1. MEKANIKA KUANTUM
(Makalah Mata Kuliah Sejarah Perkembangan Fisika)
Oleh :
Nama Anggota Kelompok/ NPM :
B. Anggit Wicaksono / 0913022030
Hafidhuddin Zarkasi / 0913022008
Hanny Kruisdiarti / 0913022048
Merta Dhewakusuma / 0913022052
Reza Febrata / 0913022060
Program Studi : Pendidikan Fisika
Kelas :B
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MIPA
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2010
1
2. KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur kita Panjatkan ke Hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat
limpahan Rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun makalah ini
tepat pada waktunya. Makalah ini membahas tentang sejarah perkembangan teori
Mekanika Kuantum sebagai tugas dari mata kuliah Sejarah Perkembangan Fisika.
Dalam penyusunan makalah ini, penulis banyak mendapat tantangan dan
hambatan akan tetapi dengan bantuan dari berbagai pihak tantangan itu bisa
teratasi. Olehnya itu, penyusun mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya
kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan makalah ini,
semoga bantuannya mendapat balasan yang setimpal dari Tuhan Yang Maha Esa.
Penyusun menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnaan baik dari
bentuk penyusunan maupun materinya. Kritik konstruktif dari pembaca sangat
diharapkan untuk penyempurnaan makalah selanjutnya.
Akhir kata semoga makalah ini dapat memberikan manfaat kepada kita.
Bandar Lampung, April 2011
Penyusun
i
2
3. DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR…………………………………………………………... i
DAFTAR ISI……………………………………………………………………. ii
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang………………………………………………………..….. 1
1.2 Tujuan Makalah ......................................................................................... 1
II. PEMBAHASAN
2.1 Sejarah Awal .............………………………………….................................. 2
2.2 Perkembangan Mekanika Kuantum ................................................................. 5
2.3 Eksperimen-Eksperimen yang Mendasari Mekanika Kuantum ..................... 10
2.4 Tokoh-Tokoh Mekanika Kuantum ................................................................. 11
2.4 Bukti dari Mekanika Kuantum ....................................................................... 30
BAB III KESIMPULAN
DAFTAR PUSTAKA
ii
3
4. I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dasar dimulaianya periode mekanika kuantum adalah ketika mekanika 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.
1.2 Tujuan Makalah
Adapun tujuan pembuatan makalah ini adalah sebagai berikut :
1. Mengetahui sejarah awal teori mekanika kuantum
2. Mengetahui perkembangan teori mekanika kuantum
3. Mengetahui eksperimen-eksperimen yang mendasari perkembangan
mekanika kuantum
4. Mengetahui tokoh-tokoh mekanika kuantum
5. Mengetahui bukti dari mekanika kuantum
4
5. II. PEMBAHASAN
2.1 Sejarah Awal
Setiap memasuki pemahaman dunia atom, ilmuan mengalami kesulitan yang
luar biasa. Teori-teori mapan tidak berdaya, bahasa yang digunakan
mengalami kebuntuan, bahkan imajinasi terhadap dunia atom dipengaruhi
pandangan emosional. Pengalaman ini dilukiskan Heisenberg: “Saya ingat
pembicaraan saya dengan Bohr yang berlangsung selama berjam-jam hingga
larut malam dan mengakhirinya dengan putus asa; dan ketika perbincangan
itu berakhir saya berjalan-jalan sendirian di taman terdekat dan mengulangi
pertanyaan pada diri saya sendiri berkali-kali: Mungkinkah alam itu absurd
sebagaimana yang tampak pada kita dalam eksperimen-eksperimen atom
ini?” (Fritjof Capra, 2000:86).
Situasi psikologis Heisenberg, pada akhirnya merupakan salah satu kata kunci
dalam perkembangan revolusioner dunia atom. Benda/materi yang diamati
tidak terlepas dari pengalaman pengamat, benda/materi bukan lagi sebagai
objek penderita yang dapat diotak-atik sesuai keinginan pengamat. Lebih
jauhnya, benda/materi sendiri yang berbicara dan mempunyai keinginan
sesuai fungsi dan kedudukannya dalam suatu fenomena. Absurditas subatom
terlihat ketika dipandang sebagai benda/materi tidak memadai lagi, subatom
bukan „benda‟. Tetapi, merupakan kesalinghubungan dalam membentuk
jaringan dinamis yang terpola. Sub-subatom merupakan jaring-jaring
pembentuk dasar materi yang merubah pandangan manusia selama ini yang
memandang sub atom sebagai blok-blok bangunan dasar pembentuk materi.
Meminjam istilah Kuhn, mekanika kuantum merupakan paradigma sains
revolusioner pada awal abad 20. Lahirnya mekanika kuantum, tidak terlepas
dari perkembangan-perkembangan teori, terutama teori atom. Mekanika
kuantum, bukan untuk menghapus teori dan hukum sebelumnya. Mekanika
5
6. kuantum tidak lebih untuk merevisi dan menambal pandangan manusia
terhadap dunia, terutama dunia mikrokosmik. Bisa jadi, sebenarnya hukum-
hukum yang berlaku bagi dunia [sunnatullah] telah tersedia dan berlaku bagi
setiap fenomena alam, tetapi pengalaman manusialah yang terbatas. Oleh
sebab itu, sampai di sini kita harus sadar dan meyakini bahwa sifat sains itu
sangat tentatif.
Mengapa teori kuantum merupakan babak baru cara memandang alam?
Vladimir Horowitz pernah mengatakan bahwa mozart terlalu mudah untuk
pemula, tetapi terlalu sulit untuk para ahli. Hal yang sama juga berlaku untuk
teori kuantum. Secara sederhana teori kuantum menyatakan bahwa partikel
pada tingkat sub atomik tidak tunduk pada hukum fisika klasik. Entitas
seperti elektron dapat berwujud [exist] sebagai dua benda berbeda secara
simultan—materi atau energi, tergantung pada cara pengukurannya (Paul
Strathern, 2002:viii). Kerangka mendasar melakukan penalaran dalam sains
adalah berpikir dengan metoda induksi. Apabila melakukan penalaran dengan
metoda ini, maka pengamatan terhadap wajah alam fisik dilakukan melalui
premis-premis yang khusus tentang materi-materi kecil [mikro] bahan alam
fisik yang kasat mata. Hukum-hukum sains klasik yang telah terpancang
lama, ternyata terlihat kelemahannya ketika berhadapan dengan fenomena
mikrokosmik.
Gary Zukaf (2003:22) memberikan pengertian secara etimologis dari
mekanika kuantum. „Kuantum‟ merupakan ukuran kuantitas sesuatu,
besarnya tertentu. „Mekanika‟ adalah kajian atau ilmu tentang gerak. Jadi,
mekanika kuantum adalah kajian atau ilmu tentang gerak kuantum. Teori
kuantum mengatakan bahwa alam semesta terdiri atas bagian-bagian yang
sangat kecil yang disebut kuanta [quanta, bentuk jamak dari quantum], dan
mekanika kuantum adalah kajian atau ilmu yang mempelajari fenomena ini.
Teori kuantum memang masih pro dan kontra dalam penerimaannya, dan
bersifat kontroversial ketika menggugat otoritas sains yang dianggap telah
mapan. Adanya pro dan kontra terlihat ketika Einstein yang merupakan
6
7. ilmuan besar abad 20 tidak menyukai teori ini, meskipun Einstein merupakan
salah satu dukun yang membidangi lahirnya teori kuantum. Dalam salah satu
perdebatan yang panjang dengan Bohr yang berlangsung di Kopenhagen,
Denmark; sehingga terkenal dengan “Tafsiran Kopenhagen”, Einstein
mengatakan bahwa teori kuantum tidak dapat mengakomodir fraksi-fraksi
dalam sains, dia masih berpegang teguh bahwa madzhab newtonian
merupakan mazhab yang relatif akomodatif. Bohr mengeluarkan argumen
bahwa manusialah yang tidak dapat mengakomodir pengalamannya yang
sangat kaya, dan terakhir Bohr menyindir Einstein, bahwa orang yang tidak
goncang jiwanya oleh teori kuantum berarti orang tersebut belum
memahaminya.
Sejarah fisika kuantum dimulai ketika Michael Faraday menemukan sinar
katoda. Kemudian pada tahun 1859-1860, Gustav Kirchoff memberikan
pernyataan tentang radiasi benda hitam. Pada tahun1887 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 kalsik 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 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-
7
8. 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. Plsnck jugs 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. Proses
2.2 Perkembangan Mekanika 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.
8
9. 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.
9
10. 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
10
11. 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"!
Dari penegasan Einstein tentang kuantitas teramati, Heisnberg
menyimpulkan:
Observation means that we construct some connections between a
phenomenon and our realization of the phenomenon. There is something
happening in the atom, the light is emitted, the light hits the photographic
plate, we see the photographic plate and so on and so on. In this whole course
of events between the atom and your eye and your consciousness you must
assume that everything work as in the old physics. If you would change the
theory concerning the sequence of events then of course the observation
would be altered.
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
11
12. 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
12
13. 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.
Elektrodinamika kuantum merupakan teori kuantum tentang elektron,
positron, dan medan elektromagnet.
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.
2.3 Eksperimen-Eksperimen Yang Mendasari Perkembangan Mekanika
Kuantum
Berikut ini adalah eksperimen – eksperimen yang mendasari perkembangan
mekanika 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 tahun 1909,
13
14. 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, dan
13) Eksperimental verivication dan quantum entanglement oleh Alain Aspect
pada tahun 1982.
2.4 Tokoh-Tokoh Mekanika Kuantum
a. Max Planck
Dilahirkan tahun 1858 di kota Kiel, Jerman, dia belajar di Universitas Berlin
dan Munich, peroleh gelar Doktor dalam ilmu fisika dengan summa cum laude
dari Universitas Munich selagi berumur baru dua puluh satu tahun. Sebentar
dia mengajar di Universitas Munich, kemudian di Universitas Kiel. Di tahun
1889 dia jadi mahaguru Univeristas Berlin sampai pensiunnya tiba tatkala
usianya mencapai tujuh puluh. Itu tahun 1928.
Planck, seperti halnya ilmuwan lain, tertarik dengan "radiasi kuantitas gelap,"
julukan buat radiasi elektromagnetik dikeluarkan oleh obyek gelap sempurna
apabila dipanaskan. (Suatu obyek gelap sempurna dijelaskan sebagai sesuatu
yang tidak memantulkan cahaya, tetapi sepenuhnya menyerap semua cahaya
yang jatuh di atasnya). Percobaan-percobaan para ahli fisika telah membuat
14
15. ukuran yang hati-hati perihal radiasi yang dikeluarkan oleh obyek itu bahkan
sebelum Planck bekerja dalam masalah itu.
Hasil karya Planck pertama adalah penemuannya dalam hal formula secara
aljabar yang ruwet yang dengan tepat menggambarkan "radiasi kuantitas
gelap." Formula ini yang kerap digunakan dalam teori fisika sekarang dengan
rapi meringkas data-data percobaan. Tetapi ada satu masalah: hukum fisika
yang sudah diterima meramalkan adanya suatu formula yang samasekali
berbeda.
Planck berkecimpung dalam-dalam terhadap soal ini dan akhirnya tampil
dengan teori baru yang radikal: energi radiant cuma keluar pada pergandaan
yang tepat dari unit elementer yang disebut Planck "kuantum". Menurut teori
Planck, ukuran kuantum cahaya tergantung pada frekuensi cahaya (misalnya
pada warnanya), dan juga berimbang dengan kuantitas fisik yang oleh Planck
diringkas dengan "h", tetapi sekarang disebut "patokan Planck." Hipotesa
Planck amatlah berlawanan dengan apa yang jadi konsep umum fisika. Tetapi,
dengan penggunaan ini dia mampu menemukan keaslian teoritis yang tepat
daripada formula yang benar tentang "radiasi kuantitas gelap."
Teori Planck begitu revolusioner, yang tak syak lagi bisa dianggap suatu
gagasan eksentrik kalau saja Planck bukan seorang ahli fisika yang mantap dan
konservatif. Kendati hipotesanya terdengar aneh, dalam soal khusus ini jelas
merupakan penuntun ke arah formula yang benar.
Pada mulanya, umumnya ahli fisika (termasuk Planck sendiri) melihat
hipotesanya sebagai tak lain dari sebuah fiksi matematik yang cocok. Sesudah
beberapa tahun, hal itu berubah sehingga konsepsi Planck tentang kuantum
dapat digunakan untuk pelbagai fenomena fisik selain untuk "radiasi kuantitas
gelap." Einstein menggunakan konsep ini di tahun 1905 dalam rangka
menjelaskan efek fotoelektrika, dan Niels Bohr menggunakannya di tahun
1913 dalam teorinya tentang struktur atom. Menjelang tahun 1918 tatkala
15
16. Planck peroleh Hadiah Nobel, jelaslah sudah bahwa hipotesanya pada dasarnya
benar dan itu mempunyai arti penting yang fundamental dalam teori fisika.
Sikap anti Nazi Planck yang keras membuat kedudukannya berabe di masa
pemerintahan Hitler. Anak laki-lakinya dihukum mati di awal tahun 1945
akibat peranannya dalam komplotan para perwira yang punya rencana
membunuh Hitler. Planck sendiri mati tahun 1947, pada umur delapan puluh
sembilan tahun.
Perkembangan mekanika kuantum mungkin yang paling penting dari
perkembangan ilmu pengetahuan dalam abad ke-20, lebih penting ketimbang
teori relativitas Einstein. Patokan "h" Planck memegang peranan penting dalam
teori fisika dan sekarang dihimpun jadi dua atau tiga patokan fisika paling
dasar. Patokan itu muncul dalam teori struktur atom, dalam prinsip
"ketidakpastian" Heisenberg, dalam teori radiasi dan dalam banyak lagi
formula ilmiah. Perkiraan pertama Planck mengenai nilai jumlah adalah dalam
batas perhitungan 2% yang diterima sekarang.
Planck umumnya dianggap bapak mekanika kuantum. Kendati dia memainkan
peranan tak seberapa dalam perkembangan teori selanjutnya, adalah keliru
mengecilkan arti Planck. Jalan mula yang disuguhkannya sungguh penting. Dia
membebaskan pikiran orang dari anggapan-anggapan keliru yang ada
sebelumnya, dan dia memungkinkan orang-orang sesudahnya menyusun teori
yang jauh lebih jernih daripada yang sekarang kita miliki.
b. Albert Einstein (14 Maret 1879–18 April 1955)
Albert Einstein adalah seorang ilmuwan fisika teoretis yang dipandang luas
sebagai ilmuwan terbesar dalam abad ke-20. Dia mengemukakan teori
relativitas dan juga banyak menyumbang bagi pengembangan mekanika
kuantum, mekanika statistik, dan kosmologi. Dia dianugerahi Penghargaan
Nobel dalam Fisika pada tahun 1921 untuk penjelasannya tentang efek
16
17. fotoelektrik dan "pengabdiannya bagi Fisika Teoretis".
Setelah teori relativitas umum dirumuskan, Einstein menjadi terkenal ke
seluruh dunia, pencapaian yang tidak biasa bagi seorang ilmuwan. Di masa
tuanya, keterkenalannya melampaui ketenaran semua ilmuwan dalam sejarah,
dan dalam budaya populer, kata Einstein dianggap bersinonim dengan
kecerdasan atau bahkan jenius. Wajahnya merupakan salah satu yang paling
dikenal di seluruh dunia.
Pada tahun 1999, Einstein dinamakan "Orang Abad Ini" oleh majalah Time.
Kepopulerannya juga membuat nama "Einstein" digunakan secara luas dalam
iklan dan barang dagangan lain, dan akhirnya "Albert Einstein" didaftarkan
sebagai merk dagang. Untuk menghargainya, sebuah satuan dalam fotokimia
dinamai einstein, sebuah unsur kimia dinamai einsteinium, dan sebuah asteroid
dinamai 2001 Einstein.
Einstein dilahirkan di Ulm di Württemberg, Jerman; sekitar 100 km sebelah
timur Stuttgart. Bapaknya bernama Hermann Einstein, seorang penjual ranjang
bulu yang kemudian menjalani pekerjaan elektrokimia, dan ibunya bernama
Pauline. Mereka menikah di Stuttgart-Bad Cannstatt. Keluarga mereka
keturunan Yahudi; Albert disekolahkan di sekolah Katholik dan atas keinginan
ibunya dia diberi pelajaran biola. Pada umur lima, ayahnya menunjukkan
kompas kantung, dan Einstein menyadari bahwa sesuatu di ruang yang
"kosong" ini beraksi terhadap jarum di kompas tersebut; dia kemudian
menjelaskan pengalamannya ini sebagai salah satu saat yang paling
menggugah dalam hidupnya. Meskipun dia membuat model dan alat mekanik
sebagai hobi, dia dianggap sebagai pelajar yang lambat, kemungkinan
disebabkan oleh dyslexia, sifat pemalu, atau karena struktur yang jarang dan
tidak biasa pada otaknya (diteliti setelah kematiannya).
Dia kemudian diberikan penghargaan untuk teori relativitasnya karena
kelambatannya ini, dan berkata dengan berpikir dalam tentang ruang dan waktu
17
18. dari anak-anak lainnya, dia mampu mengembangkan kepandaian yang lebih
berkembang. Pendapat lainnya, berkembang belakangan ini, tentang
perkembangan mentalnya adalah dia menderita Sindrom Asperger, sebuah
kondisi yang berhubungan dengan autisme. Einstein mulai belajar matematika
pada umur dua belas tahun. Ada gosip bahwa dia gagal dalam matematika
dalam jenjang pendidikannya, tetapi ini tidak benar; penggantian dalam
penilaian membuat bingung pada tahun berikutnya. Dua pamannya membantu
mengembangkan ketertarikannya terhadap dunia intelek pada masa akhir
kanak-kanaknya dan awal remaja dengan memberikan usulan dan buku tentang
sains dan matematika. Pada tahun 1894, dikarenakan kegagalan bisnis
elektrokimia ayahnya, Einstein pindah dari Munich ke Pavia, Italia (dekat
Milan). Albert tetap tinggal untuk menyelesaikan sekolah, menyelesaikan satu
semester sebelum bergabung kembali dengan keluarganya di Pavia.
Kegagalannya dalam seni liberal dalam tes masuk Eidgenössische Technische
Hochschule (Institut Teknologi Swiss Federal, di Zurich) pada tahun
berikutnya adalah sebuah langkah mundur;j dia oleh keluarganya dikirim ke
Aarau, Swiss, untuk menyelesaikan sekolah menengahnya, di mana dia
menerima diploma pada tahun 1896, Einstein beberapa kali mendaftar di
Eidgenössische Technische Hochschule. Pada tahun berikutnya dia melepas
kewarganegaraan Württemberg, dan menjadi tak bekewarganegaraan.
Pada 1898, Einstein menemui dan jatuh cinta kepada Mileva Maric, seorang
Serbia yang merupakan teman kelasnya (juga teman Nikola Tesla). Pada tahun
1900, dia diberikan gelar untuk mengajar oleh Eidgenössische Technische
Hochschule dan diterima sebagai warga negar Swiss pada 1901. Selama masa
ini Einstein mendiskusikan ketertarikannya terhadap sains kepada teman-teman
dekatnya, termasuk Mileva. Dia dan Mileva memiliki seorang putri bernama
Lieserl, lahir dalam bulan Januari tahun 1902. Lieserl, pada waktu itu,
dianggap tidak legal karena orang tuanya tidak menikah.
Pada tahun 1905 dia menulis empat artikel yang memberikan dasar fisika
modern, tanpa banyak sastra sains yang dapat ia tunjuk atau banyak kolega
dalam sains yang dapat ia diskusikan tentang teorinya. Banyak fisikawan setuju
18
19. bahwa ketiga thesis itu (tentang gerak Brownian), efek fotoelektrik, dan
relativitas spesial) pantas mendapat Penghargaan Nobel. Tetapi hanya thesis
tentang efek fotoelektrik yang mendapatkan penghargaan tersebut. Ini adalah
sebuah ironi, bukan hanya karena Einstein lebih tahu banyak tentang
relativitas, tetapi juga karena efek fotoelektrik adalah sebuah fenomena
kuantum, dan Einstein menjadi terbebas dari jalan dalam teori kuantum. Yang
membuat thesisnya luar biasa adalah, dalam setiap kasus, Einstein dengan
yakin mengambil ide dari teori fisika ke konsekuensi logis dan berhasil
menjelaskan hasil eksperimen yang membingungkan para ilmuwan selama
beberapa dekade. Dia menyerahkan thesis-thesisnya ke "Annalen der Physik".
Mereka biasanya ditujukan kepada "Annus Mirabilis Papers" (dari Latin:
Tahun luar biasa). Persatuan Fisika Murni dan Aplikasi (IUPAP)
merencanakan untuk merayakan 100 tahun publikasi pekerjaan Einstein di
tahun 1905 sebagai Tahun Fisika 2005.
c. Niels Bohr
Teori struktur atom mempunyai seorang bapak. Dia itu Niels Henrik David
Bohr yang lahir tahun 1885 di Kopenhagen. Di tahun 1911 dia raih gelar
doktor fisika dari Universitas Copenhagen. Tak lama sesudah itu dia pergi ke
Cambridge, Inggris. Di situ dia belajar di bawah asuhan J.J. Thompson,
ilmuwan kenamaan yang menemukan elektron. Hanya dalam beberapa bulan
sesudah itu Bohr pindah lagi ke Manchester, belajar pada Ernest Rutherford
yang beberapa tahun sebelumnya menemukan nucleus (bagian inti) atom.
Adalah Rutherford ini yang menegaskan (berbeda dengan pendapat-pendapat
sebelumnya) bahwa atom umumnya kosong, dengan bagian pokok yang berat
pada tengahnya dan elektron di bagian luarnya. Tak lama sesudah itu Bohr
segera mengembangkan teorinya sendiri yang baru serta radikal tentang
struktur atom.
Kertas kerja Bohr yang bagaikan membuai sejarah "On the Constitution of
Atoms and Molecules," diterbitkan dalam Philosophical Magazine tahun 1933.
19
20. Teori Bohr memperkenalkan atom sebagai sejenis miniatur planit mengitari
matahari, dengan elektron-elektron mengelilingi orbitnya sekitar bagian pokok,
tetapi dengan perbedaan yang sangat penting: bilamana hukum-hukum fisika
klasik mengatakan tentang perputaran orbit dalam segala ukuran, Bohr
membuktikan bahwa elektron-elektron dalam sebuah atom hanya dapat
berputar dalam orbitnya dalam ukuran spesifik tertentu. Atau dalam kalimat
rumusan lain: elektron-elektron yang mengitari bagian pokok berada pada
tingkat energi (kulit) tertentu tanpa menyerap atau memancarkan energi.
Elektron dapat berpindah dari lapisan dalam ke lapisan luar jika menyerap
energi. Sebaliknya, elektron akan berpindah dari lapisan luar ke lapisan lebih
dalam dengan memancarkan energi.
Teori Bohr memperkenalkan perbedaan radikal dengan gagasan teori klasik
fisika. Beberapa ilmuwan yang penuh imajinasi (seperti Einstein) segera
bergegas memuji kertas kerja Bohr sebagai suatu "masterpiece," suatu kerja
besar; meski begitu, banyak ilmuwan lainnya pada mulanya menganggap sepi
kebenaran teori baru ini. Percobaan yang paling kritis adalah kemampuan teori
Bohr menjelaskan spektrum dari hydrogen atom. Telah lama diketahui bahwa
gas hydrogen jika dipanaskan pada tingkat kepanasan tinggi, akan
mengeluarkan cahaya. Tetapi, cahaya ini tidaklah mencakup semua warna,
tetapi hanya cahaya dari sesuatu frekuensi tertentu. Nilai terbesar dari teori
Bohr tentang atom adalah berangkat dari hipotesa sederhana tetapi sanggup
menjelaskan dengan ketetapan yang mengagumkan tentang gelombang panjang
yang persis dari semua garis spektral (warna) yang dikeluarkan oleh hidrogen.
Lebih jauh dari itu, teori Bohr memperkirakan adanya garis spektral tambahan,
tidak terlihat pada saat sebelumnya, tetapi kemudian dipastikan oleh para
pencoba. Sebagai tambahan, teori Bohr tentang struktur atom menyuguhkan
penjelasan pertama yang jelas apa sebab atom punya ukuran seperti adanya.
Ditilik dari semua kejadian yang meyakinkan ini, teori Bohr segera diterima,
dan di tahun 1922 Bohr dapat,hadiah Nobel untuk bidang fisika.
Tahun 1920 lembaga Fisika Teoritis didirikan di Kopenhagen dan Bohr jadi
20
21. direkturnya. Di bawah pirnpinannya cepat menarik minat ilmuwan-ilmuwan
muda yang brilian dan segera menjadi pusat penyelidikan ilmiah dunia.
Tetapi sementara itu teori struktur atom Bohr menghadapi kesulitan-kesulitan.
Masalah terpokok adalah bahwa teori Bohr, meskipun dengan sempurna
menjelaskan kesulitan masa depan atom (misalnya hidrogen) yang punya satu
elektron, tidak dengan persis memperkirakan spektra dari atom-atom lain.
Beberapa ilmuwan, terpukau oleh sukses luar biasa teori Bohr dalam hal
memaparkan atom hidrogen, berharap dengan jalan menyempurnakan sedikit
teori Bohr, mereka dapat juga menjelaskan spektra atom yang lebih berat. Bohr
sendiri merupakan salah seorang pertama yang menyadari penyempurnaan
kecil itu tak akan menolong, karena itu yang diperlukan adalah perombakan
radikal. Tetapi, bagaimanapun dia mengerahkan segenap akal geniusnya, toh
dia tidak mampu memecahkannya.
Pemecahan akhirnya ditemukan oleh Werner Heisenberg dan lain-lainnya,
mulai tahun 1925. Adalah menarik untuk dicatat di sini, bahwa Heisenberg –
dan umumnya ilmuwan yang mengembangkan teori baru– belajar di
Kopenhagen, yang tak syak lagi telah mengambil manfaat yang besar dari
diskusi-diskusi dengan Bohr dan saling berhubungan satu sama lain. Bohr
sendiri bergegas menuju ide baru itu dan membantu mengembangkannya. Dia
membuat sumbangan penting terhadap teori baru, dan liwat disuksi-diskusi dan
tulisan-tulisan, dia menolong membikin lebih sistematis.
Tahun 1930-an lebih menunjukkan perhatiannya terhadap permasalahan bagian
pokok struktur atom. Dia mengembangkan model penting "tetesan cairan"
bagian pokok atom. Dia juga mengajukan masalah teori tentang "kombinasi
bagian pokok" dalam reaksi atom untuk dipecahkan. Tambahan pula, Bohr
merupakan orang yang dengan cepat menyatakan bahwa isotop uranium yang
terlibat dalam pembagian nuklir adalah U235. Pernyataan ini punya makna
penting dalam pengembangan berikutnya dari bom atom.
21
22. Dalam tahun 1940 balatentara Jerman menduduki Denmark. Ini menempatkan
diri Bohr dalam bahaya, sebagian karena dia punya sikap anti Nazi sudah
tersebar luas, sebagian karena ibunya seorang Yahudi. Tahun 1943 Bohr lari
meninggalkan Denmark yang jadi daerah pendudukan, menuju Swedia. Dia
juga menolong sejumlah besar orang Yahudi Denmark melarikan diri agar
terhindar dari kematian dalam kamar-kamar gas Hitler. Dari Swedia Bohr lari
ke Inggris dan dari sana menyeberang ke Amerika Serikat. Di negeri ini,
selama perang berlangsung, Bohr membantu membikin bom atom,
Seusai perang, Bohr kembali kampung ke Denmark dan mengepalai lembaga
hingga rohnya melayang tahun 1`562. Dalam tahun-tahun sesudah perang Bohr
berusaha keras –walau tak berhasil– mendorong dunia internasional agar
mengawasi penggunaan energi atom.
Bohr kawin tahun 1912, di sekitar saat-saat dia melakukan kerja besar di
bidang ilmu pengetahuan. Dia punya lima anak, salah seorang bernama Aage
Bohr, memenangkan hadiah Nobel untuk bidang fisika di tahun 1975. Bohr
merupakan orang yang paling disenangi di dunia ilmuwan, bukan semata-mata
karena menghormat ilmunya yang genius, tetapi juga pribadinya dan karakter
serta rasa kemanusiaannya yang mendalam.
Kendati teori orisinal Bohr tentang struktur atom sudah berlalu lima puluh
tahun yang lampau, dia tetap merupakan salah satu dari tokoh besar di abad ke-
20. Ada beberapa alasan mengapa begitu. Pertama, sebagian dari hal-hal
penting teorinya masih tetap dianggap benar. Misalnya, gagasannya bahwa
atom dapat ada hanya pada tingkat energi yang cermat adalah merupakan
bagian tak terpisahkan dari semua teori-teori struktur atom berikutnya. Hal
lainnya lagi, gambaran Bohr tentang atom punya arti besar buat menemukan
sesuatu untuk diri sendiri, meskipun ilmuwan modern tak menganggap hal itu
secara harfiah benar. Yang paling penting dari semuanya itu, mungkin, adalah
gagasan Bohr yang merupakan tenaga pendorong bagi perkembangan "teori
kuantum." Meskipun beberapa gagasannya telah kedaluwarsa, namun jelas
22
23. secara historis teori-teorinya sudah membuktikan merupakan titik tolak teori
modern tentang atom dan perkembangan berikutnya bidang mekanika
kuantum.
d. Louis de Broglie
Louis Victor Pierre Raymon de Broglie lahir pada 15 Agustus 1892 di Dieppe,
Perancis. Keturunan de Broglie, yang berasal dari Piedmont, Italia barat laut
cukup dikenal dalam sejarah Perancis karena mereka telah melayani raja-raja
Perancis baik dalam perang dan jabatan diplomatik selama beratus tahun.
Pada 1740, Raja Louis XI mengangkat salah satu anggota keluarga de Broglie,
Francois Marie (1671-1745) sebagai Duc (seperti Duke di Inggris), suatu gelar
keturunan yang hanya disandang oleh anggota keluarga tertua. Putra Duc
pertama ini ternyata membantu Austria dalam Perang Tujuh Tahun (1756-
1763). Karena itu, Kaisar Perancis I dari Austria menganugerahkan gelar Prinz
yang berhak disandang seluruh anggota keluarga de Broglie.
Dengan meninggalnya saudara tertua Louis, Maurice, juga fisikawan
(eksperimen), pada 1960, maka Louis serempak menjadi Duc Perancis (ke-7)
dan Prinz Austria. Louis mulanya belajar pada Lycee Janson de Sailly di Paris
dan memperoleh gelar dalam sejarah pada 1909. Ia menjadi tertarik pada ilmu
pengetahuan alam karena katanya, "terpengaruh oleh filsafat dan buku-buku
Henry Poincare (1854-1912)", matematikawan besar Perancis.
Pada 1910, Louis memasuki Universitas Paris untuk menyalurkan minatnya
dalam ilmu pengetahuan. Tahun 1913 ia peroleh licence dalam ilmu
pengetahuan dari Faculte des Sciences. Studinya kemudian terputus karena
berkecamuknya Perang Dunia I. Barulah pada usia 32, Louis meraih gelar
doktornya dalam fisika teori dengan tesis tentang gelombang partikel di atas. Ia
kemudian memulai karier mengajarnya di Universitas Paris dan Institut Henry
Poincare pada 1928.
23
24. Gagasan foton Einstein kemudian diterapkan Louis de Broglie pada 1922,
sebelum Compton membuktikannya, untuk menurunkan Hukum Wien (1896).
Ini menyatakan bahwa "bagian tenaga elektromagnet yang paling banyak
dipancarkan benda (hitam) panas adalah yang frekuensinya sekitar 100 milyar
kali suhu mutlak (273 + suhu Celsius) benda itu". Pekerjaan ini ternyata
memberi dampak yang berkesan bagi de Broglie.
Pada musim panas 1923, de Broglie menyatakan, "secara tiba-tiba muncul
gagasan untuk memperluas perilaku rangkap (dual) cahaya mencangkup pula
alam partikel". Ia kemudian memberanikan diri dengan mengemukakan bahwa
"partikel, seperti elektron juga berperilaku sebagai gelombang". Gagasannya
ini ia tuangkan dalam tiga makalah ringkas yang diterbitkan pada 1924; salah
satunya dalam jurnal vak fisika Perancis, Comptes Rendus.
Penyajiannya secara terinci dan lebih luas kemudian menjadi bahan tesis
doktoralnya yang ia pertahankan pada November 1924 di Sorbonne, Paris.
Tesis ini berangkat dari dua persamaan yang telah dirumuskan Einstein untuk
foton, E=hf dan p=h/. Dalam kedua persamaan ini, perilaku yang "berkaitan"
dengan partikel (energi E dan momentum p) muncul di ruas kiri, sedangkan
ruas kanan dengan gelombang (frekuensi f dan panjang gelombang , baca:
lambda). Besaran h adalah tetapan alam yang ditemukan Planck, tetapan
Planck.
Secara tegas, de Broglie mengatakan bahwa hubungan di atas juga berlaku
untuk partikel. Ini merupakan maklumat teori yang melahirkan gelombang
partikel atau de Broglie. Untuk partikel, seperti elektron, momentum p adalah
hasilkali massa (sebanding dengan berat) dan lajunya. Karena itu, panjang
gelombang de Broglie berbanding terbalik dengan massa dan laju partikel.
Sebagai contoh, elektron dengan laju 100 cm per detik, panjang gelombangnya
sekitar 0,7 mm.
e. Werner Karl Heisenberg
24
25. Di tahun 1925 Werner Heisenberg mengajukan rumus baru di bidang fisika,
suatu rumus yang teramat sangat radikal, jauh berbeda dalam pokok konsep
dengan rumus klasik Newton. Teori rumus baru ini --sesudah mengalami
beberapa perbaikan oleh orang-orang sesudah Heisenberg--sungguh-sungguh
berhasil dan cemerlang. Rumus itu hingga kini bukan cuma diterima melainkan
digunakan terhadap semua sistem fisika, tak peduli yang macam apa dan dari
yang ukuran bagaimanapun.
Dapat dibuktikan secara matematik, sepanjang pengamatan hanya dengan
menggunakan sistem makroskopik melulu, perkiraan kuantum mekanika
berbeda dengan mekanika klasik dalam jumlah yang terlampau kecil untuk
diukur. (Atas dasar alasan ini, mekanika klasik --yang secara matematik lebih
sederhana daripada kuanturn mekanika-- masih dapat dipakai untuk
kebanyakan perhitungan ilmiah). Tetapi, bilamana berurusan dengan sistem
dimensi atom, perkiraan tentang kuantum mekanika berbeda besar dengan
mekanika klasik. Percobaan-percobaan membuktikan bahwa perkiraan
mengenai kuantum mekanika adalah benar.
Salah satu konsekuensi dari teori Heisenberg adalah apa yang terkenal --
dengan rumus "prinsip ketidakpastian" yang dirumuskannya sendiri di tahun
1927. Prinsip itu umumnya dianggap salah satu prinsip yang paling mendalam
di bidang ilmiah dan paling punya daya jangkau jauh. Dalam praktek, apa yang
diterapkan lewat penggunaan "prinsip ketidakpastian" ini adalah
mengkhususkan batas-batas teoritis tertentu terhadap kesanggupan kita
membuat ukuran-ukuran ilmiah. Akibat serta pengaruh dari sistem ini sangat
dahsyat. Apabila hukum dasar fisika menghambat seorang ilmuwan --bahkan
dalam keadaan yang ideal sekalipun-- mendapatkan pengetahuan yang cermat
dari suatu penyelidikan, ini disebabkan karena sifat-sifat masa depan dari
sistem itu tidak sepenuhnya bisa diramalkan. Menurut "prinsip ketidakpastian,"
tak akan ada perbaikan pada peralatan ukur kita yang akan mengijinkan kita
mengungguli kesulitan, ini.
25
26. "Prinsip ketidakpastian" ini menjamin bahwa fisika, dalam keadaannya yang
lumrah, tak sanggup membikin lebih dari sekedar dugaan-dugaan statistik.
Seorang ilmuwan yang menyelidiki radioaktivitas, misalnya, mungkin mampu
menduga bahwa satu dari setriliun atom radium, dua juta akan mengeluarkan
sinar gamma dalam waktu sehari sesudahnya.
Tetapi, Heisenberg sendiri tidak bisa menaksir apakah ada atom radium yang
khusus yang akan berbuat begitu. Dalam banyak hal yang praktis, ini bukannya
satu pembatasan yang ketat. Bilamana menyangkut jumlah besar, metoda
statistik sering mampu menyuguhkan basis pijakan yang dapat dipercaya untuk
sesuatu langkah. Tetapi, jika menyangkut jumlah dari ukuran kecil, soalnya
jadi lain. Di sini "prinsip ketidakpastian" memaksa kita menghindar dari
gagasan sebab-akibat fisika yang ketat. Ini mengedepankan suatu perubahan
yang amat mendasar dalam pokok filosofi ilmiah. Begitu mendasarnya sampai-
sampai ilmuwan besar Einstein tak pernah mau terima prinsip ini. "Saya tidak
percaya," suatu waktu Einstein berkata, "bahwa Tuhan main-main dengan
kehancuran alam semesta."
Tetapi, ini pada hakekatnya sebuah pertanda bahwa ahli-ahli fisika yang paling
modern merasa perlu menerimanya.
Jelaslah sudah, dari sudut teori kuantum, dan pada tingkat lebih lanjut bahkan
lebih besar dari "teori relativitas," telah merombak konsep dasar kita tentang
dunia fisik. Tetapi, konsekuensi teori ini tidaklah semata bersifat filosofis.
Diantara penggunaan praktisnya, dapat dilihat pada peralatan modern seperti
mikroskop elektron, laser dan transistor. Teori kuantum juga secara luas
digunakan dalam bidang fisika nuklir dan tenaga atom. Ini membentuk dasar
pengetahuan kita tentang bidang "spectroscopy" (alat memprodusir dan
meneliti spektra cahaya), dan ini digunakan secara luas di sektor astronomi dan
kimia. Dan juga dimanfaatkan dalam penyelidikan teoritis dalam masalah yang
topiknya beraneka ragam seperti kualitas khusus cairan belium, dasar susunan
26
27. intern binatang-binatang, daya penambahan kekuatan magnit, dan radio
aktivitas.
f. Erwin Schrodinger
Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961) ialah fisikawan
Austria.
Dilahirkan di Wina, Austria-Hongaria. Ibunya berasal dari Inggris dan ayahnya
berasal dari Austria. Ia memperoleh gelar doktor di kota itu di bawah
bimbingan mantan murid Ludwig Boltzmann.
Selama PD I, ia menjadi perwira artileri. Setelah perang ia mengajar di Zurich,
Swiss. Di sana, ia menangkap pengertian Louis Victor de Broglie yang
menyatakan bahwa partikel yang bergerak memiliki sifat gelombang dan
mengembangkan pengertian itu menjadi suatu teori yang terperinci dengan
baik. Setelah ia menemukan persamaannya yang terkenal, ia dan ilmuwan
lainnya memecahkan persamaan itu untuk berbagai masalah; di sini kuantisasi
muncul secara alamiah, misalnya dalam masalah tali yang bergetar. Setahun
sebelumnya Werner Karl Heisenberg telah mengemukakan formulasi mekanika
kuantum, namun perumusannya agak sulit dipahami ilmuwan masa itu.
Schrödinger memperlihatkan bahwa kedua formulasi itu setara secara
matematis.
Schrödinger menggantikan Max Planck di Berlin pada 1927, namun pada 1933,
ketika Nazi berkuasa, ia meninggalkan Jerman. Dalam tahun itu ia menerima
Hadiah Nobel Fisika bersama dengan Dirac. Pada 1939 sampai 1956 ia bekerja
di Institute for Advanced Study di Dublin, lalu kembali ke Austria.
g. Paul Dirac
Pada tanggal 8 Agustus 1902 lahirlah seorang anak yang diberi nama Paul
Andrien Maurice Dirac di Bristol Inggris. Siapa sangka di kemudian hari anak
27
28. yang dikenal sebagai Paul Dirac ini akan menjadi fisikawan besar Inggris yang
dapat disejajarkan dengan Newton, Thomson, dan Maxwell. Melalui teori
kuantumnya yang menjelaskan tentang elektron, Dirac menjelma menjadi
fisikawan ternama di dunia dan namanya kemudian diabadikan bagi persamaan
relativistik yang dikembangkannya, yaitu persamaan Dirac. Tulisan ini dibuat
untuk mengenang kembali perjalanan karirnya yang cemerlang dalam bidang
fisika teori. Dirac kecil tumbuh dan besar di Bristol. Ayahnya yang berasal dari
Swiss bernama Charles lahir di kota Monthey dekat Geneva pada tahun 1866
dan kemudian pindah ke Bristol Inggris, untuk menjadi guru bahasa Prancis di
Akademi Teknik Merchant Venturers. Ibunya bernama Florence Holten, wanita
yang lahir di Liskeard pada tahun 1878 dan menjadi pustakawan di kota
Bristol. Ayah dan Ibu Dirac menikah di Bristol pada tahun 1899 dan memiliki
tiga orang, dua laki-laki (di mana Paul adalah yang lebih muda) dan seorang
perempuan.
Setelah menyelesaikan pendidikan SMA dan sekolah teknik, Paul Dirac
melanjutkan studi di Jurusan teknik elektro Universitas Bristol pada tahun
1918. Pilihannya ini diambil berdasarkan anjuran ayahnya yang menginginkan
Paul mendapatkan pekerjaan yang baik. Dirac menyelesaikan kuliahnya
dengan baik, tetapi dia tidak mendapatkan pekerjaan yang cocok paska
berkecamuknya perang dunia pada saat itu. Keinginannya adalah pergi ke
Universitas Cambridge untuk meperdalam matematika dan fisika. Dia diterima
di akademi St John Cambridge pada tahun 1921, tetapi hanya ditawarkan
beasiswa yang tidak memadai untuk menyelesaikan kuliahnya. Untungnya dia
sanggup mengambil kuliah matematika terapan di Universitas Bristol selama
dua tahun tanpa harus membayar uang kuliah dan tetap dapat tinggal di rumah.
Setelah itu pada tahun 1923 dia berhasil mendapatkan beasiswa penuh di
akademi St John dan dana penelitian dari Departemen perindustrian dan sains,
tetapi dana ini pun belum bisa menutupi jumlah biaya yang diperlukan untuk
kuliah di Cambridge. Pada akhirnya Paul Dirac berhasil mewujudkan
keinginannya kuliah di Akademi St John karena adanya permintaan dari pihak
universitas. Di Cambridge Paul Dirac mengerjakan semua pekerjaan sepanjang
28
29. hidupnya sejak kuliah paska sarjananya pada tahun 1923 sampai pensiun
sebagai profesor (lucasian professor) pada tahun 1969.
Pada tanggal 20 oktober 1984 Paul Dirac meninggal dunia pada usia 84 tahun,
sebagai peraih hadiah nobel fisika tahun 1933 dan anggota British order of
merit tahun 1973. Paul Dirac merupakan fisikawan teoritis Inggris terbesar di
abad ke-20. Pada tahun 1995 perayaan besar disellenggarakan di London untuk
mengenang hasil karyanya dalam fisika. Sebuah monumen dibuat di
Westminster Abbey untuk mengabadikan namanya dan hasil karyanya, di mana
di sini dia bergabung bersama sejumlah monumen yang sama yang dibuat
untuk Newton, Maxwell, Thomson, Green dan fisikawan-fisikawan besar
lainnya. Pada monumen itu disertakan pula Persamaan Dirac dalam bentuk
relativistik yang kompak. Sebenarnya persamaan ini bukanlah persamaan yang
digunakan Dirac pada saat itu, tetapi kemudian persamaan ini digunakan oleh
mahasiswanya. Dirac mengukuhkan teori mekanika kuantum dalam bentuk
yang paling umum dan mengembangkan persamaan relativistik untuk elektron,
yang sekarang dinamakan menggunakan nama beliau yaitu persamaan Dirac.
Persamaan ini juga mengharuskan adanya keberadaan dari pasangan
antipartikel untuk setiap partikel misalnya positron sebagai antipartikel dari
elektron. Dia adalah orang pertama yang mengembangkan teori medan
kuantum yang menjadi landasan bagi pengembangan seluruh teori tentang
partikel subatom atau partikel elementer. Pekerjaan ini memberikan dasar bagi
pemahaman kita tentang gaya-gaya alamiah. Dia mengajukan dan menyelidiki
konsep kutub magnet tunggal (magnetic monopole), sebuah obyek yang masih
belum dapat dibuktikan keber-adaannya, sebagai cara untuk memasukkan
simetri yang lebih besar ke dalam persamaan medan elektromagnetik Maxwell.
Paul Dirac melakukan kuantisasi medan gravitasi dan membangun teori medan
kuantum umum dengan konstrain dinamis, yang memberikan landasan bagi
terbentuknya Teori Gauge dan Teori Superstring, sebagai kandidat Teory Of
Everything, yang berkembang sekarang. Teori-teorinya masih berpengaruh dan
penting dalam perkembangan fisika hingga saat ini, dan persamaan dan konsep
29
30. yang dikemukakannya menjadi bahan diskusi di kuliah-kuliah fisika teori di
seluruh dunia. Langkah awal menuju teori kuantum baru dimulai oleh Dirac
pada akhir September 1925. Saat itu, R H Fowler, pembimbing risetnya,
menerima salinan makalah dari Werner Heisenberg berisi penjelasan dan
pembuktian teori kuantum lama Bohr dan Sommerfeld, yang masih mengacu
pada prinsip korespondensi Bohr tetapi berubah persamaannya sehingga teori
ini mencakup secara langsung kuantitas observabel. Fowler mengirimkan
makalah Heisenberg kepada Dirac yang sedang berlibur di Bristol dan
menyuruhnya untuk mempelajari makalah itu secara teliti. Perhatian Dirac
langsung tertuju pada hubungan matematis yang aneh, pada saat itu, yang
dikemukakan oleh seorang seperti Werner Karl Heisenberg.
Beberapa pekan kemudian setelah kembali ke Cambridge, Dirac tersadar
bahwa bentuk matematika tersebut mempunyai bentuk yang sama dengan
kurung poisson (poisson Bracket) yang terdapat dalam fisika klasik dalam
pembahasan tentang dinamika klasik dari gerak partikel. Didasarkan pada
pemikiran ini dengan cepat dia merumuskan ulang teori kuantum yang
didasarkan pada variabel dinamis non-komut (non-comuting dinamical
variables). Cara ini membawanya kepada formulasi mekanika kuantum yang
lebih umum dibandingkan dengan yang telah dirumuskan oleh fisikawan yang
lain. Pekerjaan ini merupakan pencapaian terbaik yang dilakukan oleh Dirac
yang menempatkannya lebih tinggi dari fisikawan lain yang pada saat itu sama
sama mengembangkan teori kuantum. Sebagai fisikawan muda yang baru
berusia 25 tahun, dia cepat diterima oleh komunitas fisikawan teoritis pada
masa itu. Dia diundang untuk berbicara di konferensi-konferensi yang
diselenggarakan oleh komunitas fisika teori, termasuk kongres Solvay pada
tahun 1927 dan tergabung sebagai anggota dengan hak-hak yang sama dengan
anggota yang lain yang terdiri dari para pakar fisika ternama dari seluruh
dunia.
Formulasi umum tentang teori kuantum yang dikembangkan oleh Dirac
memungkinkannya untuk melangkah lebih jauh. Dengan formulasi ini, dia
30
31. mampu mengembangkan teori transformasi yang dapat menghubungkan
berbagai formulasi-formulasi yang berbeda dari teori kuantum. Teori
tranformasi menunjukkan bahwa semua formulasi tersebut pada dasarnya
memiliki konsekuensi fisis yang sama, baik dalam persamaan mekanika
gelombang Schrodinger maupun mekanika matriknya Heisenberg. Ini
merupakan pencapaian yang gemilang yang membawa pada pemahaman dan
kegunaan yang lebih luas dari mekanika kuantum. Teori tranformasi ini
merupakan puncak dari pengembangan mekanika kuantum oleh Dirac karena
teori ini menyatukan berbagai versi dari mekanika kuantum, yang juga
memberikan jalan bagi pengembangan mekanika kuantum selanjutnya. Di
kemudian hari rumusan teori transformasi ini menjadi miliknya sebagaimana
tidak ada versi mekanika kuantum yang tidak menyertainya. Bersama dengan
teori transformasi, mekanika kuantum versi Dirac disajikan dalam bentuk yang
sederhana dan indah, dengan struktur yang menunjukkan kepraktisan dan
konsep yang elegan, dan berkaitan erat dengan teori klasik.
Karir cemerlang Dirac sesungguhnya telah tampak ketika dia masih berada di
tingkat sarjana. Pada saat itu Dirac telah menyadari pentingnya teori relatifitas
khusus dalam fisika, suatu teori yang menjadikan Einstein terkenal pada tahun
1905, yang dipelajari Dirac dari kuliah yang dibawakan oleh C D Broad,
seorang profesor filsafat di Universitas Bristol. Sebagian besar makalah yang
dibuat Dirac sebagai mahasiswa paska sarjana ditujukan untuk menyajikan
bentuk baru dari rumusan yang sudah ada dalam literatur menjadi rumusan
yang sesuai (kompatibel) dengan relatifitas khusus. Pada tahun 1927 Dirac
berhasil mengembangkan teori elektron yang memenuhi kondisi yang
disyaratkan oleh teori relatifitas khusus dan mempublikasikan persamaan
relativistik yang invarian untuk elektron pada awal tahun 1928. Sebagian
fisikawan lain sebenarnya memiliki pemikiran yang sama dengan apa yang
dilakukan oleh Dirac, meskipun demikian belum ada yang mampu menemukan
persamaan yang memenuhi seperti apa yang telah dicapai oleh Dirac. Dia
memiliki argumen yang sederhana dan elegan yang didasarkan pada tujuan
bahwa teori tranformasinya dapat berlaku juga dalam mekanika kuantum
31
32. relativistik sebuah argumen yang menspesifikasikan bentuk umum dari yang
harus dimiliki oleh persamaan relativistik ini, sebuah argumen yang menjadi
bagian yang belum terpecahkan bagi semua fisikawan.
Persamaan Dirac merupakan salah satu persamaan fisika yang paling indah.
Profesor Sir Nevill Mott, mantan Direktur Laboratorium Cavendish, baru-baru
ini menulis, persamaan ini bagi saya adalah bagian fisika teori yang paling
indah dan menantang yang pernah saya lihat sepanjang hidup saya, yang hanya
bisa dibandingkan dengan kesimpulan Maxwell bahwa arus perpindahan dan
juga medan elektromagnetik harus ada. Selain itu, persamaan Dirac untuk
elektron membawa implikasi penting bahwa elektron harus mempunyai spin,
dan momen magnetik menjadi benar dengan ketelitian mencapai 0,1%.
Persamaan Dirac dan teori elektronnya masih tetap relevan digunakan sampai
sekarang. Perkiraan yang dibuatnya telah dibuktikan dalam sistem atom dan
molekul. Telah ditunjukkan juga bahwa hal ini berlaku untuk partikel lain yang
memiliki spin yang sama dengan elektron seperti proton, hyperon dan partikel
keluarga baryon lainnya. konsep ini dapat diterapkan secara universal dan
diketahui dengan baik oleh para fisikawan dan kimiawan, sesuatu yang tidak
seorangpun dapat membantahnya. Melihat kenyataan ini, Dirac merasa sudah
waktunya untuk menyatakan, teori umum mekanika kuantum sudah lengkap
sekarang, hukum-hukum fisika yang yang mendasari diperlukannya teori
matematika dari bagian besar fisika dan keseluruhan bagian dari kimia.
Dirac menunjukkan kemudian bahwa persamaannya ini mengandung implikasi
yang tidak diharapkan bagi suatu partikel. Persamaannya memperkirakan
adanya antipartikel, seperti positron dan antiproton yang bermuatan negatif,
yaitu suatu obyek yang saat ini sudah sangat dikenal di laboratorium fisika
energi tinggi. Menurut teorinya, semua partikel memiliki antipartikel yang
tertentu yang terkait dengannya. sebagian besar dari antipartikel ini sekarang
telah dibuktikan keberadaannya. Positron dan antiproton adalah sebagian kecil
dari antipartikel yang sudah sangat dikenal, keduanya dapat berada dalam
kondisi stabil di ruang hampa, dan saat ini digunakan secara luas dalam
32
33. akselerator penumbuk partikel (collider accelerator) yang dengannya fisikawan
mempelajari fenomena yang terjadi dalam fisika energi tinggi. Keindahan dari
persamaan Dirac ini bisa jadi sulit dirasakan oleh orang yang tidak terbiasa
dengan rumus-rumus fisika, tetapi kenyataan ini tidak akan dibantah oleh para
fisikawan. Persamaan Dirac adalah salah satu penemuan besar dalam sejarah
fisika. Dirac memberikan prinsip-prinsip dasar yang memuaskan dalam usaha
untuk memahami alam semesta kita. Melalui penemuannya ini nama Dirac
akan dikenang selamanya sebagai salah satu fisikawan besar. Suatu monumen
telah dibangun untuknya atas jasanya membimbing kita kepada pemahaman
tentang salah satu aspek penting gaya dasar yang terkandung dialam semesta
yang kita diami ini. Nama Dirac akan dimasukkan dalam catatan sejarah fisika
melalui kontribusi yang diberikannya kepada dunia ilmu pengetahuan berupa
dasar-dasar mekanika kuantum dan teori transformasi. Penemuannya
menempatkan Dirac di jajaran papan atas fisikawan teori sepanjang masa.
2.5 Bukti dari Mekanika Kuantum
Mekanika kuantum sangat berguna untuk menjelaskan perilaku atom dan
partikel subatomik seperti proton, neutron dan elektron yang tidak
mematuhi hukum-hukum fisika klasik. Atom biasanya digambarkan sebagai
sebuah sistem di mana elektron (yang bermuatan listrik negatif) beredar
seputar nukleus atom (yang bermuatan listrik positif). Menurut mekanika
kuantum, ketika sebuah elektron berpindah dari tingkat energi yang lebih
tinggi (misalnya dari n=2 atau kulit atom ke-2 ) ke tingkat energi yang lebih
rendah (misalnya n=1 atau kulit atom tingkat ke-1), energi berupa sebuah
partikel cahaya yang disebut foton, dilepaskan. Energi yang dilepaskan
dapat dirumuskan sbb:
keterangan:
33
34. adalah energi (J)
adalah tetapan Planck, (Js), dan
adalah frekuensi dari cahaya (Hz)
Dalam spektrometer massa, telah dibuktikan bahwa garis-garis spektrum
dari atom yang di-ionisasi tidak kontinyu, hanya pada frekuensi/panjang
gelombang tertentu garis-garis spektrum dapat dilihat. Ini adalah salah satu
bukti dari teori mekanika kuantum.
34
35. III. KESIMPULAN
Berdasarkan pembahasan yang telah disampaikan pada makalah ini maka dapat
ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Dasar dimulaianya periode mekanika kuantum adalah ketika mekanika
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.
2. Pada tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat
dibagi-bagi menjadi beberapa paket atau kuanta. Ide ini secara khusus
digunakan untuk menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan
oleh benda hitam.
3. Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotoelektrik dengan
menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang
disebut foton.
4. Pada tahun 1913, Niels Bohr menjelaskan garis spektrum dari atom
hidrogen, lagi dengan menggunakan kuantisasi.
5. Pada tahun 1924, Louis de Broglie memberikan teorinya tentang
gelombang benda.
6. Mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925, ketika Werner Karl
Heisenberg mengembangkan mekanika matriks dan Erwin Schrödinger
menemukan mekanika gelombang dan persamaan Schrödinger.
Schrödinger beberapa kali menunjukkan bahwa kedua pendekatan tersebut
sama.
35
