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

Para Filsuf Yunani

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.

Era Fisika Modern

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.

Aditya Nugraha
[post_ads]