Wednesday, April 25, 2012

Misteri Cahaya

Oleh : Peter Russel

Keputusan saya untuk mempelajari teori fisika bersama dengan psikologi eksperimental adalah sangat kebetulan. Teori fisika membawa saya lebih dekat dengan kebenaran akhir dari dunia fisik, sedangkan psikologi eksperimental merupakan langkah pertama saya untuk mengungkapkan kebenaran dalam dunia batin kesadaran. Selain itu, semakin dalam aku masuk kedua bidang, saya menjadi semakin dekat pada kebenaran dunia luar dan dunia batin.

Dan jembatan yang menghubungkan keduanya adalah cahaya.

Kedua teori yakni relativitas dan fisika kuantum, adalah dua perubahan paradigma yang besar dalam fisika modern, yang dimulai dari anomali dalam perilaku cahaya. Dan keduanya menyebabkan pemahaman baru yang radikal tentang sifat cahaya. Cahaya, tampaknya, bukan saja menempati tempat yang sangat khusus di dalam kosmos, melainkan juga dalam beberapa hal yang lebih mendasar dari ruang, waktu atau materi.

Dari kedua pergeseran paradigma, teori relativitas adalah yang paling membuat saya terpesona. Ketika di bangku SMA saya merenungkan implikasinya terhadap sifat ruang dan waktu. Di universitas, itu adalah bagian favorit saya dari silabus fisika. Dan baru-baru ini saya menyadari bahwa relativitas ini ternyata persis sama seperti argumen Kant.

Teori relativitas muncul dari karakter aneh kecepatan cahaya. Menurut fisika klasik, pengukuran kecepatan cahaya harus bervariasi tergantung dengan gerakan pengamat. Variasi seperti itu terjadi sepanjang waktu di kehidupan sehari-hari. Jika, misalnya, Anda bersepeda di sepanjang jalan di kecepatan 20 mph, dan disusul oleh sebuah mobil dengan kecepatan 30 mph, kecepatan relatif mobil terhadap Anda adalah 10 mph. Jika Anda mengayuh sedikit lebih cepat, sampai Anda juga bergerak dengan kecepatan 30 mph, maka laju mobil relatif terhadap Anda akan menjadi nol, dan Anda akan bisa berkomunikasi dengan pengemudi mobil tersebut.

Cahaya bergerak jutaan kali lebih cepat dari sepeda, sehingga Anda tidak akan berharap untuk melihat adanya perbedaan yang signifikan dalam kecepatan relatif terhadap Anda. Namun demikian, Anda dapat menerapkan hal yang sama. Semakin cepat Anda bepergian, semakin lambat kecepatan cahaya relatif terhadap Anda. Tapi ketika fisikawan mencoba untuk mendeteksi perubahan ini, mereka memperoleh hasil yang membingungkan. Tidak perduli apakah Anda pergi ke arah cahaya atau sebaliknya, kecepatan relatif cahaya selalu sama.

Kebingungan dengan temuan ini, dua ilmuwan Amerika, Albert Michelson dan Morley Edard, merancang percobaan yang bisa mendeteksi variasi kecepatan cahaya dengan akurasi dua mil per detik, sekitar seratus kali lebih akurat dibandingkan dengan variasi yang diharapkan. Namun mereka ternyata memperoleh hasil yang sama persis. Kecepatan yang teramati dari cahaya tidak pernah bervariasi.

Bagi paradigma ilmiah yang ada, ini adalah sebuah anomali besar. Mengapa cahaya tidak mematuhi hukum yang sama seperti segala sesuatu yang lain? Ini dianggap tidak masuk akal.

Pergeseran Paradigma Einstein

Dimulai dengan kisah Albert Einstein muda. Setelah gagal ujian masuk perguruan tinggi di bidang teknik listrik, dan telah ditolak untuk mengajar di berbagai tempat dalam matematika dan fisika, ia akhirnya mendapatkan pekerjaan sebagai “asisten, kelas tiga,” di kantor paten Swiss. Selama waktu luang ia merenungkan berbagai masalah matematika dan fisika, termasuk hasil yang dijelaskan dari percobaan Michelson-Morley.

Pada tahun 1905, pada usia 26 tahun, dan hampir tidak dikenal oleh komunitas ilmiah, ia menerbitkan dua makalah seminar, satu pada sifat kuantum cahaya, dan satu lagi tentang “Elektrodinamika  benda Bergerak,” dimana ia mengusulkan resolusi radikal untuk masalah kecepatan cahaya, dan meletakkan dasar untuk Teori Relativitas Khusus.

Premis dasar relativitas bukanlah hal baru. Dua ratus lima puluh tahun sebelumnya, Galileo menyadari bahwa jika Anda berada di sebuah ruangan tertutup, tanpa jendela, tidak akan ada cara untuk mengatakan apakah ruangan itu diam atau bergerak dengan kecepatan yang stabil, setiap eksperimen yang dilakukan di ruang bergerak akan memiliki hasil yang sama seperti yang dilakukan di ruang diam.

Bayangkan, misalnya, Anda terbang dalam pesawat dan didalamnya menjatuhkan sebuah bola tenis. Bola akan jatuh secara vertikal (dari perspektif Anda) ke lantai dan memantul kembali ke arah tangan Anda. Tidak memantul ke belakang pesawat yang berkecepatan 500 mil per jam. Sehubungan dengan Anda, bola berperilaku dengan cara yang sama seperti jika Anda berdiri di atas tanah. Anda tidak bisa mengatakan dari gerak bola apakah pesawat bergerak atau diam.

Teori Galileo, yang sekarang dikenal sebagai relativitas klasik, mengatakan bahwa hukum-hukum fisika adalah sama dalam semua kerangka acuan yang bergerak seragam. Ungkapan “bergerak seragam” adalah penting. Ini berarti bergerak dengan kecepatan tetap dalam arah yang tetap. Jika pesawat itu mempercepat atau memutar, Anda mengetahui bahwa Anda bergerak. Bola akan menggelinding di lantai, dan Anda mungkin merasa perubahan dalam tekanan kursi terhadap tubuh Anda.

Relativitas klasik mendefinisikan tentang gerakan benda-benda fisik, tetapi tidak mengatakan apa-apa tentang cahaya. Einstein mengembangkan relativitas klasik dan membawanya up to date. Ia mengusulkan bahwa prinsip relativitas seharusnya berlaku untuk semua hukum fisika, termasuk cahaya. Ini juga, harus sama dalam semua kerangka bergerak yang seragam.

Pada tahun 1864, James Clerk Maxwell telah mengusulkan bahwa cahaya terdiri dari gelombang elektromagnetik, dengan persamaan gerak mereka sendiri. Persamaan ini menentukan nilai tepat untuk kecepatan cahaya adalah 186.282 mil per detik (sekitar 670.000.000 mil per jam). Jika, seperti pendapat Einstein, persamaan ini adalah sama dalam semua kerangka acuan yang bergerak seragam, maka kecepatan cahaya harus sama dalam semua kerangka tersebut.

Dengan kata lain, bagaimanapun cepat Anda bergerak Anda akan selalu mengukur kecepatan cahaya pada 186.282 mil per detik- seperti yang telah ditemukan Michelson dan Morley. Bahkan jika Anda adalah melakukan perjalanan di 186.281 mil per detik, cahaya tidak akan hanya berkecepatan 1 satu mil  per detik lebih cepat; tapi ia masih akan membesar dengan kecepatan 186.282 mil per detik. Anda tidak akan menyamai kecepatan cahaya bahkan pada jumlah terkecil.

Ini terlihat sama sekali tidak masuk dalam akal sehat. Namun dalam hal ini akal sehat yang salah. Model mental kita tentang realitas berasal dari pengalaman seumur hidup kita dari sebuah dunia di mana kecepatan jauh berada di bawah kecepatan cahaya. Pada kecepatan yang mendekati cahaya, kenyataannya sangat berbeda.

Relativitas Ruang dan Waktu

Bahwa kecepatan cahaya adalah sama untuk semua pengamat, seberapa pun cepat mereka bergerak, adalah cukup aneh, tetapi ini bahkan lebih aneh lagi terhadap pengertian kita tentang ruang dan waktu.

Persamaan Einstein tentang gerak memprediksi bahwa jam yang bergerak akan berjalan lebih lambat dari jam yang diam. Pada kecepatan yang biasa kita temui, perbedaan ini diabaikan. Tapi ketika kita mendekati kecepatan cahaya efeknya menjadi sangat terlihat. Jika Anda melakukan perjalanan melewati saya pada 80 persen kecepatan cahaya, saya akan mengamati bahwa jam Anda berjalan sepertiga kecepatan saya.

Perlambatan ini berlaku tidak hanya untuk waktu, tetapi untuk semua proses fisik, untuk semua proses kimia, dan untuk semua proses biologis. Seluruh dunia Anda tampaknya berjalan lebih lambat dari saya. Waktu itu sendiri berjalan lebih lambat.

Meskipun ini tampaknya aneh, percobaan-percobaan telah menunjukkan bahwa waktu melambat ini memang benar-benar terjadi. Jam atom yang sangat sensitif telah diterbangkan keliling dunia, dan ditemukan bahwa mereka berjalan lebih lambat dengan angka tepat seperti yang diperkirakan. Perubahan ini sangat kecil-sekitar satu per satu triliun-tapi itu ada.

Juga tidak hanya waktu yang berubah; ruang juga dipengaruhi. Ketika pengamat mendekati kecepatan cahaya, pengukuran panjang (yaitu, pengukuran ruang dalam arah gerakan) didapati lebih pendek, dan dalam proporsi yang sama persis seperti halnya perlambatan waktu. Jika Anda melewati saya pada 80 persen kecepatan cahaya, pengukuran panjang akan menyusut menjadi sepertiga dari panjang saya.

Sekali lagi ini tampaknya menentang akal sehat; ruang, seperti halnya waktu, tampaknya mendasar dan tetap, bukan sesuatu yang berubah menurut kecepatan Anda. Namun demikian, eksperimen dengan partikel subatomik yang bepergian dengan kecepatan yang mendekati cahaya telah memverifikasi efek ini. Semakin cepat Anda pergi, semakin banyak ruang yang dikompresi.

Realitas Cahaya

Bagi seorang pengamat yang benar-benar melakukan perjalanan dengan kecepatan cahaya, persamaan Relativitas Khusus memprediksi bahwa waktu akan menjadi stagnan, dan panjang akan menyusut menjadi kosong. Fisikawan biasanya menghindari keadaan aneh ini dengan mengatakan bahwa, karena tak ada yang bisa mencapai kecepatan cahaya, kita tidak perlu khawatir tentang hal-hal aneh yang mungkin berlangsung pada kecepatan tersebut.

Ketika para fisikawan mengatakan tak ada yang bisa mencapai kecepatan cahaya, mereka berbicara tentang materi yang memiliki massa. Einstein menunjukkan bahwa tidak hanya perubahan ruang dan waktu terjadi ketika kecepatan meningkat, begitu juga massa. Dalam kasus massa, perubahan tersebut adalah peningkatan bukan penurunan; jika sesuatu bergerak lebih cepat, maka massanya menjadi semakin besar. Jika suatu benda yang pernah mencapai kecepatan cahaya massanya akan menjadi tak terbatas. Namun, untuk menggerakkan sebuah massa yang tak terbatas akan diperlukan jumlah energi yang tak terbatas-lebih dari energi yang ada di seluruh alam semesta. Dengan demikian, ia berpendapat, tak ada yang bisa mencapai kecepatan cahaya.

Tidak ada, kecuali cahaya. Cahaya bergerak pada kecepatan cahaya. Dan ia melakukannya karena bukan benda material; massanya selalu tepat nol.

Karena cahaya bergerak pada kecepatan cahaya, mari kita bayangkan seorang pengamat tanpa tubuh (pikiran murni tanpa massa) bergerak dengan kecepatan cahaya. Persamaan Einstein kemudian akan memprediksi bahwa, dari sudut pandang cahaya sendiri, ia tidak bergerak dan tidak membutuhkan waktu untuk melakukannya.

Ini menunjuk pada sesuatu yang sangat aneh tentang cahaya. Apa pun cahaya, tampaknya berada di wilayah di mana tidak ada durasi, tidak ada sebelumnya, dan tidak ada setelahnya. Hanya ada “Sekarang.”

Quantum Cahaya

Petunjuk lebih banyak tentang seperti apa itu cahaya-dan apa yang bukan-ditemukan dalam pergeseran paradigma besar lainnya dalam fisika modern, teori kuantum. Seperti halnya teori relativitas, anomali ini memicu pergeseran pemahaman tentang cahaya.

Ketika Anda meningkatkan temperatur pada sebuah batang logam, logam itu mulai bersinar dengan warna merah kusam. Ketika semakin panas, warnanya menjadi lebih cerah dan perubahan dari merah ke oranye, kemudian menjadi putih dan akhirnya membentuk percikan warna kebiruan. Tapi mengapa ini bisa terjadi? Menurut fisika klasik semua benda bersinar harus memancarkan warna yang sama, apa pun suhu mereka.

Pada tahun 1900, fisikawan Jerman Max Planck menyadari bahwa ia dapat menjelaskan perubahan dalam warna jika energinya tidak terpancarkan dalam kelancaran arus kontinu, seperti diperkirakan sebelumnya, tetapi hadir dalam paket-paket terpisah, atau kuanta (dari kata Latin kuantum, yang berarti “jumlah”). Dia mengusulkan bahwa setiap perubahan energi, apakah itu elektron dalam sebuah atom yang mengubah orbitnya, atau pemanasan kulit Anda oleh sinar matahari, terdiri dari sejumlah kuanta. Ini bisa melibatkan 1, 2, 5, atau 117 kuanta, tetapi tidak setengah quanta kuantum atau 3,6. Ketika Planck menerapkan kendala ini terhadap cahaya yang dipancarkan dari benda bercahaya yang ditemukannya itu ternyata menyebabkan perubahan warna yang diamati.

Lima tahun kemudian, pada tahun yang sama ia menerbitkan Teori Relativitas Khusus, Einstein sampai pada kesimpulan serupa. Dia mengeksplorasi efek foto-listrik yang baru ditemukan, di mana cahaya yang bersinar di logam dapat memicu pelepasan elektron. Satu-satunya cara ia bisa menjelaskan tingkat di mana elektron muncul adalah dengan menganggap bahwa cahaya ditransmisikan sebagai aliran partikel, atau foton. Masing-masing foton cahaya setara dengan salah satu kuanta Planck, atau paket energi.

Cahaya sebagai Tindakan

Satu kuantum mungkin paket terkecil dari energi yang dapat dikirim, tapi energi yang terkandung dalam satu kuantum sangat bervariasi. Sebuah foton sinar gamma, misalnya, memiliki miliaran kali lebih besar dari energi sebuah foton infra merah. Inilah sebabnya mengapa sinar gamma, sinar-X, ultraviolet dan cahaya bahkan sampai batas tertentu, bisa begitu berbahaya. Ketika foton membentur tubuh, energi yang dilepaskan dapat memisahkan molekul dalam sel. Di sisi lain, ketika sebuah foton infra merah diserap oleh tubuh, energi yang dilepaskan jauh lebih sedikit; yang dilakukan hanyalah menggetarkan molekul-molekul, memanaskan Anda sedikit.

Meskipun jumlah energi foton sangat bervariasi, ada satu aspek dari kuantum yang tetap. Setiap kuantum memiliki jumlah konstan tindakan.

Para ahli matematika mendefinisikan tindakan sebagai momentum suatu objek dikalikan dengan jarak yang dilalui; atau energi benda dikalikan dengan waktu yang ditempuh-keduanya sama. Jumlah “tindakan” pada bola yang dilemparkan di sepanjang lapangan sepak bola, misalnya, akan lebih besar dari bola yang sama dilemparkan setengah dari jarak itu. Massa bola dua kali, maka Anda membutuhkan dua kali lipat tindakan. Atau bayangkan diri Anda berjalan dengan laju output energi yang konstan. Jika Anda berjalan dua kali lebih lama, akan membutuhkan dua kali aksi.

Jumlah sebenarnya dari tindakan dalam kuantum adalah sangat kecil, sekitar 0,00000000000000000000000000662618 erg.secs (atau 6.62618×10-27 erg.secs dalam steno matematika) - tetapi selalu jumlah yang sama persis. Ini disebut konstanta Planck (berdasarkan penemunya).

Ini adalah konstanta universal yang kedua yang muncul dari fisika modern. Seperti halnya kecepatan dari cahaya itu juga konstan. Cahaya selalu hadir dalam unit tindakan yang sama. Seperti halnya relativitas, teori kuantum juga menunjukkan bahwa cahaya melampaui ruang dan waktu. Kita mungkin berpikir tentang sebuah foton yang dipancarkan dari beberapa titik dalam ruang dan bepergian ke titik lain di mana ia diserap. Tapi teori kuantum mengatakan bahwa kita tidak mengetahui apa-apa yang terjadi di sepanjang perjalanan. Foton bahkan tidak dapat dikatakan ada di antara dua titik. Yang bisa kita katakan adalah bahwa ada satu titik emisi dan titik penyerapan yang sesuai, dan transfer unit tindakan antara keduanya.

Cahaya tanpa Kecepatan

Metaparadigm materialis menganggap bahwa ruang, waktu dan materi adalah realitas primer. Teori kuantum dan relativitas menunjukkan bahwa cahaya adalah realitas yang lebih mendasar. Jika demikian, maka beberapa ahli ilmu pengetahuan yang memiliki kesulitan dengan cahaya mungkin mencoba untuk menganggap bahwa cahaya seolah-olah adalah bagian dari dunia material.

Ambil contoh, kecepatan cahaya. Sebagaimana telah kita lihat, bagi cahaya itu sendiri, waktu dan panjang menyusut menjadi nol. Dari sudut pandang foton, karena tidak ada jarak, dan tidak membutuhkan waktu untuk melakukannya. Oleh karena itu tidak membutuhkan kecepatan.

Mengapa kemudian,  cahaya tampaknya bagi kita memiliki kecepatan yang sangat pasti?

Ketika kita mengamati foton dari bingkai referensi kita, dalam arti, kita menarik keluar ruang nol dan waktu nol dari bingkai referensi foton ke jumlah tertentu ruang dan jumlah waktu yang sesuai. Jika kita bepergian mendekati kecepatan foton, kita melihat sedikit ruang dan sedikit waktu antara titik emisi dan titik penyerapan. Semakin lambat kita bergerak, semakin banyak ruang dan waktu kita mengamati foton yang telah menyeberang.

Jika kita mengamati foton melintasi ruang dan waktu, maka tampaknya kita memiliki kecepatan. Tapi itu bukan benar-benar kecepatan sama sekali. Apa yang kita amati adalah rasio di mana ruang dan waktu terwujud dalam kerangka acuan kita. Untuk setiap 186.282 mil ruang yang memanifestasikan, selalu memanifestasikan satu detik waktu. Ini adalah rasio yang konstan untuk semua pengamat, seberapa pun cepat mereka bergerak.

Cahaya yang tidak dapat diketahui

Kant pernah mengemukakan bahwa realitas fisik adalah yang tertangkap oleh indera dan ditafsirkan oleh pikiran, tetapi yang tidak pernah dialami langsung-adalah melampaui ruang dan waktu.

Seratus dua puluh tahun kemudian, kita menemukan dukungan Einstein untuk pendapat Kant. Waktu dan ruang adalah tidak mutlak. Mereka hanyalah dua tampilan yang berbeda dari realitas yang lebih dalam, kontinum ruang-waktu - sesuatu yang melampaui ruang dan waktu, tetapi dengan potensi untuk bermanifestasi sebagai ruang dan waktu. Namun kontinum ruang-waktu itu sendiri, seperti pendapat Kant, tidak pernah langsung diketahui

Cahaya juga memiliki kualitas yang tak bisa diketahui. Kita tidak pernah melihat cahaya itu sendiri. Cahaya yang mengenai mata hanya diketahui melalui energi yang dikeluarkannya. Energi ini diterjemahkan menjadi gambar visual dalam pikiran kita. Meskipun gambar ini tampaknya terdiri dari cahaya, cahaya yang kita lihat adalah kualitas yang muncul dalam kesadaran. Apa sesungguhnya cahaya itu, kita tidak pernah tahu.

Cahaya tampaknya terletak di luar jangkauan akal dan setiap pemahaman akal sehat, sebuah temuan lagi yang sejalan dugaan Kant. Alasannya, katanya, bukan kualitas intrinsik dari noumenon, tapi, seperti halnya ruang dan waktu, adalah sebagai bagian dari cara pikiran kita menterjemahkan segala sesuatu. Jika demikian, itu bukanlah hal yang mengejutkan bahwa pikiran kita begitu sulit untuk memahami sifat cahaya. Mungkin kita tidak akan pernah mampu memahaminya. Dengan cahaya kita mungkin telah mencapai ambang batas kemampuan kita untuk memahami.

Sumber: Henkykuntarto’s Blog -Wellcome to my spiritual blog

3 comments: