Tentang Fenomena yang Mendasari Lahirnya Fisika Kuantum
Dasar dimulainya periode
fisika kuantum adalah ketika fisika klasik tidak bisa menjelaskan gejala-gejala
fisika yang bersifat mikroskopis 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 ilmuwan tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi spektrum 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 Max Planck menurunkan persamaan yang
dapat menerangkan radiasi spektrum 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 elektron 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 elektron
melalui percobaan difraksi elektron 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 Max
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 elektron 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 ditembakkan tetapi
memiliki frekuensi yang melebihi frekuensi ambang ternyata ada elektron 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 elektron secara individual berhasil menjelaskan efek
foto listrik dengan baik, yaitu pada intensitas cahaya yang lemah pun bisa
terpancarkan elektron 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 spektrum dari atom hidrogen dengan
menggunakan teori kuantisasi. Penjelasannya ini diterbitkan 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 atomik 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
elektron dan tersebar merata di permukaannya.
Namun ternyata teori Bohr
ini tidak bisa menjelaskan mengapa garis spektral tertentu berintensitas lebih
tinggi dari yang lainnya. Selain itu, teori ini tidak bisa menjelaskan hasil pengamatan
bahwa banyak garis spektral 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 ilmuwan saat itu tentang bagaimana menjelaskan gejala atomik
dengan memakai pendekatan yang lebih umum. Hal ini kemudian dilakukan oleh
ilmuwan-ilmuwan lainnya di tahun-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 menunjukkan sifat gelombang dan sebaliknya. Teori ini berlaku
utuk partikel tunggal. Teori tersebut diambil dari teori relativitas khusus.
Kemudian berdasarkan
pemikiran de Broglie tersebut 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 menunjukkan
bahwa kedua temuannya eqivalen.
Pada tahun 1926 Einstein
pernah bertanya kepada Werner 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?" Werner
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". Werner 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 relativistik dari fungsi gelombang dari sebuah elektron 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 hidrogen 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. Feynman, 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 Abdus Salam menunjukkan 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 berpikir
materialistik dan parsial yang dominan. Sebaliknya, teori medan memaksa
ilmuwan untuk berpikir 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, 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 dipaparkan 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”, demikian 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.
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.
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.
Bibliography:
1) Talbot, Michael;
Mistisisme dan Fisika Baru, (Judul 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 
Tidak ada komentar:
Posting Komentar