Dokumen tersebut membahas perkembangan ilmu fisika klasik hingga abad modern, mulai dari hukum Newton, teori relativitas Einstein, mekanika kuantum, hingga pembahasan tentang lubang hitam dan alam semesta.

2. FISIKA KLASIK
Hukum Newton Hukum Maxwell
1. Hk. Newton I : Kelembaman Fenomena :
2. Hk. Newton II : Perubahan • Kelistrikan
kecepatan (besar ataupun • Kemagnetan
arahnya) dipengaruhi gaya.
3. Hk. Newton III : Aksi-Reaksi
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN 2

3. 1. Menjelaskan dinamika benda hanya pada orde mm - km.
2. Gagal menjelaskan keanehan orbit Mercurius.
3. Tidak ada perbedaan waktu diantara dua pengamat dalam
dua kerangka acuan yang berbeda kecepatannya (Waktu
bersifat absolut), tapi ruang bersifat relatif.
4. Ruang selalu datar (Euclidean) yakni dua garis sejajar akan
tetap sejajar jika dipanjangkan sampai jarak tak berhingga.
5. Bentuk alam semesta tidak jelas.
6. Ruang atau alam semesta menurut Newton tidak mempunyai
awal atau tidak diciptakan (Bentuknya tetap dari dulu).
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

4. 1. Einstein (1905) mempublikasikan teori relativitas khusus (special theory of
relativity) yang menerangkan keadaan suatu benda yang bergerak dengan
kecepatan konstan mendekati kecepatan cahaya.
2. Einstein (1915) mempublikasikan teori relativitas umum (general theory of
relativity) yang membandingkan keadaan suatu benda yang mengalami
percepatan/ dikenai gaya tertentu dengan keadaan benda dalam pengaruh
medan gravitasi dengan percepatan gravitasi g. Prinsip Ekivalensi Einstein:
massa inersia (Jika benda mengalami percepatan a akibat adanya gaya F)
sama dgn konsep massa gravitasinya (akibat pengaruh medan gravitasi).
3. Geometri yang digunakan pada teori relativitas tersebut bukan Euclidean
(ruang datar) malainkan geometri ruang lengkung.
4. Waktu bergantung pada kerangka acuan (relatif seperti konsep ruang). Istilah
”ruang” adalah gabungan dari konsep ruang-waktu (manifold).
5. Pada gerak foton atau partikel cahaya, jika tidak ada gaya yang
mempengaruhi gerak foton, maka foton bergerak dalam lintasan lurus
(kecepatan konstan). Akibat prinsip ekivalensi, gerak foton dalam pengaruh
gravitasi akan melengkung (mengalami perc. sentrifugal v2/R), dianggap
memiliki massa gravitasi karena massa (inersia) foton nol.
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

5. A. Menurut konsep Newton, Gerak revolusi planet-panet
mengelilingi matahari disebabkan oleh gaya sentripetal
(gaya tarik matahari terhadap planet yang arahnya menuju
pusat matahari) dan diimbangi gaya sentrifugal (akibat
revolusi bumi mengelilingi matahari yang besarnya sama
dengan gaya sentripetal tetapi berlawanan arahnya).
B. Menurut Einstein, lintasan planet-planet mengelilingi
matahari mengikuti kelengkungan medan ruang waktu yang
ditimbulkan oleh benda sangat masif (matahari).
C. Konsep lebih lanjut: interaksi (istilahnya gaya) gravitasi
disebabkan adanya pertukaran partikel-partikel (dinamakan
graviton) diantara planet-planet dan matahari.
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

6. 1. Persamaan medan Einstein dapat direduksi menjadi
persamaan dinamika Newton dengan kondisi tertentu,
yaitu pada medan gravitasi yang lemah dan kecepatan
benda yang sangat kecil jika dibandingkan dengan
kecepatan cahaya. Jadi, Teori Relativitas Umum (TRU)
Einstein lebih umum dibandingkan dengan teori hukum
Newton.
2. Friedmann (fisikawan Rusia) serta Robertson dan Walker
(fisikawan AS dan matematikawan Inggris) berhasil
memecahkan persamaan Einstein yang disebut model
alam semesta Friedmann atau alam semesta Robertson-
Walker yang meliputi model alam semesta tertutup &
terbuka.
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

7. 1. Model closed dan open universe ini sesuai dengan
eksperimental, yaitu pengamatan pergeseran warna
merah (redshift) dari bintang-bintang dan galaksi-galaksi ,
oleh Edwin Hubble (astronom Amerika) tahun 1929.
2. Penjelasan Redshift: Jika kita ada di stasiun kereta api,
kereta api yang bergerak mendekati kita, akan terdengar
bunyi dengan frekuensi yang lebih tinggi dibandingkan
kereta bergerak menjauhi kita (efek Doppler).
3. Pada galaksi dan bintang-bintang. Jika pergeserannya
kesisi warna merah (redshift), berarti bergeser ke
frekuensi yang lebih rendah, berarti benda-benda langit
bergerak menjauhi kita. Ketepatan pengamatan dari
kecepatan pergeserannya cocok dgn prediksi Einstein.
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

8. 1. Dari model closed dan open universe dapat juga disimpulkan
bahwa ada suatu keadaan dimana jarak ruang-waktu diantara
semua benda yang ada di jagat raya sama dengan nol. Hal ini
terjadi pada waktu awal yang disebut singularitas atau lebih
populer dengan keadaan sebelum dentuman besar (bigbang)
yang terjadi sekitar 13 milyar tahun yang lalu.
2. Pada saat bigbang yang merupakan awal terbentuknya materi
(bintang-bintang, galaksi, lubang hitam dsb.) & langit, mempunyai
orde ukuran waktu, jarak & energi : t = 10-43 s, x = 10-25 m & E =
1019 GeV mulai muncul konstanta-konstanta alam semesta: kec.
cahaya c, konstanta Planck h & konstanta gravitasi umum G.
3. Eksistensi keadaan singularitas (awal terjadinya alam semesta)
dibuktikan dalam teorema singularitas oleh R. Penrose dan S.W.
Hawking (1970)
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

9. 1. Tak ada yang mengetahui apa yang terjadi sebelum bigbang
(kecuali Allah Rabbulalamin). Karena pada saat itu tak ada ruang
dan waktu. Tidak ada Hukum-hukum Fisika & matematika.
2. Dari model alam semesta tertutup (model alam semesta yang
akan berhenti mengembang dan kemudian menciut), maka ada
pula saat dimana ruang-waktu menuju ke satu titik, yang disebut
big crunch. Model alam semesta terbuka adalah model alam
semesta yang mengalami pengembangan terus tiada akhir.
3. Karl Schwarzchild (matematikawan Jerman), membuktikan
dengan tepat melengkungnya ruang-waktu disekitar matahari
dengan menggunakan teori Einstein. Melengkungnya ruang-
waktu disekitar matahari dapat dilihat dari pengamatan bintang di
”dekat” matahari saat terjadinya gerhana matahari. Prediksi orbit
Mercury yang anehpun dapat dijelaskan dari solusi ini.
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

10. Fisika v c Teori Relativitas
Klasik khusus
h
Fisika Kuantum
Kuantum Relativistik
Gravitasi Newton Gravitasi Einstein
Prinsip
Ekivalensi
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

11. 1. Terdapat kesepakatan bahwa alam semesta mempunyai
awal dan mempunyai akhir. Mengenai umurnya, memang
masih bisa didiskusikan.
2. Pakar fisika teoritik berspekulasi pada saat bigbang tidak
hanya satu alam semesta yang terbentuk, tetapi ada alam
lain yang mempunyai ruang-waktu seperti disini. Alam
semesta ini (kalau ada) disebut alam semesta paralel yang
telah ditunjukkan keberadaannya oleh Martin Kruskal
(fisikawan AS), ketika ia mencoba ”memetakan’ blackhole
(lubang hitam).
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

12. 1. Jika bintang kompak (sangat mampat & ukurannya jauh lebih kecil
dibanding matahari) mempunyai massa < 1,4x Mʘ (massa matahari)
disebut bintang katai putih. Jika massa bintang > 1,4x Mʘ (batas
Chandrasekhar), bintang tersebut mengkerut menjadi bintang
neutron. Tetapi jika massa bintang > 3x Mʘ, bintang mengkerut terus
menjadi bintang lubang hitam,
2. Karena kerapatan massa tak berhingga, maka semua benda
termasuk cahaya akan diserap semua oleh lubang hitam sehingga
lubang hitam terlihat gelap (hitam).
3. Tahun 1975, dengan menimbang efek kuantum disekitar horison
lubang hitam, S.W. Hawking merumuskan bahwa lubang hitam
tidaklah hitam pekat, masih memancarkan informasi berupa sinar-x.
4. Bila massa katai putih sama dengan Mʘ maka ukurannya sebesar
bumi dengan kerapatan beberapa ton/cm3. Jika massa bintang
neutron lebih sedikit dari 1,4x Mʘ maka radiusnya hanya 10 km
dengan kerapatan ratusan juta ton/cm3. Kerapatan black hole dalam
orde miliaran ton/cm3 dengan ukuran jauh lebih kecil lagi.
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

13. 1. Dalam membahas fenomena alam, tak dapat diabaikan
keteraturannya. Salah satu keteraturan ini dituangkan dalam
prinsip simetri. Misalkan, sebuah lingkaran dilipat pada garis
tengahnya, maka didapat bentuk setengah lingkaran dari
kedua sisi lipatan. Artinya lingkaran mempunyai simetri
terhadap operasi pelipatan pada garis tengahnya.
2. Secara umum, suatu sistem dikatakan mempunyai simetri
tertentu jika sistem itu tidak berubah (invarian atau kekal)
terhadap operasi simetri tersebut.
3. Dalam fisika, konsekuensi dari invarian suatu sistem fisis
terhadap suatu operasi simetri, ternyata memberikan implikasi
yang menakjubkan. Hal ini pertama kali dituangkan oleh Emmy
Noether (matematikawan Jerman) dalam suatu dalil yang
dikenal sebagai dalil Noether,
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

14. Hukum-hukum kekekalan dapat dijelaskan oleh dalil Noether.
1. Hukum kekekalan energi misalnya, tiada lain akibat dari sistem
tak berubah (simetri) terhadap pergeseran (translasi) waktu.
2. Hukum kekekalan momentum akibat simetri pergeseran ruang.
Dan muatan kekal, karena sistem invarian terhadap operasi
gauge.
3. Dari kesetaraan energi dan massa yang telah dirumuskan
Einstein dan prinsip simetri diatas, dapat disimpulkan bahwa
massa pun kekal. Dilain pihak, energi dapat dipertukarkan
dengan waktu dan momentum dipertukarkan dengan ruang
melalui transformasi Fourier (pakar matematika Perancis).
4. Dapat disimpulkan terdapatnya ruang-waktu karena terdapatnya
energi/massa serta gerak benda-benda. Sebaliknyapun berlaku.
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

15. 1. Sampai akhir abad ke 19, hukum newton dan hukum Maxwell
mendominasi persoalan fisika. Formulasinya eksak dan jelas
karena dinyatakan dalam suatu persamaan differensial linier dan
menghasilakan prediksi yang akurat dengan hasil eksperimen.
Jika diketahui posisi awal dan kecepatan awal sebuah benda,
maka dapat diprediksi posisi dan kecepatannya akhirnya.
Demikian pula pada kelistrikan dan kemagnetan.
2. Pada tahun 1900, saat Max Planck (fisikawan Jerman) coba
menjelaskan fenomena radiasi benda hitam. Disitu ia mengamati
bahwa antara hasil eksperimen dan teori tidak cocok. Supaya
cocok, Planck mempostulatkan bahwa energi diradiasikan oleh
gelombang elektromagnetik dalam bentuk kuanta (disebut
foton).
3. Energi foton sebanding dengan bilangan bulat dikali frekuensi
gelombang. Sehingga bersifat diskrit. Hal ini tidaklah lazim,
karena orang hanya mengetahui bahwa energi bersifat kontinu,
sesuai dengan hukum-hukum dalam FISIKA klasik.
PERKEMBANGAN ILMU fisika
SAMPAI ABAD MODERN

16. 1. Postulat Planck dapat menjelaskan eksperimen radiasi benda
hitam dengan tepat. Dari sinilah, kemudian timbul mekanika
baru, sebagai koreksi dari mekanika Newton yaitu Mekanika
Kuantum yang berlaku untuk ukuran benda yang sangat kecil
(orde mikron).
2. Menurut prinsip ketakpastian Heisenberg (Werner Heisenberg,
seorang pakar fisika Jerman), pengukuran serentak posisi dan
momentum tidak akan menghasilkan ketelitian yang
sempurna. Contohnya jika posisi diukur dengan ketelitian
sempurna, maka momentumnya menjadi tak teliti sempurna.
3. Pada mekanika kuantum, posisi dan momentum (ataupun
kecepatan) tak dapat dipakai untuk mendeskripsikan sistem
fisis, seperti pada mekanika klasik. Sebagai gantinya diambil
fungsi gelombang yang memainkan peranan tersebut. Fungsi
gelombang ini memenuhi persamaan Schroedinger (fisikawan
Jerman).
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

17. 1. Max Born (fisikawan Jerman) yang pertama
menginterpretasikan bahwa kuadrat besar fungsi gelombang
merupakan probabilitas untuk menemukan (posisi) partikel.
Tapi Einstein tampaknya tak setuju dengan interpretasi ini
karena menganggap bahwa alam tak mengenal sifat
probabilistik. Dengan nada sinis ia mengatakan bahwa Tuhan
tak bermain dadu dalam menciptakan hukum-hukum alam.
2. Menurut Einstein, alam bersifat deterministik. Probabilitas
muncul karena kita tak lengkap dalam mendeskripsikan alam.
Masih ada variabel tersembunyi yang belum ditemukan.
3. Walaupun fondasi fisika kuantum belumh sempurna, namun
orang tetap menggunakan formalisme kuantum untuk
menjelaskan fenomena yang berkaitan dengan partikel-partikel
yang sangat kecil, karena prediksi-prediksinya sesuai dengan
pengamatan. Misalkan dalam menghitung tingkat energi Fermi
dalam suatu material.
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

18. Terdapat empat buah interaksi dialam semesta :
1. Interaksi kuat (strong interaction). Interaksi ini bekerja pada
partikel quark, yang dipercaya sebagai partikel pembangun
elektron, proton, netron dan partikel lainnya. Partikel ini tak pernah
diamati dalam keadaan bebas, selalu dalam keadaan terikat.
Muatannya bernilai pecahan, misalnya (-1/3), (+2/3), berbeda
dengan partikel lain yang muatannya merupakan kelipatan
bilangan bulat dari muatan elektron.
2. Interaksi lemah (weak interaction), pada peluruhan partikel beta.
3. Interaksi elektromagnetik (electromagnetic interaction). Interaksi
inilah yang berperan dalam kelistrikan dan kemagnetan (hukum
maxwell).
4. Interaksi gravitasi (gravitation interaction). Interaksi ini timbul
karena benda mempunyai massa.
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

19. 1. Ketiga interaksi yang disebut pertama dapat dikuantisasi, artinya kita
dapat membuat ketiga gaya tersebut kompatibel dengan aturan dalam
kuantum. Tapi untuk interaksi gravitasi, sampai saat ini, belum ada yang
sukses mengkuantisasinya. Problem pokoknya terletak pada kuantisasi
kurvatur ruang-waktu pada teori itu. Sehingga kompatibilitas teori tersebut
dengan teori kuantum, misalnya dalam waktu tertentu, kehilangan makna.
2. Teori tentang alam semesta masih banyak yang belum difahami,
diantaranya alam semesta terdiri dari 4% atom (seperti bintang-bintang
dan galaksi yang tampak), 23% materi gelap (seperti black hole) dan 73%
energi gelap (yang masih dicari penyebabnya).
3. Banyak teori yang dicoba untuk menjelaskan fenomena alam semesta
(terutama asal energi gelap) yang disebut Theory of Everything – TOE,
seperti Superstring, M-Theory, Quantum Gravity dsb.
4. Teori String merumuskan bahwa bentuk partikel-partikel seperti elektron
dsb, bukan berbentuk bola bulat tetapi berbentuk tali, sehingga disamping
menyumbang energi yang kecil dari massanya juga akan menyumbang
energi yang cukup besar dari tegangan tali string itu sendiri. Energi
tegangan string ini dapat menghasilkan energi gelap alam semesta.
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

20. 1. Tahun 1967, Abdus Salam, S. Weinberg dan S.L. Glashow,
sukses dalam menyatukan interaksi lemah dan elektromagnetik
dalam kerangka teori gauge. (Weinberg dan Glashow, fisikawan
teoritik, AS. Ketiga-tiganya mendapat Nobel Fisika tahun 1979).
Keberhasilan ini, setidaknya telah membuka harapan lama bahwa
semua interaksi yang ada di alam, awalnya adalah satu. Kemudian
terurai menjadi keempat interaksi diatas.
2. Tahun 1985, E. Witten dan kawan-kawan dari Princeton
University, AS, menggabungkan keempat interaksi diatas dalam
kerangka teori superstring. Walaupun secara matematis teori ini
elegan, tapi verifikasi eksperimentalnya tidak jelas.
3. Orang yakin, jika keempat interaksi tersebut berhasil digabung,
maka fisika akan menuju teori yang final. Teori yang dapat
menggambarkan dan menjelaskan alam semesta dari awalnya
sampai akhir (Theory of Everything – TOE).
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN

21. Kelistrikan Salam-Glashow-Weinberg
Listrik (Nobel Fisika 1979)
Kemagnetan Magnet
Cahaya Interaksi
Electroweak
Model Standar
Peluruhan Beta Interaksi (GUT)
Int. Neutrino Lemah
Proton
Interaksi Supersimetri
Neutron Kuat Supergravitasi TOE
Pions
Gravitasi Superstring,
Gravitasi Universal Teori Relativitas M-Theory,
Umum (Einstein) Quantum
Mekanika Geometri Gravity
(Newton) Ruang-Waktu
PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
SAMPAI ABAD MODERN