ABOUT FISIKA

SEJARAH PERKEMBANGAN ILMU FISIKA

Fisika adalah sains atau ilmu tentang alam dalam makna yang terluas. Fisika mempelajari gejala alam yang tidak hidup atau materi dalam lingkup ruang dan waktu. Fisikawan mempelajari perilaku dan sifat materi dalam bidang yang sangat beragam, mulai dari partikel submikroskopis yang membentuk segala materi (fisika partikel) hingga perilaku materi alam semesta sebagai satu kesatuan kosmos.

Beberapa sifat yang dipelajari dalam fisika merupakan sifat yang ada dalam semua sistem materi yang ada, seperti hukum kekekalan energi. Sifat semacam ini sering disebut sebagai hukum fisika. Fisika sering disebut sebagai "ilmu paling mendasar", karena setiap ilmu alam lainnya (biologi, kimia, geologi, dan lain-lain) mempelajari jenis sistem materi tertentu yang mematuhi hukum fisika. Misalnya, kimia adalah ilmu tentang molekul dan zat kimia yang dibentuknya. Sifat suatu zat kimia ditentukan oleh sifat molekul yang membentuknya, yang dapat dijelaskan oleh ilmu fisika seperti mekanika kuantum, termodinamika, dan elektromagnetika.

I.          FISIKA ZAMAN PURBAKALA

Sejak zaman purbakala, orang telah mencoba untuk mengerti sifat dari benda: mengapa objek yang tidak ditopang jatuh ke tanah, mengapa material yang berbeda memiliki properti yang berbeda, dan seterusnya. Lainnya adalah sifat dari jagad raya, seperti bentuk Bumi dan sifat dari objek celestial seperti Matahari dan Bulan. Sejarah fisika dimulai pada tahun sekitar 2400 SM, ketika kebudayaan Harappan menggunakan suatu benda untuk memperkirakan dan menghitung sudut bintang di angkasa. Sejak saat itu fisika terus berkembang sampai ke level sekarang. Perkembangan ini tidak hanya membawa perubahan di dalam bidang dunia benda, matematika dan filosofi namun juga, melalui teknologi, membawa perubahan ke dunia sosial masyarakat. Revolusi ilmu yang berlangsung terjadi pada sekitar tahun 1600 dapat dikatakan menjadi batas antara pemikiran purba dan lahirnya fisika klasik. Dan akhirnya berlanjut ke tahun 1900 yang menandakan mulai berlangsungnya era baru yaitu era fisika modern.

Tokoh-tokoh fisika di zaman ini diantaranya :

A.       THALES (620-547 SM)

v  Saintis pertama. Sudah memahami pentingnya prinsip-prinsip umum ketimbang kejadian-kejadian khusus/individual.

v  Orang pertama yang mengajarkan strukur mikroskopik materi.

v  Air adalah elemen dasar alam. Segenap isi alam semesta ini terbuat dari air.

v  Gerakan larinya air merupakan alasan dasar untuk seluruh gerakan.

v  Menganggap materi dan gaya sebagai satu kesatuan.

B.       ANAKSIMANDROSS (609-546 SM)

v  Muridnya Thales

v  Percaya bahwa alam diatur oleh suatu hukum. Lebih percaya pada kekuatan fisis ketimbang kekuatan supernatural yang bikin keteraturan di alam.

v  Entitas wujud alam semesta adalan apeiron.

v  Apeiron ini mirip dengan konsep “kehampaan/vacuum”, sesutau yang tak jelas/tak tentu dalam ruang dan waktu.

v  Sudah punya gagasan evousi binatang melalui mutasi, dan bukan melalui seleksi alam.

v  Hasil belajar dari Mesir, jam berdasarkan bayangan sinar matahari dari suatu tongkat.

C.       ANAKSIMENES (585-525 bc)

v  Murid Anaksimandros

v  Udara/angin merupakan entitas wujud alam semesta, ia yang mendasari segalanya.

v  Panas dan dingin menyebabkan udara menciptakan suatu bentuk.

v  Bumi, matahari dan bintang adalah cakram/piringan di atas udara.

D.       EMPEDOCLES (490-430 bc)

v  Entitas wujud di alam semesta terdiri atas 4 unsur: api, angin, air, tanah

v  Unsur-unsur 4 tersebut tidak bisa saling tukar menukar satu sama lain.

v  Ada 2 kekuatan/gaya: centripetal force of love dan centrifugal force of strife. Ini yang bertanggung jawab dalam interaksi unsur-usur tersebut.

v  Teori 4 unsur ini di adopsi Aristoteles dan diyakini hingga abad renaisans.

v  Untuk membuktikan bahwa dia bisa abadi, dia melompat ke kawah gunung api Etna.

E.        LEUCIPPOS (5th century bc)

v  Tak ada yang terjadi secara kebetulan tanpa alasan, segalanya pasti punya tujuan.

v  Bapak Atomisme : entitas wujud adalah atom

v  Ada 2 entitas ang invariant (bhs Indonesia: karar): atom dan kehampaan.

v  Segala sesuatu juga memiliki sifat mendasar: perubahan dan gerak.

v  Biasanya disebut bersamaan dengan muridnya, Democritus

II.          FISIKA KLASIK

Pada zaman ini pemahaman dibidang kefisikaan masih sempit dan perkembangannya tidak seluas pada perkembangan konsep-konsep fisika modern. Contoh-contoh pemikiran pada zaman ini adalah :

A.    MEKANIKA KLASIK (MEKANIKA NEWTONIAN)

Mekanika klasik menggambarkan dinamika partikel atau sistem partikel. Dinamika partikel demikian, ditunjukkan oleh hukum-hukum Newton tentang gerak, terutama oleh hukum kedua 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".

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 selama interval waktu tertentu tidak mengalami perubahan kecepatan, konsekuensinya adalah waktu bersifat homogen.

B.       ELEKTRODINAMIKA KLASIK

Elekrodinamika, sesuai dengan namanya adalah kajian yang menganalisis fenomena akibat gerak elektron. Fenomena ini berkaitan dengan kelistrikan dan kemagnetan. Kendati elektrodinamika merupakan bagian dari fisika klasik, hukum-hukum elektrodinamika yang dikompilasi oleh Maxwell ternyata sesuai dengan teori Relativitas, salah satu pilar dari fisika modern. Teori elektromagnet membahas medan elektromagnet, yaitu medan listrik dan medan magnet . Kedua besaran ini berhubungan dengan rapat muatan dan rapat arus. Bagian ini tidak akan mengulas secara rinci teori medan elektromagnet sebab dapat diperoleh dalam kuliah khusus tentang elektrodinamika. Hal yang perlu dikemukakan di sini adalah bahwa menurut Maxwell, medan listrik dan magnet memenuhi persamaan

(

Persamaan ini mengungkapkan bahwa medan elektromagnet merambat dalam ruang dalam bentuk gelombang dengan kecepatan tetap v. Maxwell adalah orang pertama yang mengungkapkan bahwa gelombang EM pada jangkauan frekuensi tertentu adalah gelombang cahaya. Sejak itu orang kemudian memahami bahwa gelombang EM meliputi frekuensi sangat rendah seperti sinar tampak (frekuensi berkisar 4000 A - 7000A), hingga radiasi frekuensi tinggi seperti Sinar-X.

Dalam kajian optika dipahami bahwa cahaya memiliki berbagai sifat yang menunjukkan bahwa konsep cahaya sebagai gelombang tidak esensial. Akan tetapi guna menjelaskan secara lebih tepat mengenai gejala interferensi, khususnya difraksi, konsep cahaya sebagai gelombang adalah mutlak.

Pada prinsipnya fisika klasik berpandangan bahwa materi terdiri atas partikel dan radiasi terdiri atas gelombang. Pandangan ini menjadi acuan dalam menjelaskan gejala alam. Contohnya, gaya yang dialami oleh partikel bermuatan seperti, elektron dan proton, dengan massa masing-masing muatan listrik satu satuan, berinteraksi melalui interaksi gravitasi (massa) dan elektromagnetik. Geraknya dapat dijelaskan melalui Hukum Lorentz. Akan tetapi, teori klasik tidak mampu menjelaskan bagaiman interaksi partikel ini dengan cahaya (radiasi).

C.       TERMODINAMIKA KLASIK

Thermodinamika adalah cabang ilmu pengetahuan yang membahas antara panas dan bentuk – bentuk energi lainnya. Michael A Saad dalam bukunya menerangkan Thermodimika 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 tingak 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 perpindahan bersih panas dari suatu tempat yang suhunya lebih rendah ke suatu tempat yang suhunya lebih tinggi. Pernyataan yang mengandung kebenaran eksperimental ini di kenal 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 temperature 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 RELATIVITAS UMUM

Einstein menyelesaikan teori relativitas umum pada 1915. Teori relativitas umum menjelaskan bahwa gelombang elektromagnetik tidak sesuai dengan teori gerakan Newton. Menurut Newton, gravitasi dianggap sebagai kekuatan penarik... Planet-planet bergerak mengelilingi matahari dalam bentuk lingkaran elips karena matahari memiliki kekuatan gravitasi yang amat besar. Tapi menurut Einstein, gravitasi tidak dianggap sebagai kekuatan penarik, tapi lebih sebagai kekuatan eksterior yang merupakan konsekwensi dari ruang dan waktu atau ruang-waktu. Rangkaian ruang-waktu empat-dimensi yang melengkung seringkali dilukiskan seperti sebuah karet yang dimelarkan oleh benda bermasa—bintang, galaksi, dll. Benda bermassa seperti matahari melengkungkan ruang-waktu di sekelilingnya dan planet-planet bergerak di sepanjang jalur melengkungnya ruang-waktu. Einstein berkata: “materi memberitahu ruang bagaimana cara melengkungkan/memelarkan dirinya; ruang memberitahu materi cara bergerak”. Teori relativitas umum memprediksi dengan tepat sampai pada tingkatan apakah sebuah sinar cahaya akan terbentang saat ia lewat di dekat matahari. Kalau dipaksa menyimpulkan teori relativitas umum dalam satu kalimat: Keberadaan ruang, waktu, dan gravitasi tidak terpisahkan dari benda.

III.            FISIKA MODERN

Fisika modern ini ditandai dengan pemikiran-pemikiran baru oleh para ilmuwan fisika, dimana pemikiran baru ini lebih luas dari pemikiran di zaman fisika klasik. Dengan kelamahan-kelemahan fisika klasik, fisika modern mampu mengembangkan dan menjawab berbagai permasalahan yang tidak terjawab oleh pemikiran fisika klasik. Beberapa penemuan penting dalam zaman ini diantaranya :

A.       RELATIVITAS KHUSUS

Hasil percobaan Michelson Morley tidak dapat dijelaskan melalui Fisika Klasik. Maka Einstein mengemukakan dua postulat relativitas khusus:  

v hukum fisika dapat dinyatakan dalam persamaan yang berbentuk sama dalam semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap satu terhadap
lainnya.

v kelajuan cahaya dalam ruang hampa sama besar untuk semua pengamat, tidak bergantung dari keadaan gerak pengamat itu.

B.       EFEK COMPTON

Pada efek fotolistrik, cahaya dapat dipandang sebagai kuantum energi dengan energi yang diskrit. Kuantum energi tidak dapat digambarkan sebagai gelombang tetapi lebih mendekati bentuk partikel. Partikel cahaya dalam bentuk kuantum dikenal dengan sebutan foton. Pandangan cahaya sebagai foton diperkuat lagi melalui gejala yang dikenal sebagai efek Compton.

Jika seberkas sinar-X ditembakkan ke sebuah elektron bebas yang diam, sinar-X akan mengalami perubahan panjang gelombang dimana panjang gelombang sinar-X menjadi lebih besar. Gejala ini dikenal sebagai efek Compton, sesuai dengan nama penemunya, yaitu Arthur Holly Compton.Sinar-X digambarkan sebagai foton yang bertumbukan dengan elektron (seperti halnya dua bola bilyar yang bertumbukan). Elektron bebas yang diam menyerap sebagian energi foton sehingga bergerak ke arah membentuk sudut terhadap arah foton mula-mula. Foton yang menumbuk elektron pun terhambur dengan sudut θ terhadap arah semula dan panjang gelombangnya menjadi lebih besar. Perubahan panjang gelombang foton setelah terhambur. Dimana m adalah massa diam elektron, c adalah kecepatan cahaya, dan h adalah konstanta Planck.