Fisika Kuantum – Sifat Partikel dari Gelombang

Einstein tidak menganggap bahwa solusi dari Planck bersifat ad hoc. Sebaliknya, Einstein menganggap energi diskrit merupakan sifat umum dari cahaya. Apakah artinya bahwa cahaya memiliki energi diskrit? Mari kita lihat.

Bayangkan sebuah tali yang digetarkan. Tali ini bergerak membentuk gunung dan lembah yang berjalan (gelombang adalah getaran yang merambat).

Energi di sepanjang tali berbeda-beda. Namun, energi ini bersifat kontinu.

Sekarang bayangkan jika kita mengukur energi sebuah tali mikroskopik yang tidak bisa kita lihat. Secara mengagetkan kita menemukan bahwa energi yang kita ukur tidak bersifat kontinu. Kita mendapatkan energi bernilai 0 dan bernilai 1, tapi tidak pernah mendapatkan energi bernilai 0.5.

Padahal, jika kita mengukur di suatu titik, energi harusnya bergerak dari 0 menuju 1 melewati 0.5. Tapi, energi seperti meloncat dari 0 ke 1.

Apa artinya?

Jika kita membayangkan bagian puncak tali sebagai tali yang memiliki energi 1 dan bagian lembah sebagai 0, maka kita bisa membayangkan bahwa tak ada tali di antara itu. Jadi, tali seakan-akan telah membentuk sebuah paket-paket, yaitu paket puncak dan paket lembah.

Sebuah paket ini tidak memenuhi ruang layaknya gelombang (karena jika ya, maka kita akan menemukan energi yang 0.5 tadi pada titik tengah antara puncak tali dan lembah tali), tapi hanya menempat sebagian ruang.

Tapi, bukankah ini terlihat seperti sebuah partikel alih-alih sebuah gelombang?

 

Fisika Kuantum – Radiasi Benda Hitam

Fisika klasik menganggap bahwa fenomena partikel dan fenomena gelombang adalah dua hal yang berbeda. Tapi fisika kuantum menunjukkan yang sebaliknya. Bagaimana mungkin? Mari kita telusuri.

Pada akhir abad ke-19, salah satu fenomena yang tidak bisa dijelaskan oleh fisika klasik adalah masalah spektrum radiasi dari benda hitam.

Sebuah benda hitam adalah benda yang menyerap semua energi yang datang kepada benda tesebut. Jika kita melihat sebuah benda, itu karena cahaya dipantulkan oleh benda tersebut. Ini berarti, energi cahaya tidak diserap semua tapi sebagian besar dipantulkan oleh benda tersebut.

Sebuah benda hitam tidak akan memantulkan cahaya. Cahaya yang datang ke permukaannya akan diserap seluruhnya. Dengan menyerap energi, energi-dalam dari benda meningkat. Hasilnya adalah benda bertambah hangat. Benda ini selanjutnya akan mengeluarkan radiasi termal akibat perbedaan suhu antara benda dan lingkungannya. Percobaan menunjukkan spektrum dari radiasi termal ini.

Saat fisika klasik mencoba untuk menjelaskan “bentuk” dari spektrum radiasi dari sebuah benda hitam, timbul suatu ketidakcocokkan dengan hasil percobaan. Menurut penghitungan fisika klasik, radiasi termal akan memiliki intensitas tak berhingga untuk frekuensi tinggi radiasi. Ini disebut bencana ultraviolet (ultraviolet catasthrope).

Solusi dari masalah ini diberikan oleh Max Planck. Ia mengasumsikan bahwa energi yang diserap dan dipancarkan oleh benda hitam harus berbentuk diskrit, yaitu kelipatan dari sebuah konstanta Planck.

Planck menggambarkan ini sebagai berikut.

Sebuah benda hitam digambarkan sebagai sebuah lubang dari sebuah kotak. Lubang ini akan menerima semua cahaya yang masuk ke dalamnya dan tidak memantulkannya. Kotak ini bersifat konduktif. Di dalam kotak, cahaya membentuk gelombang-gelombang diam dengan ujung-ujungnya berada di dinding-dinding kotak yang karena bersifat konduktif maka amplitudonya sama dengan nol.

Dengan penghitungan sederhana kita bisa melihat bahwa frekuensi dari gelombang cahaya di dalam kotak bersifat diskrit. Dengan demikian, energi cahaya di dalam kotak pun bersifat disktrit. Energi diskrit inilah yang dipancarkan oleh benda hitam (lubang kotak).

Pada saat Planck mengemukakan solusinya, para fisikawan tak terlalu menanggapi hal ini secara serius. Meskipun hasil penghitungan Planck sangat cocok dengan hasil percobaan di laboratorium, para fisikawan menganggap bahwa penghitungan ini bersifat ad hoc, artinya hanya berlaku untuk kasus benda hitam saja. Einsteinlah yang membawa asumsi Planck ini lebih lanjut dalam menjelaskan efek fotolistrik sehingga membuka pintu ke arah terbentuknya teori kuantum.

 

Fisika Kuantum – Partikel dan Gelombang

Anda tentu pernah melihat riak air. Riak air terjadi karena di suatu titik terdapat getaran. Getaran ini menggerakkan air di titik tempat  getaran itu terjadi. Air di titik itu selanjutnya menggerakkan air di sekitarnya yang kemudian air di sekitarnya ini juga menggerakkan air di sekitarnya lagi. Begitu seterusnya sehingga getaran itu merambat di air. Inilah yang disebut fenomena gelombang.

Energi yang terjadi dalam fenomena gelombang disebarkan dari pusat energi secara merata ke daerah di sekelilingnya.

Selain fenomena gelombang, ada juga fenomena partikel. Untuk fenomena yang satu ini, Anda tentu tidak asing lagi. Salah satu contohnya adalah kelereng. Jika Anda mendorong sebuah kelereng, energi yang Anda berikan pada kelereng akan menyebabkan kelereng bergerak. Energi yang Anda berikan tidak disebarkan ke sekeliling. Energi itu hanya diberikan ke kelereng saja.

Jadi, salah satu perbedaan partikel dan gelombang adalah dalam hal penyebaran energi.

Sekarang mari kita memikirkan alam semesta ini. Di alam semesta ini, banyak sekali sumber energi. Ada energi alam dan ada pula energi “buatan”.

Contoh energi alam adalah matahari dan gas bumi. Contoh energi buatan adalah panas kompor.

Setiap energi dihasilkan dari sebuah sumber energi. Dari sumbernya, energi kemudian disebarkan (atau dipindahkan untuk kasus partikel) ke sekelilingnya. Energi bisa juga diubah bentuk saat dipindahkan ini. Misalnya, energi dari sumber energi listrik PLN diubah menjadi panas saat dipindahkan di setrika.

Jadi secara umum terdapat dua jenis fenomena terkait dengan penyebaran atau perpindahan energi, yaitu fenomena partikel dan fenomena gelombang.