Tentang Sejarah Fisika : Fisika Kuantum Secara Singkat, Part 1

Strange thing in the micro world

Hal aneh di dunia mikro

Ketika kita akan melempar suatu bola maka bola itu dapat bergerak secara tepat sesuai dengan prediksi kita. Begitulah yang kita pahami mengenai jagat raya, sebelum era tahun 1900an fisikawan menganggap fisika telah final dan telah dapat menjelaskan cara kerja alam semesta secara menyeluruh secara makro world secara pasti dan deterministik. Namun pasca 1900an fisikawan yang awalnya terkejut dengan munculnya teori relativitas khusus 1905 dan relativitas umum 1915. Kembali dikejutkan dengan hal-hal aneh lainnya yang muncul dari dunia yang sangat kecil seukuran atom. Dunia mikro sangat jauh berbeda dengan dunia makro yang kita tempati. Hal-hal yang kita anggap nyata dalam dunia makro terdiri dari hal-hal yang tidak dapat dianggap sebagai nyata. Dalam ranah ini hal yang sangat kecil bisa berada di dua tempat sekaligus yang ditentukan oleh probabilitas, dan hal ini dapat mengubah pandangan kita tentang alam semesta itu sendiri.

Classical physics

Fisika Klasik

Fisika klasik yang berpatokan pada newton sebagai fondasi mekanika klasik yang dikembangkan lagrange dan hemilton pada saat itu telah dapat menjelaskan segala hal yang berkaitan dengan gerak benda pada dunia makro. Begitu juga fondasi dari teori mengenai cahaya Rayleght dan A.J. Fresnel diperkuat dengan teori gelombang elektromagnetik oleh Maxwell dianggap telah dapat menjelaskan segala hal mengenai cahaya. Fisikawan menganggap fisika telah cukup dan dianggap telah mampu menjelaskan cara kerja alam semesta yang deterministik. Fisikawan percaya bahwa semua masalah fisika (di alam) dapat diselesaikan apabila kita mengetahui initial condition (kondisi awal) dan hukum alam yang mengaturnya. Alam semesta dianggap memiliki aturan yang sangat ketat (yang disebut hukum alam) dan aturan itu dapat dicari melalui observasi dan eksperimen. Hubungan sebab-akibat muncul sebagai produk hukum alam yang bekerja secara berantai dan pasti sehingga prediksi terhadap hal yang akan terjadi dapat dilakukan. Pemikiran ini dikenal sebagai determinism (paham determinisme).

Determinisme secara inheren ada pada fisika klasik hal ini ditandai apabila kita melihat hukum ke-2 Newton tentang gerak dimana :

hal ini didapatkan dari formulasi umum yang biasa kita lihat yaitu

dengan melakukan substitusi nilai.

Berdasarkan persamaan itu apabila kita mengetahui resultan gaya, posisi dan kecepatan awal dari suatu benda bermassa maka kita dapat mengetahui keberdaan/ state-nya pada setiap waktu. Dengan ini selama abad 18 dan 19 penjelasan mengenai Gerakan benda-benda langit dapat di prediksi. Dimana hal ini bersifat sangat deterministik dimana segala hal yang terjadi di alam semesta telah ditentukan dari awal dan tidak dapat berubah.

Black Body Radiation, ultraviolet catastrophe, and Quanta

Radiasi Benda Hitam, Bencana Ultra-Ungu, dan kuanta

Kegagalan pertama fisika klasik adalah pada penjelasan tentang spektrum kontinu dari suatu benda hitam. Para sarjana fisika pada masa itu telah mengetahui apabila suatu filamen dipanaskan dengan listrik maka ia akan bersinar hal itu dimanfaatkan menjadi objek yang dapat menerangi setiap malam yang disebut sebagai lampu.

Namun mereka menyadari bahwa terdapat hubungan antara tempratur dari filamen dengan pergeseran warna dari cahaya yang dihasilkan oleh filamen bola lampu tersebut. Hal ini ditandai dengan sebuah pertanyaan mengenai mengapa warna dari filamen berubah Ketika ia menjadi lebih panas?. Semakin panas filamen maka warnanya akan berubah dari merah, oranye, dan kuning. Sehingga Max Planck membuat suatu alat yang disebut sebagai Black Body Radiator, yang mampu mendeteksi frekuensi cahaya yang dihasilkan pada suhu tertentu. Iya melihat warna bergeser dari merah, oranye, hingga biru. Berdasarkan ini kita bisa mengetahui spektrum dari cahaya. Tapi dengan menaikan suhu lebih tinggi lagi spektrum cahaya bergeser kea pa yang kita sebut sebagai ultraviolet (ultra-ungu) dengan frekuensi yang tinggi.

1905 Lord Rayleigh dan Sir James Jeans membuat persamaan densitas energi dari sebuah benda hitam yang disebut persamaan Rayleigh-jeans. persamaan ini kita dapat meramalkan berapa daya energi radiasi benda hitam yang dipancarkan oleh benda hitam hanya dengan mengetahui frekuensinya. Namun masalah terjadi untuk frekuensi tinggi benda hitam akan menghasilkan daya energi yang sangat besar bahkan mendekati takhingga. Hal ini mengakibatkan apabila kita terkena cahaya ultra ungu yang mana merupakan spektrum cahaya yang berfrekuensi tinggi maka menurut persamaan Rayleigh-Jeans energinya akan mendekati tak hingga. Keruntuhan persamaan Rayleigh-Jeans ini disebut dengan Ultraviolet catastrophe (Bencana Ultra-ungu). Rayleigh-Jeans mengganggap cahaya adalah sesuatu yang kontinu dalam formulasi persamaannya yang artinya menganggap cahaya adalah suatu gelombang, disaat yang lain Max Plack melakukan perumusan yang mirip namun ia berpatokan pada hipotesanya yang mengganggap bahwa cahaya adalah sesuatu yang terputus-putus/terdiskritisasi dimana cahaya adalah kotak-kotak tak bermassa yang disebut sebagai quanta (kuanta). Dengan begitu, Planck dapat mengoreksi besarnya daya energi oleh frekuensi cahaya ultra-ungu dan menyelesaikan permasalahan mengenai Ultraviolet catastrophe (Bencana Ultra-ungu). Yang menarik disini adalah cahaya harus dalam bentuk diskrit quanta (kuanta) untuk bisa menyelesaikan masalah Ultraviolet catastrophe (Bencana Ultra-ungu) yang artinya cahaya tidak seharusnya merupakan gelombang.

Photo Electric Effect

Efek Fotolistrik

Berdasarkan temuan Max Planck, Albert Einstein bersamaan dengan karya ilmiahnya tentang relativitas ia juga melakukan percobaan lain dan berteori tentang efek fotolistrik. Yang secara sederhana Einstein menembakkan cahaya pada plat logam yang tentu saja terdiri dari atom-atom dan terdapat electron didalamnya cahaya ini dianggap berbentuk diskrit yang disebut sebagai foton. Dalam efek fotolistrik ini ingin dibuktikan bahwa terdapat hubungan antara Energi dan frekuensi pada cahaya yang terdiskritisasi seperti pada apa yang dikemukakan oleh Max Planck. Dan yang terjadi adalah ketika foton dengan frekuensi tertentu mengenai plat logam electron yang ada didalam logam melepaskan diri dari plat logam tersebut. Dan apabila frekuensi cahaya diganti menjadi frekuensi yang tinggi kecepatan electron yang telah bebas dari plat bertambah cepat. Hal ini menandakan bahwa foton memiliki energi yang bergantung pada frekuensinya dan energi dari foton digunakan oleh electron dikonversi menjadi energi kinetic untuk bergerak. Hal ini dapat terjadi apabila cahaya adalah diskrit, kala itu fisikawan Kembali kebingungan mengenai cahaya karena apabila cahaya itu diskrit maka cahaya adalah partikel.

Double Slit Experiment and Wave-Particle Dualism,

Eksperimen Celah Ganda dan Dualisme Gelombang-Partikel

Keberhasilan efek fotolistrik Einstein menyisakan sebuah pertanyaan, apakah sebenarnya cahaya itu?. Gelombang sebegaimana fisikawan sebelumnya ungkapkan bahwa cahaya dapat dibiaskan, di difraksikan dll membuktikan sifat gelombangnya. Namun berdasarkan penjelasan mengenai Ultraviolet catastrophe (Bencana Ultra-ungu) dan Efek Fotolistrik mengharuskan cahaya adalah partikel. Beberapa tahun setelahnya hal yang lebih aneh muncul dalam sebuah eksperimen, yang disebut Double Slit Experiment. Sebelumnya Pada tahun 1801 Young menemukan property khas yang dimiliki gelombang cahaya yaitu pada percobaan celah ganda yang ia lakukan yang disebut sebagai difraksi dengan menghasilkan pola interfrensi yang berupa pola gelap terang yang terbentuk dari cahaya yang saling menguatkan (konstruktif) dan melemahkan (destruktif). 1927 Davisson dan Germer di Amerika Serikat dan G. P. Thompson di Inggris melakukan Kembali percobaan celah ganda ini namun yang didifraksikan bukanlah cahaya melainkan partikel electron yang ditembakkan satu persatu. Dari percobaan ini menghasilkan sesuatu yang aneh, yaitu pola interfrensi yang sama muncul dari percobaan celah ganda dengan menggunakan electron ini.

Hal ini sangat aneh karena begaimana mungkin partikel mengalami difraksi yang sama dengan gelombang. Kemudian dalam percobaan dipasang detektor electron pada celah ganda tersebut untuk mengetahui lewat mana electron tersebut masuk Ketika ditembakkan satu persatu. Ketika detektor dipasang percobaan diulangi hal yang mengejutkan terjadi pola interfrensinya lenyap dan tidak berbentuk sama. Namun apabila detektornya dihilangkan maka pola interfrensi terbentik. Hal ini sangat aneh karena detektor tidak mungkin mengganggu gerak elektronnya. Dikarenakan difraksi adalah sifat dari gelombang maka Ketika melewati celah ganda partikel electron menjadi gelombang dalam keadaan superposisi. Superposisi sendiri dalam gelombang adalah perpaduan dari banyak gelombang yang menjadi satu. Dalam superposisi gelombang ini partikel dapat berada pada 2 posisi mana saja pada waktu yang sama bergantung pada probabilitasnya. Artinya electron bisa saja melewati kedua celah pada waktu yang bersamaan dan berinterfrensi oleh dirinya sendiri hingga layar memaksanya untuk kehilangan kondisi superposisinya dan memaksanya berubah wujud menjadi partikel karena terjadi pengukuran oleh detektor layar. Hasilnya adalah yang ditemui di layar berupa pola interfrensi. Louis De Broglie mengajukan Hipotesa bahwa setiap partikel memiliki dualisme yaitu berlaku sebagai partikel itu sendiri sekaligus sebagai gelombang terbukti oleh percobaan ini bahwa electron yang merupakan partikel dapat bersifat seperti gelombang. Selanjutnya disini kita dapat melihat bahwa terdapat problem yang tidak dapat dihindari problem ini disebut “measurement problem” atau masalah pengukuran. Sesuai dengan percobaan itu apabila kita melakukan pengukuran pada celah, hal ini akan memaksa electron kehilangan keadaan superposisinya, karena kita secara presisi mengukur posisi dari electron tersebut. Hal ini kemudian mendorong teori-teori baru yang akan menjadi dasar dari fisika kuantum yaitu Heisenberg Uncertainty Principle (Prinsip Ketidakpastian Heisenberg).