Science for Everyone

[uploader]

Memperingati ulang tahun ke-126 dari Erwin Schrödinger, tulisan berikut akan membahas pengantar mengenai teori kuantum, paradoks kucing Schrödinger, dan Prinsip Ketidakpastian Heissenberg (pembahasan yang saling terkait). Untuk itu, mohon maaf, tulisan mengenai pengantar Teori Relativitas Umum Einstein akan ditunda untuk sementara.

Disclaimer: Tulisan berikut akan merembet ke hal-hal filosofis (hal yang sulit dihindari untuk membahas mengapa paradoks kucing Schrödinger bisa begitu terkenal hingga detik ini), meski thread ini didedikasikan untuk hal-hal yang murni sains namun artikel ini akan membahas segi filosofis teori ini juga. Untuk itu, jika ada komentar dari segi filosofis dimohon untuk membuat topik baru terpisah dari thread ini. Terima kasih.

Tentang Kucing Schrödinger, Ketidakpastian Heissenberg, Keresahan Einstein, dan Sejarah Tuhan (bagian 1)

Semuanya dimulai di suatu senja ketika salah satu fisikawan terbesar sepanjang masa, bapak thermodinamika, Lord Kelvin berujar --sesuatu yang akan dia sesali kemudian seumur hidupnya-- "There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement".

Penghujung abad ke-19 merupakan salah satu masa puncak keemasan dunia sains. Genetika, evolusi, thermodinamika, optika, elektrodinamika, dan cabang sains lain seolah telah bisa menjawab hampir semua pertanyaan tentang alam semesta. Sehingga Lord Kelvin dengan sedikit jumawa mengatakan bahwa ilmu fisika telah selesai. Tidak perlu penemuan baru lagi. Pada masanya, memang Fisika telah jauh melesat ke depan di antara cabang sains lainnya. Mekanika Newton bisa memprediksi pergerakan planet dengan keakuratan bak jam swiss. Teori indah Maxwell dapat menjelaskan segala hal mulai dari magnet tempel mainan hingga asal-usul cahaya bintang. Teori thermodinamika bisa menjelaskan semilir angin yang bertiup hingga ledakan bintang. Mimpi indah Kelvin sepertinya akan terwujud dengan mudah, kalau saja tidak ada masalah serius yang menggerogoti: radiasi benda hitam.

Permasalahan radiasi benda hitam tidak hanya menghancurkan mimpi Kelvin (dan mimpi semua fisikawan lain), namun juga teori ini memporakporandakan semua dasar teori fisika mapan sebelumnya. Dan permasalah radiasi benda hitam ini hanyalah satu dari sekian mimpi buruk fisika lainnya. Dan siapa duga, permasalah "sepele" radiasi benda hitam ini, akan menuntun kepada penemuan-penemuan baru yang lebih spektakuler, dan lebih mengerikan daripada yang diduga sebelumnya.

Adalah Kirchhoff, pada tahun 1859, merasa heran saat menyelidiki tingkat intensitas radiasi emisi yang dipancarkan oleh benda hitam (Black Body). Namun, hasil radiasi emisi ini sungguh di luar harapan para fisikawan saat itu. Teori elektromagnetik Maxwell yang seharusnya bisa menjelaskan fenomena itu dengan mudah dan indah, menjadi sama sekali tidak berguna. Bahkan teori probabilitas Boltzman yang terkenal canggih pun menjadi kelihatan aus saat digunakan untuk menjelaskan fenomena ini. Fenomena baru ini secara langsung menjadi ancaman baru nan serius bagi fisika. Segera saja ucapan Kelvin tinggal menjadi sekedar mimpi.

Revolusi fisika pun dimulai. dengan rumus yang bisa dikatakan 'untung-untungan', Wilhelm Wien, menjelaskan fenomena ini dengan melalui hukumnya yang termasyhur, Wien's Law. Dikatakan untung-untungan karena dia membuat rumus baru yang tidak memiliki dasar fisika mantap menurut teori klasik, tetapi rumusnya cocok dengan data hasil pengamatan. Malangnya, Hukum Wien hanya cocok dengan percobaan jika percobaan tersebut dilakukan pada radiasi dengan frekuensi tinggi. Pada frekuensi rendah, rumus tersebut memberikan hasil yang jauh dari harapan. Bantuan kedua datang dari duet Rayleigh-Jeans. Dengan keberuntungan yang sama, mereka berhasil mencocokkan data percobaan dengan rumus 'sederhana'. Namun sekali lagi, mimpi buruk itu belum berakhir. Rayleigh-Jeans's Law, uniknya berkebalikan dengan Wien's Law, rumus ini hanya berlaku pada radiasi benda hitam yang memiliki frekuensi rendah! Jika teori ini diterapkan pada frekuensi tinggi, akan muncul yang namanya ultraviolet catastrophe atau "bencana ultraviolet". Arti fisik fenomena ini adalah, jika suatu benda memancarkan radiasi tingkat tinggi, maka radiasi yang dihasilkan akan menjadi tak terhingga yang pada akhirnya akan melampaui batas maksimum, tak penah berakhir. Artinya, jika kita memegang cangkir kopi panas, maka radiasi panas dari kopi akan terus memancar sampai tak terhingga sehingga tangan kita akan hangus terbakar sampai ke taraf atom! Padahal bumi tiap hari disinari matahari! jelas kehidupan akan musnah (bahkan tak akan pernah ada).

Tapi, kita tidak mengalami kejadian mengerikan seperti itu, kan? Kajian-kajian fisikawan berikutnya adalah upaya 'mengawinkan' kedua hukum tadi menjadi teori tunggal. Namun, sekeras apapun mereka berusaha, maka sekeras itu pula tamparan kegagalan yang mereka terima. Namun, sebelum fisika hancur lebur, Sang Juru Selamat muncul. Fisikawan Jerman, Max Planck menawarkan solusi ajaib sekaligus mengerikan. Melalui sudut pandang yang sama sekali baru (bahkan bisa dikatakan bertentangan dengan teori mapan sebelumnya) Planck merumuskan bahwa problem radiasi benda bisa diselesaikan jika benda tersebut diamati dengan menganggap energi terpancar dari benda tersebut dapat 'dipotong-potong' ('potongannya' disebut kuanta). Gagasan ini sangat radikal dan bisa dikatakan terlepas dari teori mapan sebelumnya (bahkan bisa dikatakan bertentangan). Analogi dari kuanta ini adalah jika kita sedang menyetir mobil dan ingin menaikkan kecepatan dari 30 km/jam menjadi 40 km/jam, maka menurut teori kuantum, speedometer kita TIDAK AKAN PERNAH melewati angka 33 atau 38 km/jam. Dari angka 30, secara ajaib, langsung loncat ke angka 40! Ini karena energi dipancarkan secara paketan (kuanta), bukan secara perlahan dan kontinu. Teori klasik jelas tidak mengijinkan hal ini.

Kelak teori ini dengan bantuan Einstein, Born, Heissenberg, Dirac, de Broglie, Schrodinger, Pauli, Bohr, dsb melahirkan cabang baru dalam fisika yang disebut fisika modern, teorinya dikenal sebagai Teori Kuantum. (dan sejak saat itu pula, apa-apa yang ada embel-embel 'kuantum'-nya akan dianggap hebat, bahkan hingga saat ini, suatu seminar pelatihan akan tampak hebat jika diberi nama kuantum learning, dll).

Dengan pendekatan jeniusnya tadi, ajaibnya, fenomena radiasi benda hitam tadi dapat dijelaskan Planck dengan sempurna baik itu pada frekuensi tinggi maupun rendah. bahkan 'kesempurnaan'-nya terlalu menakutkan. Data hasil percobaan dan data hasil hitungan rumus Planck sama persis!

Perbandingan antara rumus Wien, Rayleigh-Jeans, dan Planck, dimana nilai perhitungan Planck berimpitan langsung dengan data hasil percobaan

Apa yang membuat teori Planck sedemikian sukses? Sebelumnya Planck sendiri mengalami keraguan dalam mempublikasikan teorinya. Bagaimana jika potongan energi tadi sedemikian kecilnya sehingga bisa dikatakan nol? teori sempurna tadi juga akan musnah! Namun, untuk menghindari hal itu, dan inilah kunci keberhasilannya yang gagal dilakukan para pendahulunya, adalah dia menghindari angka nol! Untuk itu dia memperkenalkan suatu konstanta yang menjadi batas minimal dari paketan energi agar suatu benda 'berperilaku normal' tidak menimbulkan bencana ultraviolet, yang dikenal dengan nama Konstanta Planck (h).

Berapa nilai h?

h = 6.626 068 96(33) × 10^-34 = 0.0000000000000000000000000000000006260689633 Js !

Sangat kecil tapi BUKAN NOL! karena konstanta super mini inilah kita bisa aman saat meniup lilin ulang tahun atau berjemur sinar mentari pagi.

Teori radikal Planck ini tidak hanya dapat diterapkan pada permasalahan radiasi benda hitam. Prinsip pemancaran radiasi energi secara paketan (kuantum) ternyata bisa sukses menjelaskan permasalahan lain yang juga menghancurkan mimpi indah Kelvin: teori atom.

Dan sejak itu, dunia sains berubah untuk selamanya. Teori baru bermunculan, ragam penafsiran berhamburan. Sejarah dunia berbelok ke arah baru yang sama sekali tak diduga. Dan tentang sejarah Tuhan pun mengalami persimpangan jalan. (bersambung)


bacaan tambahan:
http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/...ge_begins.html
http://www.oberlin.edu/physics/dstye...M/history.html
https://www.bigquestionsonline.com/c...er-believe-god
http://www.huffingtonpost.com/peter-..._b_894003.html
In Search of Schrödinger's Cat: Quantum Physics and Reality by John Gribbin
Schrodinger's Kittens and the Search for Reality: Solving the Quantum Mysteries by John Gribbin

[kandalf]

Adalah Khircoff, pada tahun 1859, merasa heran saat menyelidiki tingkat intensitas radiasi emisi yang dipancarkan oleh benda hitam (Black Body). Namun, hasil radiasi emisi ini sungguh di luar harapan para fisikawan saat itu. Teori elektromagnetik Maxwell yang seharusnya bisa menjelaskan fenomena itu dengan mudah dan indah, menjadi sama sekali tidak berguna. Bahkan teori probabilitas Boltzman yang terkenal canggih pun menjadi kelihatan aus saat digunakan untuk menjelaskan fenomena ini. Fenomena baru ini secara langsung menjadi ancaman baru nan serius bagi fisika. Segera saja ucapan Kelvin tinggal menjadi sekedar mimpi.

kayaknya huruf 'h'-nya salah letak.

[uploader]

kayaknya huruf 'h'-nya salah letak.

Betul, keliru saat ditik. Terima kasih atas koreksinya.

Sebelum dilanjutkan pembahasannya, sedikit mengulang tentang paradoks kucing Schrödinger, berikut gambar dan video yang saya rasa cukup mewakili persepsi yang kurang tepat dan koreksi terhadapnya.