidak pernah terjadi suatu pertemuan. Satu-satunya ingatan yang membekas dari interaksi tersebut adalah posisi relatif keduanya yang berubah dari posisi yang diperkirakan. Kruskal dan Zabusky menamakan objek ini soliton, karena sifatnya yang elastis ketika bertumbukan. Kata soliton merupakan gabungan kata soliter dan akhiran “on”. Penambahan akhiran “on” merujuk pada perilaku seperti “partikel” yang ditunjukkan oleh kedua gundukan ketika berinteraksi dan mengikuti kebiasaan penamaan pada fisika partikel elementer seperti elektron, proton, neutron dan lain sebagainya. Tidak lama setelah penemuan ini, teknik matematika baru yang dinamakan transformasi hamburan balik dibangun oleh para matematikawan dan fisikawan. Semenjak itu, selusin lebih persamaan dinamika nonlinier dapat dipecahkan secara eksak dan soliton pun bermunculan dimana-mana.

Sekarang, setelah empat dekade berlalu, kata soliton muncul diberbagai cabang fisika. Mulai dari pemodelan transport energi di dalam protein oleh Davydov sampai dengan pemodelan Hadron oleh Tom Skyrme dalam fisika energi tinggi. Pada optik misalnya, soliton hadir sebagai pulsa yang secara teoritis dapat merambat secara stabil di dalam serat optik tanpa mengalami pelebaran yang biasanya terjadi akibat peristiwa dispersi. Secara fisis pelebaran dapat dicegah oleh efek nonlinieritas yang berperan mempersempit lebar pulsa. Dapat ditebak dengan mudah bahwa pemanfaatan soliton optik di dalam teknologi komunikasi akan memberikan keuntungan salah satunya berupa berkurangnya jumlah pengulang yang biasa dipakai untuk pulsa konvensional. Eksperimen dalam skala laboratorium telah menunjukkan potensi aplikasi tersebut. Contoh lain pentingnya pemahaman tentang gejala nonlinieritas terkait dengan kehadiran soliton adalah dalam menjelaskan transport energi di dalam protein. Oleh Davydov di era pertengahan tahun 70-an, ditunjukkan bahwa soliton merupakan kandidat yang paling tepat untuk menggambarkan betapa efisiennya transport yang terjadi di dalamnya. Eksperimen yang mendukung prediksi ini pun telah banyak dilaporkan.

Jika soliton menunjukkan gejala stabilitas yang luar biasa, maka di pihak lain nonlinieritas bertanggung jawab pula atas kemunculan gejala chaos, yang secara harfiah dapat diartikan sebagai “kekacauan”. Chaos berlainan dengan random, karena keadaan ini masih memiliki sifat deterministik. Secara matematika, gejala ini pertama kali diprediksi oleh matematikawan besar abad 19, Henri Poincare, disekitar tahun 1880-an ketika mencoba memecahkan permasalahan stabilitas dari suatu sistem dinamis, seperti gerak tiga benda langit di bawah pengaruh gaya gravitasi. Ia menemukan bahwa dalam suatu sistem persamaan nonlinier yang tergandeng, perubahan signifikan pada kondisi akhir dapat terjadi walau kondisi awalnya diubah sedikit.

Secara lebih visual, gejala chaos pertama kali dipelajari secara tidak sengaja oleh Edward N. Lorenz, seorang pakar sains atmosfir dari Perancis, di tahun 1963. Kala itu ia tengah mencoba memodelkan aliran konveksi udara tiga dimensi di atmosfir. Lorenz dengan menurunkan model ideal persamaan nonlinier yang tergandeng tiga dan berusaha memecahkannya secara numerik menggunakan pertolongan komputer. Alih-alih memperoleh pemecahan yang berkelakuan baik, ia malah menemukan perilaku aneh yang semula ia anggap sebagai kesalahan numerik. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa lintasan pemecahan dalam ruang tiga dimensi tersebut memiliki ciri lintasan yang tidak teratur. Lintasan berputar-putar mengelilingi suatu titik yang disebut atraktor aneh (strange attractor), dan tidak pernah menempuh lintasan yang sama. Jika titik awal perhitungan dirubah sedikit saja, maka akan muncul  pola orbit dengan kelakuan serupa tetapi memiliki pola lintasan yang lain sama sekali. Hingga kini, gejala chaos juga dapat dijumpai dimana-mana, mulai dari sistem fisika seperti sirkuit listrik, gerak bandul atau perubahan cuaca. Pemodelan mengenai perilaku sistem sosial, fluktuasi harga saham dan pola hubungan antara mangsa dan pemangsa di dalam suatu ekosistem pun memprediksikan kemungkinan munculnya dinamika chaotik di dalamnya. Secara teknologi, pemahaman tentang chaos menjadi penting ketika mendesain suatu sistem yang dapat bekerja terbebas dari gejala tersebut

Sejak era emas tahun 1960-an bagi mulai tumbuhnya pemahaman tentang gejala nonlinieritas, riset di bidang sains nonlinier merupakan lahan aktif yang banyak diminati para periset kelas dunia, baik bagi para saintis maupun rekayasawan. Di Indonesia sendiri, bidang ini belum banyak diminati. Padahal, riset tentang nonlinieritas di alam pada hakikatnya merupakan kunci pokok bagi pemahaman, yang barangkali lebih menyeluruh, terhadap alam semesta. Pada gilirannya, pemahaman tersebut akan membawa pula konsekuensi dalam hal pemanfaatan praktisnya secara teknologi, misalnya seperti yang ditunjukkan dengan telah berhasil dikembangkannya komunikasi soliton berdasarkan sistem manajemen dispersi oleh Marconi Corp. dari Inggris di tahun 2001. Sistem dengan sandi UPLx160 ini memiliki kapasitas transfer data sebesar 1,6 Terabit per detik (1 Terabit = 10 pangkat 12 bit). Pada tahun 2002, secara komersil sistem tersebut telah dipasang pada jaringan komunikasi yang menghubungkan Perth di pantai barat Australia dan Adelaide di pantai timur yang berjarak sekitar 2.872 km, tanpa membutuhkan satu pun titik regenerasi sinyal.

 

OptIPB Sensor, Sensor Optik Berbasis Kristal Fotonik Satu Dimensi

 

OptIPB Sensor, merupakan sebutan bagi produk sensor optik berbasis kristal fotonik yang dikembangkan oleh para peneliti di Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor. Pengembangan sensor optik ini dimulai dari kajian fisika teoritik mengenai fenomena interaksi gelombang elektromagnetik (EM) dengan kristal fotonik, kemudian proses fabrikasi dengan metode electron beam evaporation dan pembuatannya menjadi sebuah sensor optik yang sangat sensitif.

Kristal fotonik satu dimensi merupakan sistem optik periodik yang tersusun atas unit-unit sel identik. Masing-masing unit sel tersebut terdiri dari dua atau lebih lapisan material dielektrik dengan indeks bias rendah dan tinggi, dan dengan ketebalan berorde panjang gelombang EM operasional. Interferensi antara gelombang transmisi dengan refleksi dapat mengakibatkan pemblokiran perambatan gelombang EM pada rentang panjang gelombang tertentu. Rentang ini dikenal dengan istilah photonic band gap (PBG). Fenomena ini  mirip dengan energy band gap pada perilaku elektron dalam material semikonduktor.

Jika struktur kristal fotonik ini didesain memiliki satu atau lebih unit sel defek, yaitu lapisan yang memiliki ketebalan optik berbeda dengan ketebalan lapisan pada unit sel reguler, maka akan muncul fenomena photonic pass band (PPB) yang menunjukkan semacam “kebocoran” gelombang EM dalam rentang PBG. Karakteristik PPB tersebut sangat sensitif terhadap perubahan indeks bias material pada lapisan defek. Fenomena inilah yang dimanfaatkan untuk pembuatan sensor optik berbasis kristal fotonik, dimana material sampel yang akan dideteksi diperlakukan sebagai lapisan defek.

Prinsip kerja sensor ini adalah dengan merambatkan gelombang EM di dalam kristal fotonik yang disisipi material sampel, kemudian diterima oleh fotodetektor yang mengubahnya menjadi tegangan listrik. Agar dapat terbaca, tegangan tersebut harus diperkuat oleh rangkaian amplifier. Tegangan yang dihasilkan pada prinsipnya dapat dikonversi dan dikalibrasi ke dalam satuan parameter yang dibutuhkan, misalnya gram/liter, molar, % volume atau % bobot.

OptIPB Sensor dikemas dalam satu paket alat ukur konsentrasi larutan yang praktis dan portabel. Sensor ini berguna untuk pengukuran kualitas larutan secara in-situ dan real-time. Misalnya dalam sistem kendali mutu (Quality Control, QC) di perusahaan minuman. Dengan menggunakan referensi standar QC yang telah ada, OptIPB Sensor dapat memonitor setiap saat kualitas larutan yang diproduksi secara kontinu dan akurat. Keunggulan sensor ini antara lain:

  1. Memiliki sensitivitas tinggi
  2. Praktis dan mudah digunakan
  3. Dapat digunakan secara in-situ dan real-time
  4. Dapat diintegrasikan ke dalam sistem otomatis

Selain digunakan untuk pengendalian mutu pada industri minuman, sensor ini memiliki pula potensi untuk diaplikasikan pada berbagai keperluan lainnya seperti pemeriksaan kadar gula darah, deteksi salinitas air laut, pencemaran sungai dan polusi udara.