Fisika, sebuah perjalanan
“Saya dapat
melihat jauh ke depan karena , Saya berada di atas pundak raksasa”(Isaac
Newton)
Selama ini kita mengenal fisika hanya dari satu sisi,
jika kita ibaratkan fisika sebagai sebuah koin. Sisi yang kita lihat itu dari
apa, kenapa, dan bagaimana, sedangkan sisi satunya; siapa, kapan, dan di mana
jarang kita melihatnya. Memang dalam kebutuhan akademik, mempelajari fisika
secara formal tidak terlalu mementingkan siapa, kapan, dan di mana. Akan
tetapi, untuk mengenal lebih dalam perlu rasanya kita ketahui bagaimana fisika
dalam perkembangannya. Seperti Newton yang memiliki pandangan begitu jauh ke
depan dari zamannya karena Newton mengetahui pemikiran-pemikiran sebelumnya
dari Galileo dan pemikir lainnya, yang dikatakannya Newton dia berada di atas
pundak raksasa.
Fisika (Bahasa Yunani: physikos, “alamiah” dan physis,
“alam”) adalah sains atau ilmu tentang alam dalam makna yang terluas. Fisika
mempelajari gejala alam yang tak hidup atau materi dalam lingkup ruang dan
waktu. Fisikawan mempelajari perilaku dan sifat materi dalam bidang yang sangat
beragam, mulai dari mikroskopis hingga makroskopis.
Secara umum, fisika dapat kita bagi menjadi tiga
bagian: zaman filosof, fisika klasik, dan fisika modern. Pada zaman filosof,
seperti namanya, fisika pada awal permulaan ini sebenarnya belum dikatakan
fisika sebagai sesuatu yang tunggal karena masih bercampur dengan ilmu alam
lainnya, tapi akan kita bahas gagasan-gagasan fisika di zaman ini. Pada era
filosof, fisika banyak dikembangkan oleh Thales, Archimedes, demokritus, dll.
Memasuki abad ke-17, fisika mengalami perubahan, beberapa gagasan fisika yang
sebelumnya hanya ditopang oleh pemikiran akal semata mulai didukung oleh
pengamatan dan eksperimen yang banyak dikembangkan oleh Galileo. Pada abad
ke-20, fisika kembali mengalami perubahan besar, gagasan-gagasan yang banyak
dihasilkan fisika klasik ternyata tidak dapat menjelaskan penemuan-penemuan
baru, seperti efek fotolistrik dan radiasi benda hitam.
Zaman filosof
Sebelum manusia mampu memahami fenomena-fenomena alam
yang terjadi, banyak yang memahami fenomena alam tersebut dengan berdasarkan
mitologi. Tapi sejak kemunculan filsuf Thales dari Miletos (624-546 SM) keadaan
mulai berubah, muncul gagasan bahwa alam mengikuti kaidah-kaidah yang konsisten
dan bisa dipelajari. Kejadian-kejadian rumit disekeliling kita bisa direduksi
ke kaidah-kaidah sederhana dan dijelaskan tanpa perlu membawa
penjelasan-penjelasan mitos. Thales dianggap berhasil memprediksi terjadinya
gerhana matahari pada 585 SM. Adapula gagasan thales yang sangat terkenal yang
dimulai dengan pertanyaan “unsur apakah yang menyusun seluruh alam?”. Jawaban
thales atas pertanyaan dia sendiri, bahwa air adalah sumber dari segala
sesuatu, dia mungkin percaya bahwa seluruh kehidupan berasal dari air dan
kembali lagi ke air setelah kehidupan berakhir
Phytagoras (580-490 SM) dengan dalilnya yang begitu
terkenal, pun turut andil dalam perkembangan fisika di zamannya. Dia berhasil
memberikan sumbangan gagasan tentang hubungan numerik antara panjang senar alat
musik dan kombinasi harmonik banyi.
Melanjutkan pertanyaan Thales mengenai unsur dasar
alam, ternyata mengalami perkembangan. Demokritos (460-370 SM) merenungkan apa
yang terjadi bila benda dipecah-pecah. Menurut demokritos, seharusnya pemecahan
benda tidak bisa tak berujung. Dia menganggap segalanya, termasuk makhlup
hidup, terbuat dari zarah-zarah dasar yang tidak bisa lagi dipotong atau
dipecah menjadi bagian-bagian. Dinamakannya zarah terkecil itu atom, yang dalam
bahasa Yunani berarti “tak dapat dopotong”. Gagasan demokritos tentang atom
menjadi cikal bakal perkembangan atom dan memasuki dunia mikroskopis.
Aristoteles (394-322 SM) murid Plato, membangun
fisikanya berdasarkan kaidah-kaidah yang menarik bagi akalnya. Dia menggunakan
pendekatan mengapa alam berjalan demikian, bukan bagaimana, sehingga dalam
fisika aristoteles menolak pengamatan sebagai dasarnya. Dia menutupi
fakta-fakta yang dianggapnya tak sesuai dan memusatkan upayanya pada alas an
hal-hal yang terjadi, dan tak banyak mengurusu perinciannya. Contohnya, teori
gerak Aristoteles menyatakan bahwa benda berat jatuh dengan kecepatan tetap
yang sebanding dengan beratnya. Untuk menjelaskan fakta bahwa benda jelas-jelas
mengalami percepatan ketika jatuh, aristoteles membuat kaidah baru-bahwa benda
bergerak makin bersemangat , dank arena itu mengalami percapatan, ketika
mendekati tempat rehat alaminya.
Fisikawan terbesar pada zaman filosof ialah Archimedes
(287-212 SM). Gagasan-gagasan yang berhasil diberikan Archimedes antara lain:
hukum pengungkit, hukum apungan, dan hukum pantulan. Hukum pengukungkit
menjelaskan bahwa gaya kecil bisa mengangkat beban besar karena pengungkit
memperbesar gaya berdasarkan rasio jarak dari titik tumpu. Hukum apungan
menyatakan bahwa benda apapun yang berada dalam zat cair akan mengalami gaya
angkat setara dengan bobot zat cair yang terdesak. Hukum pantulan mentakan
bahwa sudut antara berkas cahaya datang dan cermin sama dengan sudut antara
cermin dan berkas cahaya pentulan.
Aristarkhos (310-230 SM) menjadi orang pertama yang
berpendapat bahwa bumi bukanlah pusat tata surya, melainkan mengelilingi
matahari yang lebih besar, bersama-sama planet lainnya, hanya perlu langkah
kecil untuk menyadari juga bahwa matahari kita juga tak istimewa. Aristarkhos
menduga demikianlah adanya dan percaya bintang-bintang yang kita lihat pada
langit malam sebenarnya matahari-matahari lain yang berjarak jauh.
Meski sebagian spekulasi para filosof alam ini sungguh
tajam, kebanyakan gagasan orang Yunani kuno tak bakal dianggap sains yang sahih
pada zaman modern. Alasannya antara lain: belum menemukan metode sains, maka
teori-teori yang mereka tidak dibangun dengan tujuan dibuktikan lewat percobaan
(Archimedes merupakan pengecualian). Tidak adanya pembedaan antara hukum
manusia dan hukum fisika. Contohnya anaximandros Menulis
bahwa segala benda muncul dari zat asal, dan kembali ke zat asal, kalau tidak
mereka “menanggung denda dan hukuman akibat ketidaktaatan”. Zaman filosof
berakhir hingga ditemukannya metode sains oleh Galileo.
Fisika Klasik
Fisika klasik adalah fisika yang didasari
prinsip-prinsip yang dikembangkan sebelum bangkitnya teori kuantum, dari abad
17 hingga 19. Cabang-cabang yang termasuk fisika klasik antara lain: mekanika
klasik (hukum gerak Newton dan lagrangian serta mekanika Hamiltonian),
elektrodinamika klasik, termodinamika klasik, dan teori relativitas.
Pada awal abad 17, Galileo membuka penggunaan
eksperimen untuk memastikan kebenaran teori fisika, yang merupakan kunci metode
sains. Galileo memformulasikan dan berhasil menguji beberapa hasil dari
dinamika mekanik, terutama inersia. Pada 1687, Isaac newton menerbitkan
karyanya yang fenomenal, mathematical principles of natural philosophy
(principia), yang memberikan penjelasan yang gamblang dan teori fisika yang
sukses. Hukum gerak Newton yang merupakan sumber dari mekanika klasik dan hukum
gravitasi Newton yang menjelaskan gaya dasar gravitasi. Kedua teori ini sangat
cocok dalam eksperimen. Principia juga memasukkan beberapa teori dalam dinamika
fluida. Mekanika klasik dikembangkan besar-besaran oleh Joseph-Louis de
Lagrange. William Rowan Hamilton, dan lainnya, yang menciptakan formula,
prinsip, dan hasil baru. Hukum gravitasi memulai bidang astrofisika, yang
menggambarkan fenomena astronomi menggunakan teori fisika.
Sejak abad 18 dan seterusnya, termodinamika
dikembangkan oleh Robert Boyle, Charles, gay-lussac, dkk. Pada 1733, Daniel
Bernoulli menggunakan argument statistika dalam mekanika klasik untuk
menurunkan hasil termodinamika, memulai bidang mekanika statistic. Pada 1798,
Benjamin Thompson mempertunjukkan konversi kerja mekanik ke dalam panas. Pada
1847 james joule menyatakan hukum konservasi energy, dalm bentuk panas dan juga
dalam energy mekanik.
Sifat listrik dan magnetisme dipelajari oleh Michael
faraday, George ohm, dan lainnya. Pada 1855, james Clerk Maxwell menyatukan kedua
fenomena menjadi satu teori elektromagnetisme, dijelaskan oleh persamaan
Maxwell. Perkiraan dari teori ini adalah cahaya adalah gelombang
electromagnet.
Fisika Modern
Kesuksesan fisika klasik dalam menjelaskan mekanika
klasik, electromagnet, dan termodinamika dengan alasan dapat mengukur besaran
apapun dengan ketelitian berapapun ternyata tidak langgeng dalam waktu yang
lama.
Beberapa eksperimen, seperti: radiasi benda hitam dan
efek fotolistrik ternyata tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik. Alih-alih
menjelaskan elsperimen tersebut, fisika klasik malah mendapatkan guncangan
besar. Teori-teori dasar fisika klasik mendapat benturan ketika
eksperimen-eksperimen tersebut mulai dijelaskan. Energi gelombang yang tidak
berbanding lurus dengan intensitasnya, energi yang tidak kontinyu, partikel dan
gelombang yang ternyata tidak berkontradiktif, merupakan temuan-temuan baru
yang mengguncang fisika klasik.
Sejak abad 20, kebanyakan fisikawan mengkhususkan diri
meneliti dalam fisika teoritis atau fisika eksperimental saja. Sedikit saja
yang berhasil dalam kedua bidang tersebut. Teoris berusaha mengembangkan teori
yang dapat menjelaskan hasil eksperimen yang telah dicoba dan dapat
memperkirakan hasil eksperimen yang akan datang. Sementara itu, eksperimentaslis
menyusun dan melaksanakan eksperimen untuk menguji perkiraan teoritis. Meskipun
teori dan eksperimen dikembangkan secara terpisah, mereka saling
bergantung.
Riset dalam fisika dibagi beberapa bidang yang berbeda
dari dunia materi. Fisika benda kondensasi, diperkirakan sebagai bidang fisika
terbesar, mempelajari property benda besar, seperti benda padat dan cairan yang
kita temui setiap hari, yang berasal dari property dan interaksi mutual dari
atom. Bidang fisika atomic, molekul, dan optik berhadapan dengan individual
atom dan molekul, dan cara mereka menyerap dan mengeluarkan cahaya. Bidang
fisika partikel. Juga dikenal sebagai “fisika energy tinggi”, mempelajari
property partikel super kecil yang jauh lebih kecil dari atom, termasuk partikel
dasar yang membentuk benda lainnya. Terakhir, bidang astrofisika menerapkan
hukum fisika untuk menjelaskan fenomena astronomi, berkisar dari matahari dan
objek lainnya dalam tata surya ke jagad raya secara keseluruhan.
Dalam fisika benda kondensasi, masalah teoritis tak
terpecahkan terbesar adalah penjelasan suerkonduktivitas suhu tinggi. Dalam
fisika partikel, potongan pertama dari bukti eksperimen untuk fisika di luar
model standar telah mulai menghasilkan. Yang paling terkenal adalah penunjukkan
bahwa neutrino memiliki massa bukan nol. Dalam beberapa tahun ke depan,
pemercepat partikel akan mulai meneliti skala energi TeV, yang dimana
eksperimentalis berharap untuk menemukan higgs boson dan partikel
supersimetri.
Para teoris juga mencoba untuk menyatukan mekanika
kuantum dan relativitas umum menjadi satu teori gravitasi kuantum, sebuah
program yang telah berjalan selama setengah abad, dan masih belum menghasilkan
buah. Kandidat atas berikutnya adalah Teori-M, teori superstring, dan gravitasi
kuantum loop.
Banyak fenomena astronomical dan kosmologikal belum
dijelaskan secara memuaskan, termaswuk keberadaan sinar kosmik energy
ultra-tinggi, asimetrsi baryon, pemercepatan alam semesta dan percepatan
putaran anomaly galaksi.
Penutup
Fisika yang telah dirasakan sukses pada masa klasik
ternyata membuka gerbang baru fisika modern yang terus memberikan pertanyaan
baru, seperti halnya fisika era filosof yang dimulai dengan
pertanyaan-pertanyaan yang terlihat sederhana. Andai saja Newton tidak berada
pada pundak raksasa, rasanya sulit membayangkan apakah kita setidaknya bisa
pada kondisi ini.
Daftar pustaka
Garrder, Joestein. 2006. Dunia Sophie. Mizan:
Bandung.
Hawking, Stephen dan Mlodinow. 2011. Rancangan Agung.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar