1
n
NALDO J. I. TANELAB
SEJARAH FISIKA
Perkembangan Fisika Klasik, Fisika Modern,
Ilmu Mekanika, Ilmu Panas, Ilmu Optic Dan
Ilmu Astronomi,
2
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas rahmat dan bimbinganNya, saya dapat menyelesaikan buku mata kuliah Sejarah Fisika dengan judul “PERKEMBANGAN CABANG- CABANG ILMU FISIKA” ini dengan baik dan tepat pada waktunya.
Saya sadar bahwa tersusunnya buku ini tidak lepas dari adanya petunjuk, arahan serta bantuan dari berbagai pihak. buku ini saya susun dengan penuh kesungguhan, dengan mengerahkan segala kemampuan yang saya miliki, namun saya sadar bahwa buku ini masih banyak memiliki kelemahan dan kekurangan. Oleh karena itu dengan segala kerendahan hati saya mohon kritik, saran, serta masukan-masukan berharga dari semua pihak, terutama dari Ibu Dosen pembimbing mata kuliah Sejarah Fisika, teman-teman mahasiswaFKIP Fisika UNDANA Kupang angkatan 2014, serta pihak-pihak lain yang terkait, demi perbaikan dan penyempurnaan buku ini.
Akhir kata, saya buku ini megucapkan limpah terima kasih. Semuga, dengan adanya buku ini, menjadi bacaan yang bermanfaat bagi kita semua.
Kupang, April 2015
3
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... 2
DAFTAR ISI ... 3
PENDAHULUAN ... 6
BAB I PERKEMBANGAN FISIKA KLASIK ... 7
1.1 Latar Belakang ... 7
1.2 Tujuan ... 7
1.3 Fisika Periode Yunani Kuno ... 8
1.4 Fisika Klasik ... 11
1.5 Contoh Soal ... 27
1.6 Jawaban ... 27
1.7 Kesimpulan ... 28
BAB II PERKEMBANGAN FISIKA MODERN ... 30
2.1 Latar Belakang ... 30
2.2 Tujuan ... 30
2.3 Munculnya Fisika Modern ... 31
2.4 Fenomena-Fenomena pada Era Fisika Modern ... 36
2.6 Hukum-Hukum dan Teori Pada Era Fisika Modern ... 37
2.7 Tokoh dan Teori Fisika Modern ... 39
2.7 Dampak Fisika Modern... 44
2.8 Contoh Soal ... 45
2.9 Jawaban ... 45
4
BAB III PERKEMBANGAN ILMU MEKANIKA ... 48
3.1 Latar Belakang ... 48
3.2 Tujuan... 48
3.3 Perkembangan Mekanika Klasik ... 49
3.3 Perkembangan Mekanika Modern ... 64
3.4 Contoh Soal ... 66
3.6 Jawaban ... 66
3.7 Kesimpulan ... 67
BAB IV PERKEMBANGAN ILMU PANAS ... 68
4.1 Latar Belakang ... 68
4.2 Tujuan ... 68
4.3 Peristiwa-Peristiwa Penting Termodinamika ... 69
4.4 Tokoh-Tokoh Yang Berperan Dalam Perkembangan Ilmu Panas... 75
4.5 Contoh Soal ... 82
4.6 Jawaban ... 82
4.7 Kesimpulan ... 83
BAB V PERKEMBANGAN ILMU OPTIK ... 84
5.1 Latar Belakang ... 84
5.2 Tujuan ... 84
5.3 Perkembangan Optik Periode I ... 85
5.4 Perkembangan Optik Periode II ... 91
5.5 Perkembangan Optik Periode III... 98
5.6 Perkembangan Optik Periode IV ... 102
5.7 Perkembangan Optik Periode V ... 106
5
5.9 Jawaban ... 108
5.10 Kesimpulan ... 109
BAB VI PERKEMBANGAN ILMU ASTRONOMI ... 110
6.1 Latar Belakang ... 110
6.2 Tujuan ... 110
6.4 Periode 1 (Zaman Purbakala – 1500M) ... 111
6.5 Periode II (Sekitar 1550 – 1800 M) ... 116
6.6 Periode III (1800M – 1890M) ... 121
6.7 Periode IV (1890M – Sekarang) ... 125
6.8 Sejarah Perkembangan Astronomi Modern ... 140
6.9 Astronom-Astronom Muslim ... 147
6.10 Perkembangan Ilmu Astronomi Di Indonesia ... 154
6.11 Kesimpilan ... 155
6
PENDAHULUAN
Jagad raya beserta segenap isinya menyimpan berjuta misteri yang selalu menarik perhatian manusia dari zaman ke zaman. Fisika sebagai ilmu yang lahir dari usaha manusia untuk menyingkap sebagian rahasia yang terkandung dalam alam semesta telah berusia hampir sepanjang peradaban umat manusia.Tidak heran apabila Fisika dipandang sebagai salah satu cabang ilmu pengetahuan yang tertua yang dikenal oleh umat manusia.
Perkembangan teknologi yang sangat pesat dalam dua abad terakhir ini juga berperan besar dalam membantu memberikan pemahaman yang lebih mendalam bagi umat manusia terhadap gejala-gejala yang terjadi peda benda, maupun fenomena-fenomena alam yang menyertainya.Halaman ini ditujukan sebagai sarana untuk berbagi info dengan sesama penggemar Fisika, juga dalam rangka memperkenalkan Perkembangan ilmu fisika bagi yang belum mengenalnya. Isi dari buk ini penulis menyusunya dengan teliti untuk mudah dipahami oleh pembaca.
Perkembangan konsep Ilmu pada fisika telah lahir sejak adanya peradaban manusia. Secara fitrah manusia ingin tahu lebih banyak dan juga ingin mendapatkan kejelasan tentang bagaimana hakikat atas segala sesuatu yang dilihatnya. Bagaimana manusia mengenal lingkungan tempat tinggalnya kemudian beranjak tentang bentuk bumi dan hubungannya dengan ―semua fenomena fisis‖ sesuai yang dilihatnya dan dialaminya.
Buku ini berisikan pengetahun tentang perkembangan fisika, terkususnya perkembangan fisika klasik, fisika modern, ilmu mekanika, ilmu pana, ilmu optic dan ilmu astronomi, tidak hanya itu, di dalam buku ini, juga diparkenalkan tokoh-tokoh yang berparan panting dalam tiap perkembangan cabang ilmu fisika yang telah disebutkan. Untk itu, dengan membaca buku ini, kita akan lebih mengerti dan mengenal tentang perkembangan fisika
7 1.1 LATAR BELAKANG
Teknologi yang ada sekarang ini merupakan hasil dari perjalan panjang ilmu sains, lampu yang dapat menyala, pesawat yang dapat terbang,dan masih banyak lagi lainya, merupakan hasil deri perjalanan panjang. namun taukah kita, bagaimana semua yang kita nikmati sekarang ini perjalananya seperti apa? Untuk itu, pada bab ini kita akan mengetahui perkembangan fisika klasik itu seperti apa, dan juga, kita akan mempelajari tokoh-tokoh pada era fisika klasik.
1.2 TUJUAN
1. mahasiswa selaku pembaca dan pelaku pendidikan dapat memahami sejarah perkembangan fisika, secara khusus pada fisika klasik dan mengenali ilmuwan-ilmuwan yang berjasa dibalik perkembangan ilmu fisika
BAB
I
PERKEMBANGAN FISIKA KLASIK
8 1.3 FISIKA PERIODE YUNANI KUNO
Fisika pada zaman Yunani Kuno merupakan periode sangat penting dalam sejarah peradaban manusia karena pada waktu ini terjadi perubahan-perubahan pola pikir manusia dari mitosentris menjadi ilogosentris. Pola pikir mitosentris adalah pola pikir masyarakat yang sangat mengandalkan mitos untuk menjelaskan fenomena alam, seperti gempa bumi dan pelangi. Gempa bumi tidak dianggap fenomena alam biasa, tetapi Dewa Bumi yang sedang menggoyakan kepalanya.
Namun, ketika filsafat diperkenalkan,fenomena alam tersebut tidak lagi dianggap sebagai aktifitas dewa, tetapi aktifitas alam yang terjadi secara kausalitas. Perubahan pola pikir tersebut kelihatannya sederhana, tetapi implikasinya tidak sederhana karena selama ini alam ditakuti dan dijauhi kemudian didekati bahkan dieksploitasi. Pada zaman ini fisika disebut sebagai filsafat alam (sekitar abad XVIII). Orang Yunani awalnya sangat percaya pada dongeng dan takhyul, tetapi lama kelamaan, terutama setelah mereka mampu membedakan yang riil dengan yang ilusi, mereka mampu keluar dari kungkungan mitologi dan mendapatkan dasar pengetahuan ilmiah. Inilah titik awal manusia menggunakan rasio untuk meneliti dan sekaligus mempertanyakan dirinya dan alam jagad raya. Karena manusia selalu berhadapan dengan alam yang begitu luas dan penuh misteri, timbul rasa ingin mengetahui rahasia alam itu. Lalu timbul pertanyaan dalam pikirannya; dari mana datangnya alam ini, bagaimana kejadiannya, bagaimana kemajuaannya dan kemana tujuannya? Pertanyaan semacam inilah yang selalu menjadi pertanyaan dikalangan filosof Yunani, sehingga tidak heran kemudian mereka juga disebut dengan filosof alam karena perhatian yang begitu besar pada alam. Para filosof alam ini juga disebut para filosof pra Sokrates, sedangkan Sokrates dan setelahnya disebut para filosof pasca Sokrates yang tidak hanya mengkaji tentang alam, tetapi manusia dan perilakunya.
9
1.3.1 Tokoh-tokoh Yunani kuno dan pandanganya tentang alam semesta Setiap filosof mempunyai pandangan berbeda mengenai seluk beluk alam semesta. Perbedaan pandangan bukan selalu berarti negatif, tetapi justrumerupakan kekayaan khazanah keilmuan. Terbukti sebagian pandangan mereka mengilhami generasi setelahnya. Berikut, merupakan Tokoh-tokoh Yunani kuno dan pandanganya tentang alam semesta
Nama Gambar Pendapat tentangalamsemesta
Thales
(624-546 SM)
Thales, yang dijuluki bapak filsafat, berpendapat bahwa asal alam adalah air.
Anaximandros(610-540 SM)
Menurut Anaximandros substansi pertama itu bersifat kekal, tidak terbatas, dan meliputi segalanya yang dinamakan apeiron, bukan air atau tanah.
Heraklitos (540-480 SM)
Heraklitos melihat alam semesta selalu dalam keadaan berubah. Baginya yang mendasar dalam alam semesta adalah bukan bahannya, melainkan aktor dan penyebabnya yaitu api.
Parmenides (515-440 SM)
Bertolak belakang dengan Heraklitos, Parmenides berpendapat bahwa realitas merupakan keseluruhan yang bersatu, tidak bergerak dan tidak berubah.
10 Phytagoras
(582-496 SM)
Phytagoras berpendapat bahwa bilangan adalah unsur utama alam dan sekaligus menjadi ukuran. Unsur-unsur bilangan itu adalah genap dan ganjil, terbatas dan tidak terbatas.
Democritus (460-370 SM)
Democritus berpendapat bahwa bagian terkecil dari suatu benda adalah atom, tidak dapatdibagi lagi.
Empedocles (490-430 SM)
Empedocles berpendapat bahwa alam ini disusun dari empat elemen utama yakin bumi, api, udara dan air. Yang menurut Empedocles disebutnya sebagai risomata atau akar dari segala materi.
Plato
(428-347 SM)
Lebih dalam Plato memperdalam gagasan tentang elemen-elemen penyusun benda. Menurutnya, elemen-elemen pembentuk benda memiliki suatu bentuk geometris yang sangat khas yang dikenal sebagai polihedron termasuk di dalamnya adalah kubus, tetrahedron, octahedron, dan icosahedron.
Aristoteles(384-322 SM)
Aristoteles, menyatakan bahwa benda yang berat jika dijatuhkan dengan benda yang ringan akan bergerak lebih cepat daripada benda yang ringan. Pendapat tersebut
11
tanpa adanya suatu percobaan terlebih dahulu sehingga ditantang habis-habisan oleh Galileo Galilei.
Archimedes(287-212 SM)
Archimedes yang memiliki penemuan-penemuan yang sangat menakjubkan dalam dunia fisika secara khusus dan dunia sains secara umum.
1.4 FISIKA KLASIK
Fisika klasik adalah fisika yang didasari prinsip-prinsip yang dikembangkan sebelum bangkitnya teori kuantum, biasanya termasuk teori relativitas khusus dan teori relativitas umum.Cabang-cabang yang termasuk fisika klasik antara lain adalah, mekanika klasik (hukum gerak Newton, Lagrangian dan mekanika Hamiltonian), Elektrodinamika klasik (persamaan Maxwell), termodinamika klasik dan teori Chaos klasik.
Dibandingkan dengan fisika klasik, fisika modern adalah istilah yanglebih longgar, yang dapat merujuk hanya pada fisika kuantum atau secara umumpada fisika abad XX dan XXI dan karenanya selalu mengikutsertakan teori kuantum dan juga dapat termasuk relativitas.
12 1.4.1 Cabang-cabang dalam fisika klasik
A. Mekanika Klasik
Dalam Mekanika diformulasikan Persamaan Hamiltonian (yang kemudian dipakai dalam Fisika Kuantum), persamaan gerak benda tegar, teori elastisitas, hidrodinamika.
Mekanika klasik di sini menggambarkan dinamika partikel atau sistem partikel. Dinamika partikel demikian, ditunjukkan oleh hukum-hukum Newton tentang gerak, terutama oleh hukum II Newton.
Hukum ini menyatakan, ―Sebuah benda yang memperoleh pengaruh gaya atau interaksi akan bergerak sedemikian rupa sehingga laju perubahan waktu dari momentum sama dengan gaya tersebut‖.Sebuah benda bermassa m yang bergerak dengan kecepatan v memiliki energi kinetik yang didefinisikan oleh :
Dan momentum linear p yang didefinisikan oleh :
Apabila sebuah benda bertumbukan dengan benda lain, maka untuk menganalisis tumbukannya dengan menerapkan kedua hukum kekekalan berikut: Kekekalan Energi :
Energi total sebuah sistem terpisah (resultan gaya luar yang bekerja padanya nol) selalu konstan. Ini berarti (dalam kasus ini) bahwa energi total kedua partikel sebelum tumbukan sama dengan energi total kedua partikel setelah tumbukan.
K= ½ mv
213 Kekekalan Momentum Linear:
Momentum linear total sebuah sistem terpisah selalu konstan. Artinya, momentum linear total kedua partikel sebelum tumbukan sama dengan momentum linear total kedua setelah tumbukan. Karena momentum linear adalah sebuah vektor, maka penerapan hukum ini biasanya memberikan dua buah persamaan, satu bagi komponen x dan yang lainnya bagi komponen y.Penerapan lain dari kekekalan energi berlaku ketika sebuah partikel bergerak dibawah pengaruh sebuah gaya luar F. Terdapat juga energi potensial V yang sedemikian rupa sehingga untuk gerak satu dimensi berlaku,
Prinsip Hamilton
Jika ditinjau gerak partikel yang terkendala pada suatu permukaan bidang, maka diperlukan adanya gaya tertentu yakni gaya konstrain yang berperan mempertahankan kontak antara partikel dengan permukaan bidang. Namun sayang, tak selamanya gaya konstrain yang beraksi terhadap partikel dapat diketahui. Pendekatan Newtonian memerlukan informasi gaya total yang beraksi pada partikel. Gaya total ini merupakan keseluruhan gaya yang beraksi pada partikel, termasuk juga gaya konstrain. Oleh karena itu, jika dalam kondisi khusus terdapat gaya yang tak dapat diketahui, maka pendekatan Newtonian tak berlaku. Sehingga diperlukan pendekatan baru dengan meninjau kuantitas fisis lain yang merupakan karakteristik partikel, misal energi totalnya. Pendekatan ini dilakukan dengan menggunakan prinsip Hamilton, dimana persamaan Lagrange yakni persamaan umum dinamika partikel dapat diturunkan dari prinsip tersebut.Energi total E adalah jumlah energi kinetik dan potensial,
Ketika partikel bergerak, K dan V dapat berubah, tetapi E tetap konstan. Bila sebuah benda yang bergerak dengan momentum linear p berada pada kedudukan r dari titik asal O, maka momentum sudut I nya terhadap titik O didefinisikan :
F=-dV/dx
E = K +V
14 Persamaan Lagrange
Persamaan gerak partikel yang dinyatakan oleh persamaan Lagrange dapat diperoleh dengan meninjau energi kinetik dan energi potensial partikel tanpa perlu meninjau gaya yang beraksi pada partikel. Energi kinetik partikel dalam koordinat kartesian adalah fungsi dari kecepatan, energi potensial partikel yang bergerak dalam medan gaya konservatif adalah fungsi dari posisi.Jika didefinisikan Lagrangian sebagai selisih antara energi kinetik dan energi potensial. Dari prinsip Hamilton, dengan mensyaratkan kondisi nilai stasioner maka dapat diturunkan persamaan Lagrange. Persamaan Lagrange merupakan persamaan gerak partikel sebagai fungsi dari koordinat umum, kecepatan umum, dan mungkin waktu.
Kegayutan Lagrangian terhadap waktu merupakan konsekuensi dari kegayutan konstrain terhadap waktu atau dikarenakan persamaan transformasi yang menghubungkan koordinat kartesian dan koordinat umum mengandung fungsi waktu.
Hukum-hukum gerak Newton baru memiliki arti fisis, jika hukum-hukum tersebut diacukan terhadap suatu kerangka acuan tertentu, yakni kerangka acuan inersia (suatu kerangka acuan yang bergerak serba sama – tak mengalami percepatan). Prinsip Relativitas Newtonian menyatakan, ―Jika hukum-hukum Newton berlaku dalam suatu kerangka acuan maka hukum-hukum tersebut juga berlaku dalam kerangka acuan lain yang bergerak serba sama relatif terhadap kerangka acuan pertama‖.Konsep partikel bebas diperkenalkan ketika suatu partikel bebas dari pengaruh gaya atau interaksi dari luar sistem fisis yang ditinjau (idealisasi fakta fisis yang sebenarnya). Gerak partikel terhadap suatu kerangka acuan inersia tak gayut (independen) posisi titik asal sistem koordinat dan tak gayut arah gerak sistem koordinat tersebut dalam ruang. Dikatakan, dalam kerangka acuan inersia, ruang bersifat homogen dan isotropik. Jika partikel bebas bergerak dengan kecepatan konstan dalam suatu sistem koordinat
15
selama interval waktu tertentu tidak mengalami perubahan kecepatan, konsekuensinya adalah waktu bersifat homogen.
B. Elektrodinamika Klasik
Persamaan Maxwell adalah himpunan empat persamaan diferensial parsial yang mendeskripsikan sifat-sifat medan listrik dan medan magnet dan hubungannya dengan sumber-sumbernya, muatan listrik dan arus listrik, menurut teori elektrodinamika klasik. Keempat persamaan ini digunakan untuk menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik.
Secara terpisah, keempat persamaan ini masing-masing disebut sebagai Hukum Gauss, Hukum Gauss untuk magnetisme, Hukum induksi Faraday, dan Hukum Ampere. Keempat persamaan ini dengan Hukum Lorentz merupakan kumpulan hukum lengkap dari elektrodinamika klasik.
Hukum Gauss menerangkan bagaimana muatan listrik dapat menciptakan dan mengubah medan listrik. Medan listrik cenderung untuk bergerak dari muatan positif ke muatan negatif. Hukum Gauss adalah penjelasan utama mengapa muatan yang berbeda jenis saling tarik-menarik, dan yang sama jenisnya tolak-menolak. Muatan-muatan tersebut menciptakan medan listrik, yang ditanggapi oleh muatan lain melalui gaya listrik. Hukum Gauss untuk magnetisme menyatakan tidak seperti listrik tidak ada partikel "kutub utara" atau "kutub selatan". Kutub-kutub utara dan kutub-kutub selatan selalu saling berpasangan.
Hukum induksi Faraday mendeskripsikan bagaimana mengubah medan magnet dapat menciptakan medan listrik. Ini merupakan prinsip operasi banyak generator listrik. Gaya mekanik (seperti yang ditimbulkan oleh air pada bendungan) memutar sebuah magnet besar, dan perubahan medan magnet ini menciptakan medan listrik yang mendorong arus listrik yang kemudian disalurkan melalui jala-jala listrik.
Memori inti magnetik An Wang (1954) adalah penerapan Hukum Ampere. Tiap inti magnetik merupakan satu bit. Hukum Ampere menyatakan bahwa medan
16
magnet dapat ditimbulkan melalui dua cara: yaitu lewat arus listrik (perumusan awal Hukum Ampere), dan dengan mengubah medan listrik (tambahan Maxwell). Koreksi Maxwell terhadap Hukum Ampere cukup penting: dengan demikian, hukum ini menyatakan bahwa perubahan medan listrik dapat menimbulkan medan magnet, dan sebaliknya.
Dengan demikian, meskipun tidak ada muatan listrik atau arus listrik, masih dimungkinkann buat memiliki gelombang osilasi medan magnet dan medan listrik yang stabil dan dapat menjalar terus-menerus. Keempat persamaan Maxwell ini mendeskripsikan gelombang ini secara kuantitatif, dan lebih lanjut lagi meramalkan bahwa gelombang ini mestilah memiliki laju tertentu yang universal. Laju ini dapat dihitung cukup dari dua konstanta fisika yang dapat diukur (konstanta elektrik dan konstanta magnetik). Laju yang dihitung untuk radiasi elektromagnetik tepat sama dengan laju cahaya. Cahaya memang merupakan salah satu bentuk radiasi elektromagnetik (seperti juga sinar X, gelombang radio dan lain-lainnya).
C. Termodinamika Klasik
Termodinamika adalah cabang ilmu pengetahuan yang membahas antara panas dan bentuk – bentuk energi lainnya. Michael A Saad dalam bukunya menerangkan Termodinamika merupakan sains aksiomatik yang berkenaan dengan transformasi energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Energi dan materi sangat berkaitan erat, sedemikian eratnya sehingga perpindahan energi akan menyebabkan perubahan tingkat keadaan materi tersebut.Hukum pertama dari termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dihilangkan namun berubah dari satu bentuk menjadi bentuk yang lainnya.
Hukum ini mengatur semua perubahan bentuk energi secara kuantitatif dan tidak membatasi arah perubahan bentuk itu. Pada kenyataannya tidak ada kemungkinan terjadinya proses dimana proses tersebut satu – satunya hasil dari
17
perpindahan bersih panas dari suatu tempat yang suhunya lebih rendah ke suatu tempat yang suhunya lebih tinggi. Pernyataan yang mengandung kebenaran eksperimental ini dikenal dengan hukum kedua termodinamika.
Keterbatasan Termodimika Klasik.
Termodinamika klasik menggarap keadaan sistem dari sudut pandang makroskopik dan tidak membuat hipotesa mengenai struktur zat. Untuk membuat analisa termodinamika klasik kita perlu menguraikan keadaan suatu sistem dengan perincian mengenai karakteristik-karakteristik keseluruhannya seperti tekanan, volume dan temperatur yang dapat diukur secara lansung dan tidak menyangkut asumsi-asumsi mengenai struktur zat.
Termodinamika klasik tidak memperhatikan perincian-perincian suatu proses tetapi membahas keadaan-keadaan kesetimbangan. Dari sudut pandang termodinamika jumlah panas yang dipindahkan selama suatu proses hanyalah sama dengan beda antara perubahan energi sistem dan kerja yang dilaksanakan. Jelaslah bahwa analisa ini tidak memperhatikan mekanisme aliran panas maupun waktu yang diperlukan untuk memindahkan panas tersebut.
Termodinamika klasik mampu menerangkan mengapa perpindahan panas dapat terjadi, namun termodinamika klasik tidak menjelaskan bagaimana cara panas dapat berpindah. Kita mengenal bahwa panas dapat berpindah dengan tiga cara yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.
D. Teori Keos (Chaos Theory)
Chaos Theory merupakan suatu teori yang menjelaskan perubahan yang bersifat kompleks dan tak dapat diprediksi atau sistem-sistem dinamik yang peka terhadap kondisi awal. Sistem keos secara matematis bersifat deterministik (sebagai lawan sifat probabilistik), yakni mengikuti hukum-hukum yang persis, tetapi perilaku ketakberaturannya dapat tampak seperti bersifat acak bagi pengamat awam. Perilaku keos dapat terjadi pada berbagai sistem
18
seperti rangkaian listrik, penyebaran penyakit campak, laser, roda bergigi (gir) yang meleset, irama denyut jantung, aktivitas elektris otak, irama sirkulasi darah dalam tubuh, populasi binatang, dan reaksi kimia. Lebih daripada itu, bahkan diyakini bahwa sistem ekonomi, seperti stock exchange, dapat bersifat keos. Studi mengenai masalah keos secara cepat berkembang dari kajian teoritis matematis ke ilmu-ilmu terapan.
Hakekat dinamika alam semesta telah mengarahkan berbagai riset ilmiah yang ditujukan untuk menganalisis perubahan. Sampai beberapa tahun terakhir masih dipercaya bahwa jika perilaku dinamis sebuah sistem tidak dapat diprediksi, maka hal itu dikarenakan adanya pengaruh acak dari luar sistem. Oleh karena itu, para ilmuwan menyimpulkan bahwa jika pengaruh-pengaruh acak tersebut dapat dihilangkan, maka perilaku semua sistem deterministik dapat diprediksi untuk jangka panjang. Sekarang ini sudah diketahui bahwa banyak sistem dapat menampakkan perilaku jangka panjang yang tak dapat diprediksi sekalipun tidak ada pengaruh acak. Sistem-sistem demikian inilah yang disebut sistem keos. Sebuah sistem sederhana sekalipun, seperti sebuah pendulum, dapat menampakkan keos. Ketidakterprediksikannya sistem-sistem keos muncul karena kepekaan sistem-sistem tersebut terhadap kondisi awal, seperti posisi dan kecepatan awal. Dua sistem keos identik yang diset untuk bergerak dengan kondisi awal yang sedikit berbeda dapat secara cepat menampakkan gerakan-gerakan yang sangat berbeda.
Ahli matematika Perancis Henri Poincaré menyimpulkan bahwa ia tidak dapat membuktikan bahwa sistem tata surya sepenuhnya dapat diprediksi. Ia adalah ilmuwan yang pertama kali menyatakan definisi suatu keadaan mengenai apa yang kemudian dikenal sebagai keos (chaos): "Boleh jadi perbedaan kecil pada kondisi awal akan menghasilkan perbedaan yang sangat besar pada fenomena akhir. Suatu kesalahan kecil yang terjadi sebelumnya akan menghasilkan kesalahan yang sangat besar pada akhirnya. Prediksi menjadi tidak
19
mungkin ….". Demikian tulisnya. Penjabaran penemuan Poincaré semula tidak sepenuhnya dilakukan oleh kebanyakan ilmuwan sampai komputer memungkinkan mereka untuk secara mudah memodelkan dan menggambarkan sistem keos. Namun sebelumnya para ilmuwan dan insinyur pelopor di NASA (National Aeronautics and Space Administration) telah menggunaan penemuan Poincaré untuk mengirim orang dan satelit ke orbit.
Edward Lorenz, seorang ahli meteorologi Amerika, di awal tahun 60-an menemukan bahwa sebuah model cuaca yang disederhanakan yang dihasilkan oleh komputer menunjukkan kepekaan luar biasa terhadap kondisi awal cuaca yang terukur.
Ia menunjukkan secara visual adanya struktur di dalam model cuaca keosnya yang apabila digambar secara tiga dimensi, tampak seperti sebuah fraktal berbentuk kupu-kupu, yang sekarang dikenal sebagai strange attractor. Lorenz menemukan kembali keos dan membuktikan bahwa ramalan cuaca jangka panjang merupakan sesuatu yang tidak mungkin dilakukan.
Menjelang awal 1980-an, berbagai percobaan secara teratur telah menunjukkan bahwa banyak sistem fisik dan biologi yang berperilaku secara keos. Salah satu sistem demikian yang pertama ditemukan adalah kran air yang menetes. Pada kondisi tertentu waktu antar tetesan air dari sebuah kran yang bocor menampakkan perilaku keos, yang membuat peramalan jangka panjang mengenai waktu tetesan tersebut tidaklah mungkin.
Berdasarkan bukti terakhir, pengamatan Poincaré mengenai
ketakteramalkannya sistem tata surya tampaknya benar. Beberapa observasi dan simulasi komputer terhadap gerakan Hyperionu yang berguling-guling, sebuah bulan Saturnus yang berbentuk kentang telah memberikan bukti pertama yang kuat bahwa obyek-obyek dalam tata susrya dapat berperilaku secara keos. Beberapa simulasi komputer yang dilakukan baru-baru ini juga menunjukkan bahwa orbit Pluto, planet paling jauh dalam tata surya juga bersifat keos.
20
Para ilmuwan sedang mengembangkan berbagai aplikasi keos. Beberapa teknik pengendalian yang sadar keos sedang digunakan untuk menstabilkan laser, memanipulasi reaksi kimia, mengkode informasi, dan mengubah irama jantung keos menjadi irma jantung yang teratur dan sehat.
Antara Keos dan Fraktal
Keos (chaos) merupakan bidang kajian dalam mekanika dan matematika dan merupakan perilaku yang tampak acak atau tak terprediksi dalam sistem-sistem yang dibangun oleh hukum-hukum deterministik. Istilah lain yang lebih akurat adalah "keos deterministik", suatu istilah yang bersifat paradoks karena istilah tersebut menghubungkan dua makna yang sudah dikenal dan umumnya dianggap tidak saling cocok. Istilah pertama mengandung pengertian acak atau tak terprediksi, seperti dalam lintasan sebuah molekul di dalam gas atau memilih sebuah individu dari sebuah populasi. Dalam analisis konvensional kejadian acak dianggap lebih menunjukkan penampakan daripada kenyataan, yang muncul dari pengabaian berbagai sebab. Dengan kata lain, sudah diyakini secara umum bahwa kejadian di dunia tidak dapat diprediksi karena kekomplekanya. Pengertian kedua adalah adanya gerakan deterministik, seperti gerakan sebuah pendulum atau planet, yang telah diterima sejak Isaac Newton sebagai contoh sederhana keberhasilan ilmu pengetahuan di dalam merumuskan (dalam bentuk persamaan matematis) sesuatu yang kemudian dapat diprediksi.
21
1.4.2 Tokoh-tokoh fisika klasik beserta teori, hukum dan penemuanya
TOKOH GAMBAR PENEMUAN
Count Rumford
(26 Maret 1753 dan
meninggal pada 21 Agustus1814)
-Tahun 1975, Benjamin Thompson meneliti tentang gaya pada bubuk mesiu dan membangun sistem sinyal kelautan yang baru bagi tentara Inggris.
-Pada akhir abad ke-18, teori kalori yang dipercaya adalah bahwa kalor merupakan fluida yang dapat mengalir ke dalam tubuh ketika dipanaskan dan mengalir keluar ketika didinginkan.
- Penemuan-penemuan Thompson lainnya adalah kompor, oven, ketel ganda, dan pakaian penahan panas, sert mengembangkan cerobong asap dan tungku perapian yang ada.
Nicolas Léonard Sadi Carnot (lahir di Paris, 1 Juni 1796dan meninggal pada 24 Agustus 1832)
- Carnot menemukan dan merumuskan hukum kedua termodinamika dan memberikan model universal atas mesin panas, sebuah mesin, yang mengubah energi panas ke dalam bentuk energi lain, misalnyaenergi kinetik (sekarang bernama siklus Carnot).
-Karyanya yang paling utama adalah "Réflexions Sur La puissance Motrice du Feu" (Refleksi
Daya Gerak Api); terbit tahun 1824. Di
dalamnya termuat sejumlah asas seperti siklus Carnot, mesin panas Carnot, teorema Carnot, efisiensi termodinamika, dan lain-lain.
22 Julius Robert von
Mayer (lahir di Jerman, 25 November1814 – meninggal di Jerman, 20 Maret1878)
-Pada tahun 1841, ia mengucapkan pernyataan yang terkenal mengenai konservasi energi: “Energitidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan.”
-Tahun 1842, Mayer mendeskripsikan proses kimia vital yang kini disebut oksidasi sebagai sumber utama energi untuk semua makhluk hidup.
James Prescott Joule
(lahir di, Inggris, 24 Desember 1818 –
meninggal di Inggris, 11 Oktober 1889)
-Dengan percobaan, ia berhasil membuktkan bahwa panas (kalori), tak lain adalah suatu bentuk energi. Dengan demikian ia berhasil mematahkan teori kalorik, teori yang menyatakan panas sebagai zat alir. Salah satu satuan energi—Joule—
-Tahun 1847 ia berhasil merumuskan hukum kekekalan energi, yang merupakan hukum pertama dari hukum termodinamika. Hukum itu menyatakan bahwa ―energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tapi dapat berubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya‖. Herman von Helmholtz (lahir di Kerajaan Prusia, 31 Agustus 1821 – meninggal di Kekaisaran Jerman, 8 September 1894)
-Dalam rangka untuk lebih memahami fungsi mata ia menemukan ophthalmoscope, sebuah perangkat yang digunakan untuk mengamati retina. Diciptakan pada tahun 1851, ophthalmoscope - dalam bentuk yang sedikit dimodifikasi - masih digunakan oleh spesialis mata modern.
23
mengukur kelengkungan mata disebut ophthalmometer. Menggunakan perangkat ini ia mengajukan teori visi tiga warna yang pertama kali diusulkan oleh Thomas Young.
-Tahun 1852 Helmholtz melakukan apa yang paling penting selama ia bekerja sebagai dokter: pengukuran kecepatan impuls saraf.
Rudolf Julius Emanuel Clausius (2 Januari1822 – 24 Agustus 1888)
-Ia menyempurnakan prinsip Sadi Carnot yang dikenal sebagai Siklus Carnot.
-padatahun 1850, iaadalahilmuan yang pertama kali menyatakan konsep dasar hukum kedua termodinamika.
-Tahun 1865 ia memperkenalkan konsep entropi. -Tahun 1870, ia memperkenalkan teorema virial yang digunakan pada panas. Sebagai ahli ilmu fisika teoritis, ia juga yang meneliti fisika molekul dan elektrik.
William Thomson (Lord kelvin)
lahir pada 26 juni 1824
-pada tahun 1840, Thomson memenangkan hadiah kelas dalam astronomi dan esainya. "Esai
tentang Sosok Bumi-nya‖ menunjukkan
kreativitas dan kemampuannya untuk analisis matematika. Dengan berbagai karya yang diterbitkan dalam fisika dan termodinamika. Dengan berbagai karya yang diterbitkan dalam fisika dan termodinamika 1847, Thomson telah memperoleh reputasi sebagai ilmuwan menjanjikan.
24
- Kelvin dinamakan berdasarkan seorang fisikawan dan insinyur Inggris, William Thomson, 1st Baron Kelvin (1824–1907). Tidak seperti derajat Fahrenheit dan derajat Celsius, kelvin tidak berarti atau ditulis sebagai derajat.
Christian Doppler (1803-1853)
- Doppler terkenal atas kontribusinya dalam menyusun prinsip tentang sebuah fenomena yang dinamakan Efek Doppler.
- Pada tahun 1842, Doppler mempublikasikan makalah ilmiah yang berjudul ((Jerman)) Über das farbige Licht der Doppelsterne (Tentang Cahaya Bewarna yang Dipancarkan oleh Dua Buah Bintang).
Franz Melde
(11 Maret 1832 -17 Maret 1901)
-Percobaan Melde ini mendemonstrasikan gelombang berdiri pada string. Percobaan Melde ini digunakan untuk mengukur pola gelombang berdiri, untuk mengukur kecepatan gelombang transversal, danuntuk mengetahui pengaruh ketegangan gelombang transversal dalam sebuah senar
August Adolf Eduard Eberhard Kundt
- Pada tahun 1866, ia mengembangkan metode yang berharga untuk meneliti gelombang udara dalam pipa, berdasarkan fakta bahwa bubuk halus yang terpisah, lycopodium misalnya, ketika membersihkan lebih dari interior sebuah tabung yang dibentuk kolom bergetar udara, cenderung untuk mengumpulkan di tumpukan pada node,
25
jarak antara yang demikian dapat dipastikan. Perpanjangan metode membuat kemungkinan penentuan kecepatan suara dalam gas yang berbeda. Peralatan eksperimen ini disebut
Kundt Tube. Thomas Alva Edison dilahirkan di Milan pada tanggal 11 Februari 1847.
-dia berhasil membuat sebuah telegraf yang meskipun bentuknya primitif tetapi bisa berfungsi.
- Penemuan pertamanya yang bersifat komersial adalah pengembangan stock ticker.
- Tahun 1877 ia menemukan phonograph.
-Pada tanggal 21 Oktober 1879Iabrhasil melahirlah lampu pijar listrik pertama yang mampu menyala selama 40 jam.
- Penemuanlain, Penemuanini jarang disebutkan antara lain: telegraf cetak, pulpen elektrik, proses penambangan magnetik, torpedo listrik, karet sintetis, baterai alkaline, pengaduk semen, mikrofon, transmiter telepon karbon dan proyektor gambar bergerak.
Augustin-Jean Fresnel
lahir di Perancis 1788-1827
- Dia mungkin paling dikenal sebagai penemu lensa Fresnel, pertama kali diadopsi dalam mercusuar ketika dia menjadi komisaris Prancis mercusuar, dan ditemukan di banyak aplikasi saat ini.
26
Joseph Henry - Pada tahun 1831, ia berhasil menemukan bel listrik.
- Di tahun 1835, ia menemukan relay.
- Penemuan lainnya adalah mesin yang menggunakan eletromagnetik untuk gerak. Hal ini merupakan cikal bakal lahirnya motor DC modern. Michael Faraday Faraday (lahir 22 September1791 – 25 Agustus1867 pada umur 75 tahun)
- Dia juga menemukan alat yang nantinya menjadi pembakar Bunsen, yang digunakan hampir di seluruh laboratorium sains sebagai sumber panas yang praktis.
-HUkum Faraday I -Hukum Faraday II James Clerk Maxwell (lahir di Edinburgh, 13 Juni1831 – meninggal di Cambridge, 15 November1879 pada umur 48 tahun)
- Nilai terpenting dari pendapat Maxwell yang baru itu adalah: banyak persamaan umum yang bisa terjadi dalam semua keadaan. Semua hukum-hukum listrik dan magnet yang sudah ada sebelumnya dapat dianggap berasal dari pendapat Maxwell, begitu pula sejumlah besar hukum lainnya, yang dulunya merupakan teori yang tidak dikenal.
27 1.5 CONTOH SOAL
1. Mengapa dalam perkembangan fisika klasik terdapat pembagian antara fisika fisika yunani kuno dan fisika klasik?
2. Kontribusi terbesar apa yang di berikan oleh James Prescott Joule dalam perkembangan fisik klasik?
3. sebutkan 4 cabang ilmu pada era fisika klasik! 1.6 JAWABAN
1. Terdapat pembagian karena peda era fisika yunani kuno, teori-teori yang di kemukakan, hanya berdasarkan pendapat yang dipelajari dari pengalaman. Sedangkan pada perkembangan fisika klasik, teori-teori yang yang dikemukakan, merupakan buah dari eksperimen-eksperimen yang dilakukan.
2. -Dengan percobaan, ia berhasil membuktkan bahwa panas (kalori), tak lain adalah suatu bentuk energi. Dengan demikian ia berhasil mematahkan teori kalorik, teori yang menyatakan panas sebagai zat alir. Salah satu satuan energi— Joule—
-Tahun 1847 ia berhasil merumuskan hukum kekekalan energi, yang merupakan hukum pertama dari hukum termodinamika. Hukum itu menyatakan bahwa ―energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tapi dapat berubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya‖.
28 1.7 KESIMPULAN
Fisika klasik dimulai dari munculnya fisika yunani kuno, pada era fisika yunani kuno, fisika hanya dilahirkan dari pendapat-pendapat para ahli berdasarkan pengamatan dan penalaran, tokoh-tokoh yang berperan dalam era fisika yunani kuno antara lain
• Thales (624-546 SM) • Anaximandros (610-540 SM) • Heraklitos (540-480 SM) • Parmenides (515-440 SM) • Phytagoras (582-496 SM) • Democritus (460-370 SM) • Empedocles (490-430 SM) • Plato (428-347 SM) • Aristoteles (384-322 SM) • Archimedes (287-212 SM
ada zaman fisikaklasik, tidak semua materi tentang fisika yang kita pelajari saat ini dipelajari pada zaman fisika klasik, meteri-materi tersebut merupakan materi yang masih belum sempurna. Materi-materi tersebut mencakup:
Mekanika Klasik
Elektrodinamika Klasik
Termodinamika Klasik
Teori Keos (Chaos Theory)
Setelah munculnya era fisika yunani kuno, perkembangan ilmu fisika, masuk pada era fisika klasik, Fisika klasik adalah fisika yang didasari prinsip-prinsip yang dikembangkan sebelum bangkitnya teori kuantum, biasanya termasuk teori relativitas khusus dan teori relativitas umum. Dimana lahirlah teori-teori dan hukum-hukum berdasarkan Penalaran dan analisa yang sistematis, dan eksperimen. tokoh-tokoh yang berperan dalam era fisika klasik antara lain;
29
Count Rumford
Nicolas Léonard Sadi Carnot
Julius Robert von Mayer
James Prescott Joule
Herman von Helmholtz
Rudolf Julius Emanuel
Clausius
William Thomson (Lord kelvin)
Christian Doppler
Franz Melde
August Adolf Eduard
Eberhard Kundt
Thomas Alva Edison
Augustin-Jean Fresnel
Joseph Henry
Michael Faraday
30 2.1 LATAR BELAKANG
Pada era fisika klasik, semua teori dan hukum yang ditemukan berbicara tentang peristiwa tang terjadi pada benda yang masih dapat di tinjau oleh ukuran, namun sebagian besar hukum tersebut tidak berlaku pada benda yang bersifat sangt kacil, atau sangat besar. Sehingga munculah fisika moden, atau yang lebih akrab dikenal dengan fisika kuantum. Pada Bab ini akan dijeaskan kenapa terbentuk fisika modern ini beserta tokoh-tokoh yang berperan dalam ilmu fisika kuantum
2.2 TUJUAN
1. mahasiswa selaku pembaca dan pelaku pendidikan dapat memahami sejarah perkembangan fisika, secara khusus pada fisika modern dan mengenali ilmuwan-ilmuwan yang berjasa dibalik perkembangan ilmu fisika modern
BAB
II
PERKEMBANGAN FISIKA MODERN
31 2.3 MUNCULNYA FISIKA MODERN
Kemajuan teori kinetik tidak memuaskan bagi kebanyakan para ahli fisika, karena model atom seperti bola kecil itu dianggap masih belum cukup kelihatannya menentang anggapan mengenai struktur dibagian dalam atom tersebut. Kenyataannya memang demikian, beberapa ilmuwan menolak untuk mengakui adanya, sebab atom berarti tidak dapat dibagi-bagi lagi dan tidak mungkin dibentuk atau tersusun dari partikel lain. Pendirian begini tidak dapat dirubah lagi dan telah cukup memuaskan pada periode ini. Mekanika, bunyi, panas, dan mekanika statistika, elektromagnetik, dan optik semuanya telah mendapat perumusan yang baik dan akibat-akibatnya telah dikuatkan dengan bermacam-macam cara. Beberapa ahli memperlihatkan bahwa fisika telah selesai sama sekali, hanya tinggal cara memberi pengukuran yang lebih teliti dengan bermacam-macam konstanta fisika.
Akan tetapi kepuasan ini belum waktunya, karena praktis tiap-tiap cabang ilmu fisika itu diperlihatkan dalam abad ke-20 yang memerlukan peninjauan fundamental kembali. Pembatasan-pembatasan yang diberikan ternyata telah membukakan jalan kepada seseorang untuk memperoleh fenomena-fenomena dalam skala atom yang memberikan indikasi bahwa atom itu lebih kompleks daripada yang dipikirkan selama abad ke-19. misalnya spektrum atom menunjukkan kebingungan yang kompleks. Garis-garis dalam spektrum itu telah dapat diukur dengan teliti. Seperti pada atom hidrogen dan logam-logam alkali, Balmer dan Rydberg telah dapat menentukan frekuensi-frekuensi dengan hukum empirisnya yang lebih teliti. Tidak seorangpun dalam tahun 1900-an mempunyai ide, mengapa atom-atom itu mempunyai spektrum semacam itu, meskipun beberapa ahli fisika mencoba tanpa berhasil untuk menerangkannya dengan model klasik.
32
Beberapa observasi selama abad ke-19 menyatakan bahwa atom itu mempunyai struktur dalam yang bersifat listrik.
Percobaan Michelson-Morley, salah satu percobaan paling penting dan masyhur dalam sejarah fisika, dilakukan pada tahun 1887 oleh Albert Michelson dan Edward Morley di tempat yang sekarang menjadi kampus Case Western Reserve University. Percobaan ini dianggap sebagai petunjuk pertama terkuat untuk menyangkal keberadaan eter sebagai medium gelombang cahaya. Percobaan ini juga telah disebut sebagai titik tolak untuk aspek teoretis revolusi ilmiah kedua. Albert Michelson dianugerahi hadiah Nobel fisika tahun 1907 terutama untuk melaksanakan percobaan ini.
Dalam percobaan ini Michelson dan Morley berusaha mengukur kecepatan planet Bumi terhadap eter, yang pada waktu itu dianggap sebagai medium perambatan gelombang cahaya. Analisis terhadap hasil percobaan menunjukkan kegagalan pengamatan pergerakan bumi terhadap eter.
Ekperimen Michelson-Morley yang sangat peka tidak mendapatkan gerak bumi terhadap eter. Ini berarti tidak mungkin ada eter dan tidak ada pengertian gerak absolut. Setiap gerak adalah relatif terhadap kerangka acuan khusus yang bukan merupakan kerangka acuan universal. Dalam eksperimen yang pada hakikatnya membandingkan kelajuan cahaya sejajar dengan dan tegak lurus pada gerak bumi mengelilingi matahari, juga eksperimen ini memperlihatkan bahwa kelajuan cahaya sama bagi setiap pengamat, suatu hal yang tidak benar bagi gelombang memerlukan medium material untuk merambat. Eksperimen ini telah meletakkan dasar bagi teori relativitas khusus Einstein yang dikemukakan pada tahun 1905, suatu teori yang sukar diterima pada waktu itu, bahkan Michelson sendiri enggan untuk menerimanya.
Istilah fisika modern diperkenalkan karena banyaknya fenomena-fenomena mikroskopis dan hukum-hukum baru yang ditemukan sejak tahun 1890. Fenomena
33
mikroskopis yaitu fenomena-fenomena yang tidak dapat dilihat secara langsung, seperti elektron, proton, neutron, atom, dan sebagainya. Ahli fisika telah mencoba memecahkan persoalan tentang struktur atom, elektron, radiasi dengan fisika klasik. Namun, tidak berhasil menerangkan fenomena-fenomena tersebut. Karena itu para ahli fisika mencari ilmu dan model-model lain yang baru. Dengan didapatnya teori-teori baru yang daat menerangkan fenomena-fenomena mikroskopis itu, maka fisika telah memperluas ilmu ke arah yang lebih jauh lagi.
Meskipun mekanika klasik hampir cocok dengan teori klasik lainnya seperti elektrodinamika dan termodinamika klasik, ada beberapa ketidaksamaan ditemukan di akhir abad 19 yang hanya bisa diselesaikan dengan fisika modern. Khususnya, elektrodinamika klasik tanpa relativitas memperkirakan bahwa kecepatan cahaya adalah relatif konstan dengan Luminiferous aether, perkiraan yang sulit diselesaikan dengan mekanik klasik dan yang menuju kepadapengembangan relativitas khusus. Ketika digabungkan dengan termodinamika klasik, mekanika klasik menuju ke paradoks Gibbs yang menjelaskan entropi bukan kuantitas yang jelas dan ke penghancuran ultraviolet yang memperkirakan benda hitam mengeluarkan energi yang sangat besar. Usaha untuk menyelesaikan permasalahan ini menuju ke pengembangan mekanika kuantum.
Seperti kata Newton dalam Makna Fisika Baru dalam Kehidupan:
―Menciptakan teori baru bukan berarti merobohkan gudang tua untuk dibangun gedung pencakar langit diatasnya. Ini lebih seperti mendaki gunung, makin ke atas makin luas pandangannya, makin menemukan hubungan antara titik awal pendakian dengan hal-hal disekelilingnya yang ternyata sangat kaya raya dan tak terduga sebelumnya.
Namun titik awal tersebut tetap ada dan dapat dilihat, meskipun tampak lebih kecil dari pemandangan luas yang kita peroleh dari hasil perjuangan mengatasi rintangan selama mendaki ke atas‖
34
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. Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotoelektrik dengan menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton. Pada tahun 1913, Niels Bohr menjelaskan garis spektrum dari atom hidrogen, lagi dengan menggunakan kuantisasi. Pada tahun 1924, Louis de Broglie memberikan teorinya tentang gelombang.
Teori-teori di atas, meskipun sukses, tetapi sangat fenomenologikal: tidak ada penjelasan jelas untuk kuantisasi. Mereka dikenal sebagai teori kuantum lama. Frase "Fisika kuantum" pertama kali digunakan oleh Johnston dalam tulisannya Planck's Universe in Light of Modern Physics (Alam Planck dalam cahaya Fisika Modern).
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.
Heisenberg merumuskan prinsip ketidakpastiannya pada tahun 1927, dan interpretasi Kopenhagen terbentuk dalam waktu yang hampir bersamaan. Pada 1927, Paul Dirac menggabungkan mekanika kuantum dengan relativitas khusus. Dia juga membuka penggunaan teori operator, termasuk notasi bra-ket yang berpengaruh. Pada tahun 1932, Neumann Janos merumuskan dasar matematika yang kuat untuk mekanika kuantum sebagai teori operator.
Pada 1927, percobaan untuk menggunakan mekanika kuantum ke dalam bidang di luar partikel satuan, yang menghasilkan teori medan kuantum. Pekerja awal dalam bidang ini termasuk Dirac, Wolfgang Pauli, Victor Weisskopf dan Pascaul Jordan. Bidang riset area ini dikembangkan dalam formulasi elektrodinamika kuantum oleh Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian
35
Schwinger, dan Tomonaga Shin'ichirō pada tahun 1940-an. Elektrodinamika kuantum adalah teori kuantum elektron, positron, dan Medan elektromagnetik, dan berlaku sebagai contoh untuk teori kuantum berikutnya.
Interpretasi banyak dunia diformulasikan oleh Hugh Everett pada tahun 1956. Teori Kromodinamika kuantum diformulasikan pada awal 1960-an. Teori yang kita kenal sekarang ini diformulasikan oleh Polizter, Gross and Wilzcek pada tahun 1975. Pengembangan awal oleh Schwinger, Peter Higgs, Goldstone dan lain-lain. Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg dan Abdus Salam menunjukan secara independen bagaimana gaya nuklir lemah dan elektrodinamika kuantum dapat digabungkan menjadi satu gaya lemah elektro.
Mekanika kuantum sangat berguna untuk menjelaskan apa yang terjadi di level mikroskopik, misalnya elektron di dalam atom. Atom biasanya digambarkan sebagai sebuah sistem di mana elektron (yang bermuatan listrik negatif) beredar seputar nukleus (yang bermuatan listrik positif). Menurut mekanika kuantum, ketika sebuah elektron berpindah dari energi level yang lebih tinggi (misalnya n=2) ke energi level yang lebih rendah (misalnya n=1), energi berupa sebuah cahaya partikel, foton.
Dalam spektrometer masa, telah dibuktikan bahwa garis-garis spektrum dari atom yang di-ionisasi tidak kontinu; hanya pada frekuensi/panjang
gelombang tertentu garis-garis spektrum dapat dilihat. Ini adalah salah satu bukti dari teori mekanika kuantum.
Keterangan: E = energi (J), h = 6,63 x 10-34 (Js)
v= frekuensi dari cahaya (Hz).
36
2.4 Fenomena-Fenomena pada Era Fisika Modern
Radiasi Benda Hitam
Benda hitam adalah benda ideal yang mampu menyerap atau mengabsorbsi semua radiasi yang mengenainya, serta tidak bergantung pada frekuensi radiasi tersebut. Bisa dikatakan benda hitam merupakan penyerap dan pemancar yang sempurna.
Benda hitam pada temperatur tertentu meradiasi energi dengan laju lebih besar dari benda lain.Model yang dapat digunakan untuk mengamati sifat radiasi benda hitam adalah model rongga
Efek Fotolistrik
Efek fotolistrik adalah peristiwa lepasnya elektron dari permukaan logam yang tembaki oleh foton.jika logam mengkilat di iradiasi, maka akan terjadi pancaran electron pada logam tersebut. Cahaya dengan frekuensi lebih besar dari frekuensi ambang yang akan menghasilkan arus elektron
Foton.Energi maksimum yang terlepas
dari logam akibat peristiwa fotolistrik adalah
Gambar 2.1
37
Spekrum Cahaya Oleh Atom hydrogen
Atom hydrogen jika dipanaskan pada suhu tinggi, akan mengeluarkan cahaya. Namun cahaya yang dipancarkan tidak meliputi semua warna, melinkan hanya cahaya dengan frekuensi
2.5 Hukum-Hukum dan Teori Pada Era Fisika Modern
Teori Relativitas yang dipelopori oleh Einstein menghasilkan beberapa hal diantaranya adalah kesetaraan massa dan energi E=mc2 yang dipakai sebagai salah satu prinsip dasar dalam transformasi partikel.
Pokok bahasan meliputi
Transformasi Galilei
Transformasi Lorentz
Panjang Relativistik
Waktu Relativistik
Massa, Energi dan Momentum
Relativistik
Hubungan Massa dan Energi
Hubungan Momentum dan Energi
Efek Doppler Relativ
38
Teori Kuantum, yang diawali oleh karya Planck dan Bohr dan kemudian dikembangkan oleh Schroedinger, Pauli , Heisenberg dan lain-lain, melahirkan teori-teori tentang atom, inti, partikel sub atomik, molekul, zat padat yang sangat besar perannya dalam pengembangan ilmu dan teknologi.
39 2.6 Tokoh dan Teori Fisika Modern
Beberapa tokoh yang kami ungkapkan disini adalah tokoh yang banyak pengaruhnya terhadap fisika modern, diantaranya:
Nama tokoh Gambar Hal penting
Albert Einstein (1879-1955)
-Makalah yang pertama, mengungkapkan sifat cahaya, ia menyatakan bahwa cahaya mempunyai sifat dual, yaitu partikel dan gelombang.
-Makalah yang kedua, ialah mengenai gerak Brownian, gerak zigzag dari sebintik bahan yang terapung dalam fluida, misalnya serbuk sari dalam air. Einstein mendapatkan rumus yang mengaitkan gerak brownian dengan gerak partikel yang ditumbuk oleh molekul fluida dimana partikel itu terapung.. -Makalah yang ketiga, memperkenalkan teori relativitas. Walaupun sebagian besar dunia fisika pada mulanya tidak begitu peduli atau skeptis, tetapi segera kesimpulan yang ditarik oleh Einstein (bahkan yang tidak diharapkanpun) terbukti dan perkembangan yang sekarang dikenal sebagai fisika modern mulai tumbuh. Teori Relativitas Umum Einstein yang diterbitkan dalam tahun 1915, mengaitkan gravitasi dengan struktur ruang dan waktu. Dalam teori ini, gaya gravitasi dapat dipikirkan sebagai ruang-waktu yang melengkung di sekitar benda sehingga massa yang berdekatan cenderung untuk bergerak ke arahnya, sama seperti kelereng yang menggelinding ke alas lubang yang berbentuk seperti mangkuk.
40 Max Planck
(1858 - 1947)
- Planck mendapatkan bahwa kunci pemahaman radiasi benda hitam ialah anggapan bahwa pemancaran dan penyerapan radiasi terjadi dalam kuantum E=hv. Penemuan yang
menghasilkan hadiah Nobel dalam tahun 1918 ini, sekarang dianggap sebagai tonggak dari fisika modern.
Arthur Holly Compton (1892 - 1962)
-Ia menemukan bahwa panjang gelombng sinar-x bertambah jika mengalami hamburan, dan pada tahun 1923 ia dapat menerangkan hal itu berdasarkan kuantum cahaya.
Louis de Broglie (1892 - 1987)
Pada 1924, tesis doktoralnya mengemukakan usulan bahwa benda yang bergerak memiliki sifat gelombang yang melengkapi sifat partikelnya. 2 tahun kemudian Erwin Schrodinger menggunakan konsep gelombang de Broglie untuk mengembangkan teori umum yang dipakai olehnya bersama dengan ilmuwan lain untuk menjelaskan berbagai gejala atomik. Keberadaan gelombang de Broglie dibuktikan dalam eksperimen difraksi berkas elektron pada 1927 dan pada 1929 ia menerima Hadiah Nobel Fisika.
Max Born (1882 - 1970)
-Ia menjadi warganegara Inggris dan anggota Royal Society di London pada 1939. Pada 1954, Born menerima Hadiah Nobel Fisika untuk karyanya pada fungsi kepadatan probabilitas dan studinya pada fungsi gelombang. Slain memenangkan Penghargaan Nobel, Born dianugerahi Stokes Medal dari Cambridge University dan Hughes Medal (1950).
41 Werner
Heisenberg (1901 - 1976)
-Pada tahun 1927, Heisenberg mengembangkan suatu teori yang ditentang Einstein habis-habisan yaitu teori ketidakpastian. Menurut teori ini makin akurat kita menentukan posisi suatu benda, makin tidak akurat momentumnya (atau kecepatannya) dan sebaliknya. Jadi kita tidak bisa menentukan letak benda secara akurat. Dengan kata lain benda mempunyai kemungkinan berada di mana saja. Einstein bilang teori ini tidak masuk akal. Ia menentang teori ini hingga akhir hayatnya. Mana mungkin kita bisa percaya pada teori yang mengatakan bahwa posisi bulan tidak menentu, ejek Einstein.
Niels Bohr (1885 - 1962)
-Niels Bohr pernah meraih hadiah Nobel Fisika pada tahun 1922. Pada tahun 1913 Bohr telah menerapkan konsep mekanika kuantum untuk model atom yang telah dikembangkan oleh Ernest Rutherford, yang menggambarkan bahwa atom tersusun dari inti atom (nukleus) yang dikelilingi oleh orbit elektron.
Erwin Schrodinger (1887 -1961)
-Schrodinger 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.
42 Richard P.
Feynman (1918 - 1988)
-Pada tahun 1940 Feynmenn memberikan sumbangan pengetahuan yang penting dalam elektrodinamika kuantum, teori kuantum relativistic yang menggambarkan interaksi antarpartikel bermuatan. Masalah penting dalam teori ini ialah kehadiran kuantitas tak berhingga dalam hasilnya, sehingga diperlukan prosedur renormalisasi yang menyingkirkannya dengan melakukan pengurangan dengan kuantitas tak terhingga lain.
Wolfgang Pauli (1900 - 1958)
-Pada tahun 1931 Pauli memecahkan masalah kehilangan energi semu dalam peluruhan sinar Beta oleh inti dengan mengajukan usul yang menyatakan bahwa ada partikel tak bermassa yang meninggalkan inti bersama dengan elektron yang dipancarkan. Dua tahun kemudian Fermi mengembangkan teori peluruhan Beta dengan pertolongan partikel tersebut, yang dikenal sebagai neutrino (partikel netral yang kecil). Paul A. M. Dirac
(1902 - 1984)
Pada tahun 1928 Dirac mempelajari gabungan teori relativitas khusus dengan teori kuantum sehingga menghasilkan teori elektron yang memungkinkan penjelasan spin dan momen magnetic elektron dan juga meramalkan keadaan elektron yang bermuatan positif atau positron. Partikel ini ditemukan oleh Carl Anderson dari Amerika Serikat pada tahun 1932. Dirac memperoleh hadiah Nobel fisika bersama dengan
43
Schrodinger pada tahun 1933. Dirac tetap tinggal di Cambridge sampai tahun 1971 kemudian pindah ke Florida State University.
Enrico Fermi (1901 - 1954)
-Di dunia ini sangat sedikit orang yang jago fisika teori dan fisika eksperimen sekaligus. Diantara yang sedikit itu, yang sangat luar biasa adalah Enrico Fermi. Kemampuan dan kehebatannya tidak diragukan lagi, sehingga namanya diabadikan diberbagai hal seperti: nama sebuah laboratorium fisika terkenal di Chicago Amerika Serikat, Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) yang telah mencetak banyak peraih Nobel fisika; nama unsur ke-100, Fermium; nama suatu institut yang melakukan riset dalam bidang fisika nuklir dan fisika partikel, Enrico Fermi Institute; dan nama hadiah yang paling bergengsi dari pemerintah Amerika untuk mereka yang melakukan penemuan hebat dalam bidang energi, atom, molekul, nuklir dan partikel, The Enrico Fermi Award.
44 3.3 Dampak Fisika Modern
Dengan ditemukannya partikel subatom (partikel elementer), yaitu elektron, proton, dan neutron) menjadikan penelitian fisika mengarah pada fenomena mikroskopis. Kajian partikel inilah yang menyadarkan para fisikawan dengan penemuan yang paling menggemparkan (kalangan fisikawan) ialah fisika Newton tidak berlaku untuk realitas mikro.
Pengaruh dari penemuan tersebut telah dan sedang mengubah pandangan dunia (World view) kita. Eksperimen mekanika kuantum selalu menghasilkan penemuan yang tidak dapat diprediksi atau dijelaskan oleh fisika Newton. Tetapi meski fisika Newton tidak mampu menjelaskan fenomena realitas mikroskopis, ia tetap dapat menjelaskan fenomena makroskopis dengan baik (walalupun sesungguhnya realitas makroskopis tersusun oleh realitas mikroskopis). Perbedaan fundamental antara fisika klasik dan kontemporer. Fisika klasik berasumsi ada eksternal world yang terpisah dari diri kita. Fisika klasik kemudian juga beranggapan bahwa kita dapat mengamati, mengkalkulasi, dan mengira-ngira dunia luar tersebut tanpa merubahnya. Menurut fisika klasik, dunia luar tersebut tidak berbeda dengan diri dan kebutuhan-kebutuhan kita.Kita juga dapat menunjukkan bahwa cahaya mirip partikel sekaligus mirip gelombang dengan Hamburan Compton.mirip. sebelumnya untuk mengetahui sifat partikel dari cahaya digunakan efek fotolistrik, dan menunjukkan cahaya mirip gelombang dengan eksperimen celah ganda-ganda.
Teori relativitas memperkirakan bahwa kecepatan cahaya adalah relatif konstan dan setiap gerak adalah relatif terhadap kerangka acuan khusus yang bukan merupakan kerangka acuan universal.
45 3.4 Contoh Soal
1. Fenomena-fenomena apa saja yang melahirkan, era fisika Modern? 2. Mengapa Einstei menentang teori ketidakpastian yang dikemukakan
Heisenberg?
3. Menurut kamu, siapa tokoh yang paling penting perananya alam era fisika modern? Kemukakan pendapat anda!
2.9 Jawaban
1. - Fenomena radiasi benda hitam - Fenomena Efek foto listrik
- Fenomena Spekrum Cahaya Oleh Atom hydrogen
2. Einstein bilang teori ini tidak masuk akal. Ia menentang teori ini hingga akhir hayatnya. Mana mungkin kita bisa percaya pada teori yang mengatakan bahwa posisi bulan tidak menentu, ejek Einstein.
3.
46 2.10 Kesimpulan
Fisika modern merupakan zaman fisika dimana telah muncul masalah fisika kuantum yang ditandai dengan munculnya 3 fenomena utama, yakni radiasi benda hitam, efek fotolistrik dan spectrum cahaya yang dipancerkan atom hydrogen.
Pada era fisika modern juga muncul teori-teori dan hukum-hukum yang menjelaskan tentang fenomena-fenomena yang terjadi pada materi dan
gelombang yang sangat besar atau sangat-sangat kecil
Semua hal tersebut tidak terlepas dari peranan tokoh-tokoh pada era tersebut, berikut adalah Kronologi perkembangan Fisika Modern :
Pada tahun 1900, Max Planck
o Energi dapat dibagi-bagi menjadi beberapa paket atau kuanta
Pada tahun 1905, Albert Einstein o Efek fotoelektrik
o Energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton
Pada tahun 1913, Niels Bohr
o Garis spektrum dari atom hidrogen Pada tahun 1923, Arthur Holy Compton
o Gejala tumbukan anatara foton dan elektron Pada tahun 1924, Louis de Broglie
47 Pada tahun 1925, Fermi -Dirac
o merancang teori yang lebih umum menurut prinsip mekanika kuantum merncangg statistic partikel yang memenuhi prinsip Pauli,
Pada tahun 1927, Heisenberg
o mengembangkan teori ketidakpastian. Menurut teori ini makin akurat kita menentukan posisi suatu benda, makin tidak akurat momentumnya (atau kecepatannya) dan sebaliknya.
Pada taahu 1933 Erwin Schrodinger
o Mengembangan teori Brolglie mengatakan elektron lebih tepat disebut sebagai gelombang-gelombang.
Pada tahun 1940, Richard Feynmenn
o memberikan sumbangan pengetahuan yang penting dalam elektrodinamika kuantum, teori kuantum relativistic yang menggambarkan interaksi antarpartikel bermuatan.
48 3.1 Latar Belakang
Melihat pesawat yang bermanuver di atas langit merupakan suatu peristiwa yang menawan, apalagi saat melihat pesawat itu bergerak dengan kecepatan tinggi, namun, sebenarnya ada yang lebih menarik dari hal tersebut, yaitu mempelajari perkembangan ilmu yang dapat membuat pesawa tersebut dapat bergerak.
Pada bab kali ini, kamu akan mempelajari tentang perkembangan ilmu mekanika, atau yang akrab dikenal dengan ilmu yang mempelajari tentang gerak dari benda, dalam bab ini kamu akan lebih mengenal lebih dalam perkembangan ilmu mekanika, dari dahulu, sampai sekarang. Bab ini membahas tentang perkembangan mekanika dari zaman dahulu dan ada juga, membahas tentang tokoh-tokoh yang berperan dalam perkembangan ilmu mekanika.
3.2 Tujuan
1. Dengan mempelajari BAB ini, pembaca mampu memahami perkembangan Ilmu Mekanika
2. Pembaca dapat pengenal tokoh-tokoh yang berperan penting dalam perkembengan ilmu mekanika
BAB
III
PERKEMBANGAN ILMU MEKANIKA
49 3.3 PERKEMBANGAN MEKANIKA KLASIK
Perkembangan mekanika klasik didasarkan pada perkembangan sejarah
fisika,yaitu :
3.3.1 Periode I ( Pra Sains sampai dengan 1550 M )
1. Aristoteles ( 384-332 SM )
Aristoteles dilahirkan di kota Stagira, Macedonia, 384 SM. Ayahnya seorang ahli fisika kenamaan. Pada umur tujuh belas tahun
Aristoteles pergi ke Athena belajar di Akademi Plato. Dia menetap di sana selama dua puluh tahun hingga tak lama Plato meninggal dunia. Dari ayahnya, Aristoteles mungkin memperoleh dorongan minat di bidang biologi dan "pengetahuan praktis".A
Aristoteles merupakan orang pertama pada periode ini yang mengemukakan cabang mekanika yang berurusan
dengan hubungan timbal balik antara gerak dan gaya yaitu bidang dinamika. Ia mengemukakan suatu argumen tentang sifat bawaan dari berbagai benda yang memberikan alasan untuk berbagai sifat tersebut dalam daya intrinsik khusus dari benda itu sendiri.
Aristoteles membedakan dua jenis gerak yaitu gerak alamiah (pure motion) dan gerak paksa (violent motion). Menurutnya tiap unsur memiliki ―tempat alamiah‖ di alam semesta ini seperti di pusat bumi yang dikelilingi oleh air udara dan api. Dengan cara serupa, tiap unsur memiliki suatu gerak alamiah untuk bergerak kearah tempat alamiahnya jika ia tidak ada di sana. Umumnya, bumi dan air memiliki sifat berat, yaitu cenderung bergerak ke bawah, sementara udara dan api memiliki sifat levitasi, yaitu cenderung bergerak ke atas.
50
Gerak alamiah ether adalah melingkar, dan ether selalu dalam tempat alamiahnya. Gerak paksa disebabkan oleh gaya luar yang dikenakan dan boleh ke sembarang arah. Gerak tersebut akan berhenti segera setelah gaya dihilangkan.
Salah satu kekurangan dinamika Aristoteles adalah bahwa kecepatan sebuah benda akan menjadi tak hingga jika tak ada resistansi terhadap geraknya. Adalah sukar sekali bagi para penganut aliran Aristoteles (Aristotelian) untuk membayangkan gerak tanpa resistansi. Memang, kenyataan bahwa gerak seperti itu akan menjadi cepat secara tak terhingga jika tak ada gesekan dengannya seperti seperti benda yang bergerak di ruang kosong.
Teori Aristoteles bahwa gerak paksa membutuhkan suatu gaya yang bekerja secara kontinyu ternyata bisa disangkal dengan memandang gerak proyektil. Aristoteles mencontohkan pada sebuah anak panah yang ditembakkan dari sebuah busur akan tetap bergerak untuk beberapa jarak meskipun jelas-jelas tidak selamanya didorong. busur entah bagaimana memberi suatu ―daya gerak‖ kepada udara, yang kemudian mempertahankan anak panah tetap bergerak. Penjelasan ini sangat tidak meyakinkan, dan masalah gerak peluru terus berlanjut hinga membuat kesal para Aristotelian selama berabad-abad.
51 2. Archimedes (287-212 SM)
Archimedes ilmuwan Yunani abad ke-3 SM. Archimedes adalah seorang arsitokrat. Archimedes adalah anak astronom Pheidias yang lahir di Syracuse, koloni Yunani yang sekarang dikenal dengan nama Sisilia. Membicarakan Archimedes tidaklah lengkap tanpa kisah insiden penemuannya saat dia mandi. Archimedes diminta Saat itu dia menemukan bahwa hilangnya berat tubuh sama dengan berat air yang dipindahkan.
Cabang lain mekanika adalah statika. Ia merupakan studi benda-benda diam karena kombinasi berbagai gaya. Perintis bidang ini adalah Archimedes..” Archimedes adalah orang yang mendasarkan penemuannya dengan eksperiman. Sehingga, ia dijuluki Bapak IPA Eksperimental.
4 Eratoshenes (273 – 192 SM)
Eratoshenes melakukan penghitungan diameter bumi pada tahun 230 SM. Dia menengarai bahwa kota Syene di Mesir terletak di equator, dimana matahari bersinar vertikal tepat di atas kepala pada hari pertama musim panas. Eratoshenes mengamati fenomena ini tidak dari rumahnya, dia menyimpulkan bahwa matahari tidak akan pernah mencapai zenith di atas rumahnya di Alexandria yang berjarak 7° dari Syene. Jarak
Alexandria dan Syene adalah 7/360 atau 1/50 dari lingkaran bumi yang dianggap lingkaran penuh adalah 360°.
