FISIKA MODERN

Gambar ini diambil dari buku Galileo berjudul Dialogue Concerning the Two Chief World Systems, yang diterbitkan pada 1632. Dialognya mengenai perdebatan antara penganut pandangan Bumi berada pada pusat alam semesta (diwakili Aristoteles dan Ptolomeus, pada gambar sebelah kiri), dan penganut pandangan Bumi beredar mengitari matahari (seperti Copernicus, pada gambar sebelah kanan dan Galileo sendiri). Galileo memang telah dilarang oleh pihak Gereja untuk mengajarkan pandangan yang menimbulkan “sengketa” ini, namun dengan mengetengahkan kedua pokok permasalahan ini lewat bukunya, ia mencoba mengelakkan larangan Gereja padanya (yang ternyata tidak berhasil). Galileo berharap bahwa dari bukti-bukti yang dikemukakannya, para pembacanya akan dapat menarik kesimpulan sendiri. Berdasarkan alasan ini, Galileo seringkali dipandang sebagai Bapak ilmu modern.

1

PENDAHULUAN

 

                     Pada akhir abad kesembilan belas, sebagian besar hal yang hendak diketahui tentang fisika tampaknya telah tuntas dipelajari. Dinamika Newton telah berulang kali mengalami pengujian ketat, dan keberhasilannya membuat ia diterima sebagai kerangka nalar dasar bagi pemahaman yang mendalam dan taat asas tentang perilaku alam. Keelektikan dan kemagnetan telah berhasil dipadukan lewat karya teoretik Maxwell, dan begitu pula gelombang elektromagnet, yang diramalkan kehadirannya oleh persamaan Maxwell, telah berhasil diamati dan diselidiki sifat-sifatnya lewat berbagai percobaanyang dilakukan Hertz. Hukum-hukum termodinamika dan teori kinetik telah pula memperlihatkan keberhasilannya, terutama dalam memberi penjelasan terpadu tentang berbagai ragam gejala alam. Lebih umum lagi, Revolusi Industri telah melahirkan tingkat kecanggihan teknologi yang bakal berdampak besar pada kehidupan dan tingkat kehidupan umat manusia di mana pun. Setelah periode perluasan perekonomian dan peta bumi, Amerika Serikat mulai menonjolkan perannya sebagai kekuatan dunia. Di Eropa, sejumlah kerajaan yang kuat berhasil menciptakan suasana mantap sehingga industrialisasi berpeluang maju dengan cepat. Namun demikian, dalam suasana yang tampaknya mantap dan menjajikan harapan ini, terpendam dendam ketidakpuasan yang beberapa tahun kemudian menyeret dunia ke kancah peperangan yang kejam, Perang Dunia I. Begitu pula, semakin meningkatnya militerisme, sebagai kekuatan nasionalisme serta revolusi politik, dan penghimpunan kekuatan Marxisme turut serta menumbangkan tatanan yang telah tercipta ini. Seni murni pun telah berada di pertengahan persimpangannya yang revolusioner, sedangkan berbagai gagasan baru mulai menguasai bidang seni lukis, patung, dan musik. Bahkan pemahaman terhadap aspek-aspek yang paling mendasar pada perilaku manusia juga menjadi sasaran perubahan kritis dan serius oleh para ilmuwan psikologi penganut pandangan Freud. Dalam dunia fisika, juga terpendam ketidakpuasan yang segera menimbulkan sejumlah perubahan revolusioner dalam alam pandangan fisikawan yang tampaknya telah mapan itu. Beberapa percobaan baru memberikan hasil pengamatan yang tidak dapat dijelaskan dengan teori-teori mekanika, elektromagnet, dan termodinamika. Meskipun sifat-sifat gelombang elektromagnet (Maxwell dan Hertz) telah dipahami dengan baik, percobaan untuk mempelajari sifat zat perantara yang menjalarkan gelombang ini tidak memberi hasil yang diharapkan. Percobaan untuk mempelajari pemancaran gelombang elektromagnet oleh benda panas yang berpijar memberikan hasil pengamatan yang tidak dapat dipahami dengan menggunakan teori-teori klasik.

                 Percobaan yang tidak seberapa banyaknya ini mungkin tampaknya tidaklah berarti, terutama  ila dibandingkan dengan begitu banyaknya percobaan dalam abad kesembilan belas yang tercatat berhasil dan dapat dipahami. Namun demikian, semua percobaan itu bakal mempunyai pengaruh besar dan abadi, tidak hanya pada alam fisika, tetapi juga pada semua cabang ilmu pengetahuan, struktur politik dunia, serta pada cara memandang diri dan tempat kita dalam alam semesta ini. Ternyata hanya dalam jangka waktu dua dasawarsa yang singkat, hasil berbagai percobaan ini menuntun para fisikawan kepada perumusan teori relativitas khusus dan teori kuantum. Segera setelah gagasan revolusioner yang dikemukakan kedua teori ini diterima berkembanglah bidang studi fisika atom, inti (nuklir), dan zat padat. Ini diikuti dengan penerapan penelitian dalam ketiga bidang tadi yang hasilnya berdampak sangat besar dalam kehidupan sehari-hari kita dewasa ini.

Fisika modern biasanya dikaitkan dengan berbagai perkembangan yang dimulai dengan teori relativitas dan kuantum. Bidang studi ini menyangkut penerapan kedua teori baru tersebut untuk memahami sifat atom, inti atom serta berbagai partikel penyusunnya, kelompok atom dalam berbagai dan zat padat, juga pada skala kosmik (jagad raya), tentang asal mula dan evolusi alam semesta. Bahasan kita tentang fisika modern dalam buku ajar ini akan menyentuh semua bidang studi yang disebutkan tadi. Kita akan mengawali bahasan kita dengan teori relativitas, dengan mempelajari andaian-andaiannya, implikasinya, dan berbagai bukti percobaan yang mendukungnya. Setelah meninjau ulang percobaan yang mengisyaratkan kekurangan konsep fisika klasik tentang partikel dan gelombang, kita akan membahas keberhasilan teori kuantum, atau yang sering dikenal dengan nama mekanika gelombang, dalam menanggulangi kegagalan ini. Oleh karena itu, perkenalan terhadap berbagai teknik dan penerapan mekanika gelombang ini tidak akan kita bahas secara terlalu mendalam. Bagian sisa dari buku ajar ini ditujukan untuk membicarakan berbagai penerapan asas-asas ini; pertama, untuk mempelajari struktur dan sifat atom, inti atom dan partikel elementer. Kemudian akan kita perlihatkan bahwa ternyata asas yang sama dapat diterapkan pula untuk mempelajari berbagai kelompok atom, baik bagi yang sedikit jumlahnya dalam molekul maupun yang banyak jumlahnya dalam zat padat. Pada bagian akhir buku ajar ini, kita akan mengalihkan perhatian dari alam mikroskopik ke alam kosmik dan membahas penerapan fisika modern untuk memahami beberapa persoalan astrofisika dan kosmologi.

                Dalam mempelajari buku ajar ini perlu anda camkan bahwa uraian yang terinci tentang fisika modern ditulis dalam abad ini, dan bahwa sebagian besar penelitian dalam bidang ini diperoleh selama masa hidup kita sekarang. Ini berarti bahwa fisika modern belumlah lengkap dan bahkan akan terus berkembang. Kebanyakan teori yang merupakan sebagian dari kegiatan studi fisika modern masih pada tingkat penghampiran (meskipun kadang-kadang sangat baik). Sering kali kita dapati bahwa setiap kali kita melihat lebih mendalam atau memperhalus teknik pengamatan, kita mempelajari sesuatu yang baru dan dipaksa memperbaiki ulang teori-teori kita untuk dapat menerangkan bagaimana penemuan baru. Akibatnya fisika modern tampak seolah-olah mengambil rupa dan struktur seperti sambungan potongan-potongan kecil kain, dengan penjelasan yang berbeda bagi tiap peristiwa yang kita pelajari. Namun dibalik semuanya itu, terdapat mekanika gelombang yang merangkul semua teori yang tampak beragam itu, dan membentuk dasar pembangunannya.
                            Semua cabang ilmu pengetahuan dibangun berdasarkan hasil karya sebelumnya, dan fisika modern pun tak terkecualikan, tunduk pada asas ini. Karya sebelumnya dalam kasus kita adalah fisika klasik, dan karena itu, sebelum kita mulai mempelajari fisika modern, kita akan meninjau ulang terlebih dahulu tentang beberapa asas fisika klasik yang dibutuhkan.

1.1 Tinjauan Ulang Fisika Klasik

Meskipun kita jumpai banyak bidang yang menunjukkan bahwa konsep fisika modern sangat berbeda dari fisika klasik, kita akan seringkali merasa perlu untuk merujuk kembali konsep fisika klasik. Untuk mengenali hal-hal mendasar fisika klasik yang penting dan untuk mendefinisikan notasi yang akan kita pakai, berikut disajikan suatu tinjauan ulang ringkas mengenai beberapa konsep fisika klasik yang kelak akan kita butuhkan.

Mekanika Sebuah benda bermassa m yang bergerak dengan kecepatan v memiliki energi kinetik yang didefinisikan oleh