Tentang Sejarah Fisika : Fisika Kuantum Secara Singkat, Part 2

Collapse of determinism: atom and the uncertainty principle.

keruntuhan determinisme: atom dan prinsip ketidakpastian

Pasca relativitas basis dasar pandangan deterministik alam semesta berdasarkan fisika Newtonian menghadapi tantangan. Dekat setalah itu tahun 1910 Ernest Rutherford melakukan sebuah percobaan dengan menggunakan sinar alfa, yaitu sinar yang dipancarkan oleh inti atom berupa inti atom helium. Pada percobaan itu Rutherford menembakan Sinar alfa yang ke lempengan emas dan berhasil menemukan bahwa atom memiliki sebuah inti, yang ia sebut sebagai nucleus. Kemudian berdasarkan percobaan itu Rutherford membuat model atomnya sendiri, namun Rutherford tak mampu menjelaskan mengenai kestabilan inti. Pada atom hidrogen dengan 1 buah inti dan 1 elektron. Namun apabila didasarkan pada teori elektromagnetik, electron akan jatuh menuju ke inti Ketika memancarkan elektromagnetik. Problem ini diselesaikan oleh Niels Born, Model hidrogen Bohr didasarkan pada asumsi non-klasik bahwa elektron bergerak di kulit atau orbit tertentu di sekitar inti dan hanya dapat menambah dan mengurangi energi secara diskrit tidak secara kontinu, sehingga elekron tidak mungkin jatuh ke inti. Berdasarkan penyempurnaan dari Born kegagalan teori atom Rutherford dalam menjelaskan kestabilan inti dapat terjawabkan namun tentu saja masih belum lengkap. Teori Born hanya berlaku pada atom berelektron satu.

Ketika kita mengamati objek disekitar kita, tentu saja kita akan menganggap bahwa benda-benda itu memiliki posisi yang jelas dalam ruang dan waktu. Setidaknya begitulah pandangan fisika klasik terhadap suatu objek. Dalam fisika kuantum posisi, kecepatan, momentum suatu benda tidak benar-bendar ada dalam ruang dan waktu. Yang ada hanya fungsi gelombang yang tersebar dalam ruang dan waktu yang hanya mampu memberitahu kita mengenai probabilitas dari posisi, kecepatan, dan momentum suatu benda dan hanya akan muncul apabila kita melakukan pengukuran. Dalam dunia mikro, fungsi gelombang benda besar begitu terlokalisasi sehingga kita tidak merasakan ketidakpastian itu. Untuk melihat efek dari pengukuran tadi hanya dapat terlihat dalam skala sangat kecil. Jika kita melihat Kembali solusi teori atom Niels Born pada atom hydrogen, solusi kuantum pada teori atomnya dimana ia berteori bahwa electron berputar mengitari proton hanya pada orbit tertentu. Pada teori atomnya Stabilitas terjadi karena momentum sudutnya akan menjadi kelipatan bilangan bulat dari konstanta planck (h/2phi) dan electron hanya akan berpindah orbit hanya jika mengemisikan elektromagnetik. Pada teori atom born dengan kalkulasi matematika jarak terendah dari orbit electron didapatkan sebesar 5,29 x 10^-11 meter yang disebut sebagai born radius. Solusi born ini bertumpu pada teori Planck yang menunjukan bahwa energi terkuantisasi secara diskrit.

Apabila kita mengingat lagi mengenai eksperimen celah ganda electron tidak memiliki posisi pasti Ketika akan melewati celah, yang ada hanyalah sebuah ketidakpastian. Hal ini membuat seorang ilmuan jerman, Heisenberg pada tahun 1927 menemukan hal penting yang akan menjadi dasar dari fisika kuantum. Sebuah persamaan yang akan merubah pandangan fisika sebagai ilmu yang determnistik menjadi probabilistic (persaamaan diturunkan dengan matematika tingkat lanjut jadi diberikan persamaan yang sudah jadi).

Dalam persamaan menyatakan apabila kita melakukan pengukuran (measurement) pada suatu partikel semakin presisi posisi suatu partikel maka akan semakin besar ketidak pastian dari momentumnya, persamaan ini disebut sebagai Heisenberg Uncertainty Principle (Prisip Ketidakpastian Heisenberg). Namun ketidakpastian itu tidak berasal dari ketelitian kita dalam mengukur, melainkan itu adalah limitasi dari dari realitas itu sendiri. Apabila atom hydrogen pada keadaan energi dasarnya dihitung posisinya menggunakan prinsip ketidakpastian Heisenberg posisi suatu electron apabila ia memiliki ketidakpastian momentum 10% maka posisi keadaan energi dasarnya adalah sebesar 26 x 10^-11 meter. Apabila kita memperhatikannya lagi apabila prinsip ketidakpastian diterapkan pada elektron atom hidrogen dengan ketidakpastian momentum hanya 10% kita mendapatkan nilai yang sangat jauh dengan kalkulasi Born atau Born radius yaitu 5,29 x 10^-11 meter. Sebuah perbedaan nilai yang sangat besar apabila dibandingkan. Hal ini menyatakan bahwa teori atom born pun belumlah tepat dan belum lengkap. Sehingga teori atom kuantum yang dikenal sekarang berdasarkan prinsip ketidakpastian Heisenberg terdiri dari proton dan “awan electron” yang berisi probabilitas electron dan untuk menentukan probabilitas kita dapat menemukannya dengan menggunakan persamaan Schrodingger.