Fisika,
sebuah perjalanan
Oleh: Aditiya
Nugraha
“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.