Fisika Modern beserta Tokoh Penting dalam Perkembangannya.

FISIKA MODERN

1.      Munculnya Fisika Modern

Istilah fisika modern diperkenalkan karena banyaknya fenomena-fenomena mikroskopis dan hukum-hukum baru yang ditemukan sejak tahun 1890. 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. Beberapa observasi selama abad ke-19 menyatakan bahwa atom itu mempunyai struktur dalam yang bersifat listrik.

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.      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.

Percobaan Millikan atau dikenal pula sebagai Percobaan oil-drop (1909) saat itu dirancang untuk mengukur muatan listrik elektron. Rober Millikan melakukan percobaan tersebut dengan menyimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang berada di antara dua buah pelat elektroda. Dengan mengetahui besarnya medan listrik, muatan pada tetes minyak yang dijatuhkan (droplet) dapat ditentukan. Dengan mengulangi eksperimen ini sampai beberapa kali, ia menemukan bahwa nilai-nilai yang terukur selalu kelipatan dari suatu bilangan yang sama. Ia lalu menginterpretasikan bahwa bilangan ini adalah muatan dari 1 elektron = 1.602 × 10−19 coulomb (satuan SI untuk muatan listrik).

Tahun 1923, Millikan mendapat sebagian hadiah Nobel bidang fisika akibat percobaannya ini. Eksperimen ini sejak saat itu sering kali dicoba dari generasi ke generasi dari siswa-siswa bidang fisika, walaupun demikian agak sulit dan mahal untuk melakukan eksperimen ini dengan tepat.

Istilah fisika modern diperkenalkan karena banyaknya fenomena-fenomena mikroskopis dan hukum-hukum baru yang ditemukan sejak tahun 1890. Fenomena 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.

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 benda.

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.

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, dilepaskan:

E = h. v

di mana E adalah energi (J), h adalah tetapan Planck, h = 6,63 x 10-34 (Js)
v adalah frekuensi dari cahaya (Hz).

2.   Tokoh dan Teori Fisika Modern

Beberapa tokoh yang kami ungkapkan disini adalah tokoh yang banyak pengaruhnya terhadap fisika modern, diantaranya:

1. Albert Einstein (1879-1955)

Einstein, lahir di Ulm, Jerman. Ia sangat tidak senang pada sekolah-sekolah di Jerman yang disiplin secara kaku pada waktu itu, karena itu pada usia 16 tahun ia pergi ke negara Swiss untuk menyelesaikan pelajarannya, kemudian ia memperoleh pekerjaan yaitu sebagai orang yang memeriksa pemohon paten (hak paten) pada Swiss Patent Office (Kantor Paten Swiss) di Berne. Kemudian, dalam tahun 1905, gagasannya yang sudah ada dalam pikirannya bertahun-tahun ketika ia harus memusatkan perhatiannya untuk pekerjaan lain berbua menjadi tiga makalah pendek. 

Pada waktu itu minat Einstein ialah terutama dalam bidang gravitasi, dan mulai dari hal yang ditinggalkan Newton lebih dari dua abad yang lalu. 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. dari teori teori relativitas umum orang dapat membuat ramalan teoretis, misalnya cahaya harus dipengaruhi oleh gaya gravitasi, dan ternyata semuanya terbukti secara eksperimental. Penemuan berikutnya yang menyatakan bahwa semesta ini memuai ternyata cocok dengan teori. Pada tahun 1917, Einstein mengemukakan penurunan baru mengenai rumus radiasi benda hitam Planck dengan memperkenalkan gagasan radiasi yang terstimulasi, suatu gagasan yang buahnya muncul 40 tahun kemudian sebagai penemuan laser.

2.  Max Planck (1858 - 1947)

Max Planck dilahirkan di Kiel dan belajar di Munich dan Berlin. Seperti banyak ahli fisika, ia seorang pemain musik yang baik, selain itu ia juga senang mendaki gunung. dalam tahun 1900, setelah 6 tahun ia bekerja di Universitas Berlin, Planck mendapatkan bahwa kunci pemahaman radiasi benda hitam ialah anggapan bahwa pemancaran dan penyerapan radiasi terjadi dalam kuantum energi hv. Penemuan yang menghasilkan hadiah Nobel dalam tahun 1918 ini, sekarang dianggap sebagai tonggak dari fisika modern. Selama bertahun-tahun Max Planck sendiri menyangsikan kenyataan fisis dari kuantum energi ini. Setelah perang dunia kedua, Institute itu diberi nama Planck dan ia kembali menjabat kedudukan presiden sampai akhir hayatnya.

3. Arthur Holly Compton (1892 - 1962)

Ia dilahirkan di Ohio dan mengalami pendidikan di Wooster College dan Princeton. Ketika ia bekerja di Washington University di St. Louis ia menemukan bahwa panjang gelombng sinar-x bertambah jika mengalami hamburan, dan pada tahun 1923 ia dapat menerangkan hal itu berdasarkan kuantum cahaya. Pekerjaan ini telah meyakinkan orang akan kebenaran realitas foton, sebenarnya Compton sendirilah yang mengajukan kata “foton”. Setelah ia menerima hadiah Nobel pada tahun 1927, Compton bekerja di University of Chicago untuk mempelajari sinar kosmik dan menolong menjelaskan bahwa sinar ini sebenarnya terdiri dari partikel yang bergerak cepat (sekarang ternyata bahwa partikel itu adalah inti atom, dan sebagian besar adalah proton) yang berputar dalam ruang dan bukan sinar gamma. Ia membuktikan hal ini dengan memperlihatkan bahwa intensitas sinar kosmik berubah terhadap lintang, dan hal ini hanya dapat diterima jika partikel itu adalah ion yang lintasannya dipengaruhi oleh medan magnetik bumi. Selama Perang Dunia II, Compton merupakan salah satu tokoh pimpinan yang mengembangkan bom atom.

4. Louis de Broglie (1892 - 1987)

Louis-Victor-Pierre-Raymond, duc de Broglie, banyak dikenal sebagai Louis de Broglie (15 Agustus 1892–19 Maret 1987), ialah fisikawan Perancis dan pemenang hadiah Nobel. Berasal dari keluarga Prancis yang dikenal memiliki diplomasi dan kemiliteran yang baik. Pada mulanya ia adalah siswa sejarah, namun akhirnya ia mengikuti jejak kakaknya Maurice de Broglie untuk membina karir dalam fisika.

Pada 1924, tesis doktoralnya mengemukakan usulan bahwa benda yang bergerak memiliki sifat gelombang yang melengkapi sifat partikelnya.

5.  Max Born (1882 - 1970)

Max Born dilahirkan pada 11 Desember 1882, di Breslau, Jerman (kini Wroclaw, Polandia). Born belajar fisika di Universitas Breslau, Heidelberg, dan Zürich. Pada 1909, ia ditunjuk sebagai dosen di Georg-August-Universitaet Goettingen, di mana ia bekerja sampai 1912, saat ia pindah ke Universitas Chicago. Pada 1915, ia kembali ke Jerman namun harus masuk Militer Jerman. Pada 1919, ia menjadi guru besar di Universitas Frankfurt-am-Main, dan kemudian profesor di Göttingen pada 1921 Born meninggal di Göttingen, Jerman pada 5 Januari 1970.

6. Werner Heisenberg (1901 - 1976)

Werner Karl Heisenberg (5 Desember 1901 - 1 Februari 1976) adalah seorang ahli teori sub-atom dari Jerman, pemenang Penghargaan Nobel dalam Fisika 1932. Werner Heisenberg dilahirkan pada tanggal 5 Desember 1901 di Würzburg, Jerman. 

7. Niels Bohr (1885 - 1962)

Niels Bohr (7 Oktober 1885–18 November 1962) adalah seorang ahli fisika dari Denmark dan 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. Putranya, Aage Niels Bohr, juga penerima Hadiah Nobel.

8. Erwin Schrodinger (1887 -1961)

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrodinger (1887-1961) ialah fisikawan Austria. Dilahirkan di Wina, Austria-Hongaria. Ibunya berasal dari Inggris dan ayahnya berasal dari Austria. Ia memperoleh gelar doktor di kota itu di bawah bimbingan mantan murid Ludwig Boltzmann.

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.

9. Richard P. Feynman 

Richard Philips Feynman biasa dipanggil dengan nama kecilnya, Dick. Ia dilahirkan Far Rockaway, tidak jauh dari kota New York, dan belajar di Massachussetts Institute of Technology dan Princeton. ia memperoleh Ph.D. dalam tahun 1942 ia membantu mengembangkan bom atom di Los Alamos, New Mexico bersama dengan ahli fisika muda lainnya. Ketika perang berakhir, ia pergi ke Cornell dan dalam tahun 1951 pindah ke California Institute of Technology Feynmenn menerima hadiah Nobel pada tahun 1965 bersama 2 pioner lain dalam bidang elektrodinamika kuantum, yaitu Julian Schwinger, juga seorang ahli fisika Amerika. Dan Sin-Itiro Tomonaga, seorang pakar fisika Jepang. 

10. Wolfgang Pauli (1900 - 1958)

Ia dilahirkan di Wina. Pada umur 19 tahun ia telah membahas secara terinci relativitas khusus dan umum yang menarik perhatian Einstein dan tetap merupakan karya standar dalam bidang itu selama bertahun-tahun. Pauli menerima gelar doctor dari universitas Munich pada tahun 1922 dan bekerja untuk jangka waktu pendek di Gotthingen, Copenhagen dan Hamburg sebelum ia menjadi guru besar fisika di institute teknologi di Zurich, Swiss pada tahun 1928. pada tahun 1925 ia mengajukan usul bahwa bilangan kuantum (ketika itu belum diketahui asal hukumnya) diperlukan untuk mengkarakterisasi masing-masing elektron atomic dan bahwa tidak ada dua elektron pada atom yang sama mempunyai seperangkat bilangan kuantum yang sama. Selama perang berlangsung Pauli berada di Amerika Serikat, dan menerima hadiah Nobel pada tahun 1945.

11. Paul A. M. Dirac (1902 - 1984)

Ia dilahirkan di Bristol, Inggris, dan belajar teknik elektro di sana. Selanjutnya, ia berganti minat mempelajari matematika dan akhirnya fisika. Ia memperoleh gelar Ph.D. dari Cambridge pada tahun 1926. setelah ia membaca makalah Heisenberg yang pertama mengenai mekanika kuantum pada tahun 1925, Dirac segera merancang teori yang lebih umum dan pada tahun berikutnya ia merumuskan kaidah Eksklusi Pauli menurut prinsip mekanika kuantum. Ia mempelajari statistic partikel yang memenuhi prinsip Pauli, seperti elektron.. Dirac memperoleh hadiah Nobel fisika bersama dengan Schrodinger pada tahun 1933. Dirac tetap tinggal di Cambridge sampai tahun 1971 kemudian pindah ke Florida State University.

12. 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.

Enrico Fermi dilahirkan pada tanggal 29 September 1901 di Roma, Italia, dari pasangan Ida de Gattis dan Alberto Fermi.