Fenomena yang mendasari Lahirnya Fisika Kuantum
Dasar dimulainya periode fisika kuantum
adalah ketika fisika klasik tidak bisa menjelaskan gejala-gejala fisika
yang bersifat mikroskofis dan bergerak dengan kecepatan yang mendekati
kecepatan cahaya. Oleh karena itu, diperlukan cara pandang yang berbeda
dengan sebelumnya dalam menjelaskan gejala fisika tersebut.
Sejarah fisika kuantum dimulai ketika
Michael Faraday menemukan sinar katoda. Kemudian pada tahun 1859-1860,
Gustav Kirchoff memberikan pernyataan tentang radiasi benda hitam. Pada
tahun 1887 Ludwig Boltzman menyatakan bahwa bentuk energi pada sistem
fisika berbentuk diskrit.
Pada tahun 1900 fisikawan Jerman, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi itu terkuantisasi. Ide ini muncul berkenaan dengan situasi pada saat tersebut yaitu ketika para ilmuan tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi spectrum cahaya yang dipancarkan oleh suatu benda mampat pada temperatur tertentu yang dikenal dengan radiasi benda hitam. Teori fisika klasik pada saat itu tidak bisa menjelaskan kenapa cahaya selain cahaya tampak, cahaya-cahaya lain yang tidak tampak pun dipancarkan. Hal tersebut menunjukan bahwa untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ternyata benda tidak perlu terlalu panas, bahkan pada suhu kamar pun benda tetap bisa memancarkan gelombang elektromagnetik.
Sifat yang diamati dari radiasi benda hitam ini tidak bisa diterangkan oleh teori-teori fisika yang berkembang pada saat itu.Sampai akhirnya Planck menurunkan persamaan yang dapat menerangkan radiasi spectrum ini sebagai fungsi temperatur dari benda yang meradiasikannya dan memandang bahwa radiasi ini dipancarkan tidak dalam bentuk kontinu tapi dalam bentuk paket-paket energi yang disebut kuanta. Besarnya energi yang diradiasikan itu sebanding dengan frekuensi v. Setiap paket energi tersebut meradiasikan energi sebesar:
E = hv
Dengan h merupakan konstanta
Planck.Planck juga tidak menyangsikan teori klasik yang diterima pada
waktu itu yaitu bahwa cahaya diradiasikan dalam bentuk gelombang bukan
dalam bentuk partikel yang membuat teori tersebut tidak bisa menjelaskan
fenomena radiasi benda hitam ini.
Eksperimen mendasari perkembangan FIsika Kuantum
1) Thomas Young dengan eksperimen celah ganda mendemonstrasikan sifat gelombang cahaya pada tahun 1805.
2) Henri Becquerel menemukan radioaktivitas pada tahun 1896.
3) J.J. Thompson dengan eksperimen sinar katoda menemuka electron pada tahun 1897.
4) Studi radiasi benda hitam antara 1850 sampai 1900 yang dijelaskan tanpa menggunakan konsep mekanika kuantum.
5) Einstein menjelaskan efek foto listrik pada tahun 1905 dengan menggunakan konsep foton dan partikel cahaya dengan energi terkuantisasi.
6) Robert Milikan menunjukan bahwa arus listrik bersifat seperti kuanta dengan menggunakan eksperimen tetes minyak pada tahun1909.
7) Ernest Rutherford mengungkapkan model atom pudding yaitu massa dan muatan postif dari atom terdistribusi merata dengan percobaan lempengan emas pada tahun 1911.
8) Otti Stern dan Walther Gerlach mendemonstrasikan sifat terkuantisasinya spin partikel yang dikenal dengan eksperimen Stern Gerlach pada tahun 1920.
9) Clinton Davisson dan Lester Germer mendemondtrasikan sifat gelombang dari electron melalui percobaan difraksi electron pada tahun 1927.
10) Clyde L. Cowan dan Frederick Reines menjelaskan keberadaan neutrino pada tahun 1955.
11) Clauss Jonsson dengan eksperimen celah ganda menggunakan electron pada tahun 1961.
12) Efek Hall kuantum yang ditemukan oleh Klaus von Klitzing pada tahun 1980.
13) Eksperimental verivication dan quantum entanglement oleh Alain Aspect pada tahun 1982.
Perkembangan Fisika Kuantum
Pada tahun 1905, Albert Einstein
berhasil menjelaskan efek foto listrik dengan didasari oleh pendapat
Planck lima tahun sebelumnya dengan mempostulatkan bahwa cahaya atau
lebih khususnya radiasi elektromagenetik dapat dibagi dalam paket-paket
tertentu yang disebut kuanta dan berada dalam ruang. Energi berhasil
menjelaskan bahwa untuk membuat electron terpancar dari permukaan logam
diperlukan cahaya yang menumbuk.Cahaya tersebut harus memiliki frekuensi
melebih frekuensi ambang dari logam tersebut.Efek foto listrik ini
tidak bergantung pada intensitas cahaya yang ditembakan seperti
pandangan mekanika klasik tetapi hanya bergantung pada frekuensinya
saja.Walaupun cahaya lemah ditembakan tetapi memiliki frekuensi yang
melebihi frekuensi ambang ternyata ada electron yang dipancarkan.
Pernyataan Einstein bahwa cahaya
teradiasikan dalam bentuk paket-paket energi yang kemudian disebut
kuanta dinyatakan dalam jurnal kuantum yang berjudul "On a heuristic
viewpoint concerning the emission and transformation of light" pada
bulan Maret 1905.Pernyataan tersebut disebut-sebut sebagai pernyataan
yang paling revolusioner yang ditulis oleh fisikawan pada abad ke-20.
Paket-paket energi yang pada masa itu
disebut dengan kuanta kemudian disebut oleh foton, sebuah istilah yang
dikemukakan oleh Gilbert & Lewis pada tahun 1926.Ide bahwa tiap
foton harus terdiri dari energi dalam bentuk kuanta merupakan sebuah
kemajuan.Hal tersebut dengan efektif merubah paradigma ilmuwan fisika
pada saat itu yang sebelumnya menjelaskan teori gelombang.Ide tersebut
telah mampu menjelaskan banyak gejala fisika pada waktu itu.
Teori kuantum yang menyatakan bahwa
cahaya teradiasi dalam bentuk paket-paket energi secara terpisah dan
diserap oleh electron secara individual berhasil menjelaskan efek foto
listrik dengan baik yaitu pada intensitas cahaya yang lemah pun bisa
terpancarkan electron dari logam asalkan frekuensi cahaya yang diberikan
melebihi frekuensi ambang dari logam yang disinari. Hal ini tidak bisa
dijelaskan oleh teori gelombang yang dianut para fisikawan pada saat
itu. Namun, teori gelombang tentang cahaya ini juga dapat menjelaskan
dengan baik bagaimana terjadinya difraksi dan interferensi cahaya yang
menganggap bahwa cahaya teradiasikan dalam bentuk gelombang yang
menjalar seperti riak air ketika sebuah benda jatuh ke dalam air.
Pada tahun 1913, Neils Bohr mencoba
menjelaskan garis-garis spectrum dari atom hydrogen dengan menggunakan
teori kuantisasi.Penjelasannya ini di terbitkan pada bulan Juli 1913
dalam papernya yang berjudul On the Constitution of Atoms and Molecules.
Teori ini ia kemukakan untuk mendapat gambaran yang lebis jelas tentang
bagaimana struktur atomic yang terdapat dalam benda. Ilmuwan sebelumnya
yang berusaha menjelaskan tentang struktur atom adalah J.J. Thompson
yang menyatakan bahwa atom seperti sebuah bola yang bermuatan postif
serba sama yang mengandung electron dan tersebar merata di permukaannya.
Namun, ternyata teori Bohr ini tidak
bisa menjelaskan mengapa garis spectral tertentu berintensitas lebih
tinggi dari yang laiinya.Selain itu, teori ini tidak bisa menjelaskan
hasil pengamatan bahwa banyak garis spectral sesungguhnya terdiri dari
garis-garis terpisah yang panjang gelombangnya sedikit berbeda. Yang
paling penting, teori Bohr ini tidak dapat menjelaskan bagaimana
interaksi atom-atom penyusun ini bisa menyusun kumpulan makroskopis yang
memiliki sifat fisika dan kimia seperti yang kita amati sekarang.
Walaupun teori Bohr tidak terbukti
secara eksperimen, namun hal ini menjadi sebuah catatan yang merubah
paradigma para ilmuwa saat itu tentang bagaimana menjelaskan gejala
tomik dengan memakai pendekatan yang lebih umum.Hal ini kemudian
dilakukan oleh ilmuwan-ilmuwan lainnya ditahun-tahun selanjutnya.
Dari diskusi Henri Poincare tentang
teori Planck pada tahun 1912, tulisannya yang berjudul Sur la theorie
des quanta menyatakan bahwa walaupun teori tentang kuantisasi energi ini
berhasil dan cukup fenomenal, namun pada saat itu tidak ada
pertimbangan yang tepat tentang kuantisasi. Oleh karena itu, kemudian
teori tersebut disebut dengan teori kuantum lama.
Kemudian pada tahun 1931 kata fisika
kuantum pertama kali diungkapkan oleh Johnston dalam bukunya yang
berjudul Planck's Universe in Light of Modern Physics.
Pada tahun 1924, seorang fisikawan
Perancis, Louis de Broglie menyatakan teorinya tentang gelombang materi
dengan menyatakan bahwa partikel dapat menunjukan sifat gelombang dan
sebalikanya.Teori ini berlaku utuk partikel tunggal.Teori tersebut
diambil dari teori relativitas khusus.
Kemudian berdasarkan pemikiran de
Broglie mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925 yaitu ketika
fisikawan Jerman, Werner Heisenberg dan Max Born mengembangkan mekanika
matriks. Selain itu, Erwin Schrodinger seorang fisikawan Austria
menemukan mekanika gelombang dan persamaan non-relativistik Schrodinger
sebagai pendekatan terhadap kasus umum dari teori de Broglie.Schrodinger
menunjukan bahwa kedua temuannya eqivalen.
Pada tahun 1926 Einstein pernah bertanya
kepada W. Heisenberg di Berlin "Filosofi apa yang mendasari anda
mengenai teori aneh anda? Teori tersebut terlihat menarik, tetapi apa
yang dimaksud dengan kuantitas yang dapat diamati saja?" W. Heisenberg
menjawab bahwa ia tidak percaya kepada keberadaan jejak-jejak dalam
kamar kabut. Kemudian Einstein menimpali: "tetapi anda harus menyadari
bahwa hal tersebut sangatlah salah". W. Heisenberg menjawab lagi "tetapi
kenapa kalau sementara hal ini tidak benar sedangkan anda
menggunakannya". Einstein mengatakan bahwa "I may have used it, but
still it is nonsense"!
Bagi Heisenberg, penegasan Einstein
tersebut sangat bermanfaat dalam penelitian selanjutnya bersama dengan
Neils Bohr. Penegasan tersebut sekaligus mengingatkan bahwa akan sangat
membahayakan apbila hanya meneliti tentang kuantitas yang teramati saja,
padahal disamping semua kuantitas yang dapat diamati secara langsung
masih banyak hal yang dimungkinkan untuk dapat diamati secara tidak
langsung. Akhirnya Heisenberg mengakuinya dengan mengemukakan "this was
that one should not strick too much to one special group of experiments;
one should rather try to keep in touch with all the developments in all
the relevant experiments so that one should always have the whole
picture in mind before one tries to fix a theory in mathematical or
other languages".
Heisenberg merumuskan prisip
ketidaktentuannya pada tahun 1927. Interpretasi Copenhagen juga mulai
melakukan hal yang sama pada saat itu. Kemudian dimulai pada sekitar
tahun 1927 Dirac memproses penyatuan mekanika kuantum dengan relativitas
khusus dengan mengajukan persamaan dirac untuk elektron. Persamaan
dirac mampu menjelaskan gambaran relativistic dari fungsi gelombang dari
sebuah electron yang gagal dijelaskan oleh Schrodonger.
Persamaan dirac memprediksikan spin
electron dan menuntun Dirac untuk meramalkan keberadaan positron. Dia
juga merintis penggunaan tools matematika dalam menjelaskan teori,
termasuk notasi bra-ket.Hal ini digambarkan dalam bukunya yang terkenal
pada tahun 1930.
Pada periode yang sama, seorang polimat
John Von Neumann merumuskan dasar matematika yang tepat untuk mekanika
kuantum yaitu teori operator linear. Hal tersebut digambarkan dalam
bukunya pada tahun 1932.
Bidang ilmu kimia kuantum dirintis oleh
fisikawan Walter Heitler dan Fritz London yang mempublikasikan suatu
studi tentang ikatan kovalen dan molekul hydrogen pada tahun 1927. Kimia
kuantum dibangaun oleh banyak orang termasuk kimiawan teori Amerika,
Pauling dan John C Slater ke dalam banyak teori misalnya teori molekuler
orbit dan teori valensi.
Pada tahun 1927 mulai dilakukan
penerapan mekanika kuantum untuk sebuah bidang yang lebih dari partikel
tunggal, yang menghasilkan teori medan kuantum. Orang-orang yang pertama
kali menekuni bidang ini diantaranya adalah P.A.M. Dirac, W. Pauli, V.
Weisskopf, dan P. Jordan.Penelitian ini mencapai puncaknya ketika
perumusan elektrodinamika kuantum oleh R.P. Feynmen, F. Dyson, J.
Schwinger, dan S.I Tomonaga sepanjang tahun 1940. Kuantum
elektrodinamika merupakan teori kuantum tentang electron, positron, dan
medan electromagnet.
Teori kuantum chromoynamics pertama kali
dirumuskan pada awal tahun 1960.Teori tersebut dirumuskan oleh
Politzer, Gross dan Wilczek pada tahun 1975. Kemudian berdasarkan pada
hasil dari pekerjaan yang dipelopori oleh Schwinger, Higgs dan
Goldstone, fisikawan Glashow, Weinberg dan Salam menunjukan bagaimana
gaya nuklir lemah dan kuantum elektrodinamika dapat disatukan ke dalam
gaya listrik lemah. Dari hal tersebut pada tahun 1979 mereka menerima
hadiah nobel dalam bidang fisika.
Tambahan:
Dalam pandangan fisika kuantum
1) Kita mengenal apa yang disebut medan
gaya. Medan ini dapat didefinisikan sebagai struktur tidak terlihat
yang menempati ruang angkasa dan kita mengenali melalui pengaruhnya.
2) Medan-medan ini menurut Gary Zukav,
“merupakan inti alam semesta. Benda-benda yang kita amati dalam berbagai
percobaan, yakni manifestasi fisik materi sebagai partikel, merupakan
efek sekunder dari Medan”3). Kesimpulan ilmiah ini mau tidak mau
mendorong para ilmuwan untuk menjauhi cara berfikir materialistik dan
parsial yang dominan. Sebaliknya, teori medan memaksa ilmuwan untuk
berfikir tentang sebuah alam yang mengandung berbagai pengaruh yang
saling bertemu dan struktur tak terlihat saling berhubungan.
3) Kesadaran akan keberadaan Sang Maha
Cerdas telah memasuki bumi, turun ke dalam mencapai hubungan puncak.
Sebuah peradaban baru telah lahir. Sekarang kita tepat berada di
tengah-tengah masa transisi dimana dua dunia bercampur; dunia lama tetap
bertahan dengan begitu kuatnya dan terus saja mendominasi kesadaran
kaum awam, dan kesadaran baru muncul secara diam-diam, evolutif, tanpa
diketahui sampai sedemikian rupa sehingga secara eksternal dunia telah
sedikit demi sedikit berubah untuk sementara waktu, kemudian dunia baru
ini akan bergulir, tumbuh sampai pada suatu hari akan menjadi cukup kuat
untuk berdiri sendiri.
4) Menurut Einstein, bahwa ruang dan
waktu bukanlah entitas-entitas terpisahkan. Keduanya merupakan sebuah
kontinum, atau aspek-aspek yang berbeda dari sesuatu yang penting dan
sama. Kemampuan puncak saling bertukar tempat dari keduanya seperti
kemampuan yang dimiliki materi dan energi.
5) Tulisan yang tersebut di atas
sengaja kami paparkan sebagai prolog karena dalam kehidupan zaman
sekarang ini sesungguhnya kita sudah masuk ke zaman nuklir, ada
pengalaman menarik yang dialami oleh seorang penulis Argentina Jorge
Luis Borges yang terkagum-kagum ketika memahami mistik dan fisika
kuantum, dia menjelaskan sebuah pandangan yang biasanya dimiliki oleh
para mistikus dan idealis, yakni sifat halusinatif dunia ini. Katanya,
“Kita (Tuhan Yang Maha Esa yang bekerja pada diri kita) telah memimpikan
dunia ini. Kita telah memimpikannya sebagai abadi, misterius dan dapat
dilihat, hadir dalam ruang dan tetap dalam waktu; tetapi kita setuju
dengan interval-interval ketidak logisan arsitektur dunia yang renggang
dan kekal yang mungkin kita mengetahui bahwa itu keliru”, papar Jorge
Luis Borges.
6) Demikianlah celotehan para fisikawan
quantum yang merasakan keberadaan Dzat Maujud Mutlak yang berada di
luar cakrawala pengetahuan dan pengalaman manusia.Data yang ada pada
manusia hanya memungkinkan cakrawala itu bergeser, sehingga medan
pemahaman tentangnya makin bertambah. Demikianlah para ilmiawan itu
mengintip lewat celah-celah fisika kuantum, makin hanyut dalam
ketakjuban. (QS. Al Mulk:4).
Dalam bahasa matematika batas atas disebut limit.Definisi limit adalah nilai-nilai suatu pengalaman manusia senantiasa mendekati ambang limit, tetapi dia takkan bisa melampauinya.Ambang limit itu sendiri merupakan ungkapan yang tak terbatas dan tak terperikan.Kehendak melampaui ambang ini adalah upaya mahluk keluar dari ketaksempurnaan dirinya. Akan tetapi, begitu ia keluar dari ambang ini, ia akan tertelan dalam Kekosongan - jati diri eksistensinya akan lenyap dalam Ketakterbatasan. Pada saat dengan fana oleh ahli makrifat.
7) Mengikuti firman Allah :Semua yang
berada di alam (ciptaan) akan merasakan fana (musnah, binasa). Dan tetap
kekallah Wajah Tuhanmu yang mempunyai kebesaran dan kemuliaan. (QS. Ar
Rahman : 26-27).Bahasa sebagai hasil pengalaman manusia tidak akan bisa
menangkap Ketakterbatasan, karena hal itu bertentangan dengan kodrat
penalaran manusia yang cenderung mengurai, dan membatasi. Sesuatu yang
tak terungkap dan tak terbatas, pastilah tak kan terurai. Artinya
sesuatu yang tak terurai ini tidak mungkin dicerap oleh manusia. Wujud
Mutlak atau Pewujud berada di luar analitis dan definisi, observasi
ataupun verifikasi, ia hanya bisa di umpamakan dan dibayangkan, disembah
dan dipuji, diagungkan dan diseru dengan keimanan dan penghambaan.
Lalu bagaimana cara mengenal Wujud
Mutlak ini?Caranya mintalah kepada-Nya untuk memperkenalkan
Diri-Nya.Agama adalah wilayah pengungkapan Ilahi.Melalui kalam dan wahyu
Ilahi wujud mutlak atau Allah itu memperkenalkan Diri-Nya dalam bahasa
perumpamaan (mitsal) dan tanda (ayat) yang bisa dipahami oleh pikiran
manusia.
Untuk memperkenalkan Diri-Nya, Allah
menciptakan tanda-tanda dan perumpamaan.Dengan tanda dan perumpamaan ini
Allah menyingkapkan Diri-Nya kepada mahluknya.
Sebagai contoh, ketika X bergerak kita
memahami bahwa gerakan X adalah proses yang harus dilalui X untuk menuju
kepada kesempurnaannya. Tentunya pusat yang dituju oleh X tidak mungkin
bergerak-gerak, karena akan menggugurkan asumsi bahwa gerakan adalah
proses penyempurnaan. Oleh karena itu, mesti kita simpulkan bahwa
gerakan semua benda menuju kepada Pusat yang tidak bergerak, yakni Wujud
yang Maha Sempurna sehingga Wujud itu kita sebut Penggerak yang tidak
bergerak.
Bibliography:
1) Talbot, Michael; Mistisisme dan Fisika Baru, (Asli : Mysticism and the new Phisycs. Beyond Space and Time, Beyond God, to the Ultimate Cosmic Consciousness)Pustaka Pelajar, Yogyakarta, 2002, hal. 258
2) Margaret J. Wheatley, Leadership and the New Sciences, Abdi Tandur, 1997 hal. 35
3) Gary Zukav, The Dancing Wu Li Masters, Bantam books, 1979, hal 199
4) Talbot Michael; ibid, Satprem, Sri Aurobindo or the adventure of consciousness, hal. 149
5) Talbot Michael, Ibid, hal. 119
6) Talbot Michael, Ibid, hal,1
7) Kahzim, Musa; Tafsir Sufi Mendedah Masalah Ketuhanan dalam Al Quran, Penerbit Lentera Basritama, Jakarta, 2003. (Hal. 44-63)
Glossary :
1) Fisika Quantum = Cabang fisika yang mempelajari atom-atom
2) Kuantum = Satuan diskret energy
3) Medan gaya = Ruang dimana garis-garis gaya listrik, magnetik atau dinamis bekerja
tulisannya keren-keren, semoga bermanfaat.
ReplyDelete