SEJARAH PERKEMBANGAN ILMU FISIKA
Fisika
adalah sains atau ilmu tentang alam dalam makna yang terluas. Fisika
mempelajari gejala alam yang tidak hidup atau materi dalam lingkup ruang
dan waktu. Fisikawan mempelajari perilaku dan sifat materi dalam bidang
yang sangat beragam, mulai dari partikel submikroskopis yang membentuk
segala materi (fisika partikel) hingga perilaku materi alam semesta
sebagai satu kesatuan kosmos.
Beberapa
sifat yang dipelajari dalam fisika merupakan sifat yang ada dalam semua
sistem materi yang ada, seperti hukum kekekalan energi. Sifat semacam
ini sering disebut sebagai hukum fisika. Fisika sering disebut sebagai
"ilmu paling mendasar", karena setiap ilmu alam lainnya (biologi, kimia,
geologi, dan lain-lain) mempelajari jenis sistem materi tertentu yang
mematuhi hukum fisika. Misalnya, kimia adalah ilmu tentang molekul dan
zat kimia yang dibentuknya. Sifat suatu zat kimia ditentukan oleh sifat
molekul yang membentuknya, yang dapat dijelaskan oleh ilmu fisika
seperti mekanika kuantum, termodinamika, dan elektromagnetika.
Nah para sahabat fisika ingin tahu bagaimana sejarah perkembangan ilmu
fisika itu? Kalau dicari asal-usulnya ternyata menarik juga lho. Bahkan
sistem kalender sampai mesin mobil yang kawan-kawan sering temui dalam
kehidupan sehari-hari ternyata para ilmuwan fisika yang menemukannya.
Dimulai dari zaman prasejarah sampai tahun 1550 an. Pada periode pertama
ini dikumpulkan berbagai fakta fisis yang dipakai untuk membuat
perumusan empirik. Dalam periode pertama ini belum ada penelitian yang
sistematis. Beberapa penemuan pada periode ini diantaranya :
2400000
SM - 599 SM: Di bidang astronomi sudah dihasilkan Kalender Mesir dengan
1 tahun = 365 hari, prediksi gerhana, jam matahari, dan katalog
bintang. Dalam Teknologi sudah ada peleburan berbagai logam, pembuatan
roda, teknologi bangunan (piramid), standar berat, pengukuran, koin
(mata uang).
600
SM – 530 M: Perkembangan ilmu dan teknologi sangat terkait dengan
perkembangan matematika. Dalam bidang Astronomi sudah ada pengamatan
tentang gerak benda langit (termasuk bumi), jarak dan ukuran benda
langit. Dalam bidang sain fisik Physical Science, sudah ada Hipotesis
Democritus bahwa materi terdiri dari atom-atom. Archimedes memulai
tradisi “Fisika Matematika” untuk menjelaskan tentang katrol,
hukum-hukum hidrostatika dan lain-lain. Tradisi Fisika Matematika
berlanjut sampai sekarang.
530
M – 1450 M: Mundurnya tradisi sains di Eropa dan pesatnya perkembangan
sains di Timur Tengah. Dalam kurun waktu ini terjadi Perkembangan
Kalkulus. Dalam bidang Astronomi ada “Almagest” karya Ptolomeous yang
menjadi teks standar untuk astronomi, teknik observasi berkembang,
trigonometri sebagai bagian dari kerja astronomi berkembang. Dalam Sain
Fisik, Aristoteles berpendapat bahwa gerak bisa terjadi jika ada yang
nendorong secara terus menerus; kemagnetan berkembang ; Eksperimen
optika berkembang, ilmu Kimia berkembang (Alchemy).
Di
mulai dari tahun 1550an sampai tahun 1800an. Pada periode kedua ini
mulai dikembangkan metoda penelitian yang sistematis dengan Galileo
dikenal sebagai pencetus metoda saintifik dalam penelitian. Hasil-hasil
yang didapatkan antara lain:
Kerja sama antara eksperimentalis dan teoris menghasilkan teori baru pada gerak planet.
Newton:
meneruskan kerja Galileo terutama dalam bidang mekanika menghasilkan
hukum-hukum gerak yang sampai sekarang masih dipakai.
Dalam
Mekanika selain Hukum-hukum Newton dihasilkan pula Persamaan Bernoulli,
Teori Kinetik Gas, Vibrasi Transversal dari Batang, Kekekalan Momentum
Sudut, Persamaan Lagrange.
Dalam Fisika Panas ada penemuan termometer, azas Black, dan Kalorimeter.
Dalam Gelombang Cahaya ada penemuan aberasi dan pengukuran kelajuan cahaya.
Dalam
Kelistrikan ada klasifikasi konduktor dan nonkonduktor, penemuan
elektroskop, pengembangan teori arus listrik yang serupa dengan teori
penjalaran panas dan Hukum Coulomb.
Dimulai dari tahun 1800an sampai 1890an. Pada periode ini diformulasikan
konsep-konsep fisika yang mendasar yang sekarang kita kenal dengan
sebutan Fisika Klasik. Dalam periode ini Fisika berkembang dengan pesat
terutama dalam mendapatkan formulasi-formulasi umum dalam Mekanika,
Fisika Panas, Listrik-Magnet dan Gelombang, yang masih terpakai sampai
saat ini.
Dalam
Mekanika diformulasikan Persamaan Hamiltonian (yang kemudian dipakai
dalam Fisika Kuantum), Persamaan gerak benda tegar, teori elastisitas,
hidrodinamika.
Dalam Fisika Panas diformulasikan Hukum-hukum termodinamika, teori kinetik gas, penjalaran panas dan lain-lain.
Dalam Listrik-Magnet diformulasikan Hukum Ohm, Hukum Faraday, Teori Maxwell dan lain-lain.
Dalam Gelombang diformulasikan teori gelombang cahaya, prinsip interferensi, difraksi dan lain-lain.
Dimulai dari tahun 1890an sampai sekarang. Pada akhir abad ke 19
ditemukan beberapa fenomena yang tidak bisa dijelaskan melalui fisika
klasik. Hal ini menuntut pengembangan konsep fisika yang lebih mendasar
lagi yang sekarang disebut Fisika Modern. Dalam periode ini dikembangkan
teori-teori yang lebih umum yang dapat mencakup masalah yang berkaitan
dengan kecepatan yang sangat tinggi (relativitas) atau/dan yang
berkaitan dengan partikel yang sangat kecil (teori kuantum).
Teori
Relativitas yang dipelopori oleh Einstein menghasilkan beberapa hal
diantaranya adalah kesetaraan massa dan energi E=mc2 yang dipakai
sebagai salah satu prinsip dasar dalam transformasi partikel.
Teori
Kuantum, yang diawali oleh karya Planck dan Bohr dan kemudian
dikembangkan oleh Schroedinger, Pauli , Heisenberg dan lain-lain,
melahirkan teori-teori tentang atom, inti, partikel sub atomik, molekul,
zat padat yang sangat besar perannya dalam pengembangan ilmu dan
teknologi.
1. FISIKA ZAMAN PURBAKALA
Sejak
zaman purbakala, orang telah mencoba untuk mengerti sifat dari benda:
mengapa objek yang tidak ditopang jatuh ke tanah, mengapa material yang
berbeda memiliki properti yang berbeda, dan seterusnya. Lainnya adalah
sifat dari jagad raya, seperti bentuk Bumi dan sifat dari objek
celestial seperti Matahari dan Bulan. Sejarah fisika dimulai pada tahun
sekitar 2400 SM, ketika kebudayaan Harappan menggunakan suatu benda
untuk memperkirakan dan menghitung sudut bintang di angkasa. Sejak saat
itu fisika terus berkembang sampai ke level sekarang. Perkembangan ini
tidak hanya membawa perubahan di dalam bidang dunia benda, matematika
dan filosofi namun juga, melalui teknologi, membawa perubahan ke dunia
sosial masyarakat. Revolusi ilmu yang berlangsung terjadi pada sekitar
tahun 1600 dapat dikatakan menjadi batas antara pemikiran purba dan lahirnya fisika klasik. Dan akhirnya berlanjut ke tahun 1900 yang menandakan mulai berlangsungnya era baru yaitu era fisika modern.
II. FISIKA KLASIK
Pada
zaman ini pemahaman dibidang kefisikaan masih sempit dan
perkembangannya tidak seluas pada perkembangan konsep-konsep fisika
modern. Contoh-contoh pemikiran pada zaman ini adalah A. MEKANIKA KLASIK (MEKANIKA NEWTONIAN)
Mekanika
klasik menggambarkan dinamika partikel atau sistem partikel. Dinamika
partikel demikian, ditunjukkan oleh hukum-hukum Newton tentang gerak,
terutama oleh hukum kedua Newton. Hukum ini menyatakan, "Sebuah benda
yang memperoleh pengaruh gaya atau interaksi akan bergerak sedemikian
rupa sehingga laju perubahan waktu dari momentum sama dengan gaya
tersebut".
Hukum-hukum
gerak Newton baru memiliki arti fisis, jika hukum-hukum tersebut
diacukan terhadap suatu kerangka acuan tertentu, yakni kerangka acuan
inersia (suatu kerangka acuan yang bergerak serba sama - tak mengalami
percepatan). Prinsip Relativitas Newtonian menyatakan, "Jika hukum-hukum
Newton berlaku dalam suatu kerangka acuan maka hukum-hukum tersebut
juga berlaku dalam kerangka acuan lain yang bergerak serba sama relatif
terhadap kerangka acuan pertama".
Konsep
partikel bebas diperkenalkan ketika suatu partikel bebas dari pengaruh
gaya atau interaksi dari luar sistem fisis yang ditinjau (idealisasi
fakta fisis yang sebenarnya). Gerak partikel terhadap suatu kerangka
acuan inersia tak gayut (independen) posisi titik asal sistem koordinat
dan tak gayut arah gerak sistem koordinat tersebut dalam ruang.
Dikatakan, dalam kerangka acuan inersia, ruang bersifat homogen dan
isotropik. Jika partikel bebas bergerak dengan kecepatan konstan dalam
suatu sistem koordinat selama interval waktu tertentu tidak mengalami
perubahan kecepatan, konsekuensinya adalah waktu bersifat homogen.
B. ELEKTRODINAMIKA KLASIK
Elekrodinamika,
sesuai dengan namanya adalah kajian yang menganalisis fenomena akibat
gerak elektron. Fenomena ini berkaitan dengan kelistrikan dan
kemagnetan. Kendati elektrodinamika merupakan bagian dari fisika klasik,
hukum-hukum elektrodinamika yang dikompilasi oleh Maxwell ternyata
sesuai dengan teori Relativitas, salah satu pilar dari fisika modern.
Teori elektromagnet membahas medan elektromagnet, yaitu medan listrik dan
medan magnet . Kedua besaran ini berhubungan dengan rapat muatan dan
rapat arus. Bagian ini tidak akan mengulas secara rinci teori medan
elektromagnet sebab dapat diperoleh dalam kuliah khusus tentang
elektrodinamika. Hal yang perlu dikemukakan di sini adalah bahwa menurut
Maxwell, medan listrik dan magnet memenuhi persamaan
C. TERMODINAMIKA KLASIK
Thermodinamika
adalah cabang ilmu pengetahuan yang membahas antara panas dan bentuk
bentuk energi lainnya. Michael A Saad dalam bukunya menerangkan
Thermodimika merupakan sains aksiomatik yang berkenaan dengan
transformasi energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya . energi dan
materi sangat berkaitan erat, sedemikian eratnya sehingga perpindahan
energi akan menyebabkan perubahan tingak keadaan materi tersebut.
Hukum
pertama dari termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat
diciptakan dan tidak dapat dihilangkan namun berubah dari satu bentuk
menjadi bentuk yang lainnya. Hukum ini mengatur semua perubahan bentuk
energi secara kuantitatif dan tidak membatasi arah perubahan bentuk itu.
Pada kenyataannya tidak ada kemungkinan terjadinya proses dimana proses
tersebut satu – satunya hasil dari perpindahan bersih panas dari suatu
tempat yang suhunya lebih rendah ke suatu tempat yang suhunya lebih
tinggi. Pernyataan yang mengandung kebenaran eksperimental ini di kenal
dengan hukum kedua termodinamika.
Keterbatasan
termodimika klasik. Termodinamika klasik menggarap keadaan sistem dari
sudut pandang makroskopik dan tidak membuat hipotesa mengenai struktur
zat. Untuk membuat analisa termodinamika klasik kita perlu menguraikan
keadaan suatu sistem dengan perincian mengenai karakteristik –
karakteristik keseluruhannya seperti tekanan , volume dan temperature
yang dapat diukur secara lansung dan tidak menyangkut asumsi – asumsi
mengenai struktur zat.
Termodinamika
klasik tidak memperhatikan perincian, perincian suatu proses tetapi
membahas keadaan – keadaan kesetimbangan. Dari sudut pandang
termodinamika jumlah panas yang dipindahkan selama suatu proses hanyalah
sama dengan beda antara perubahan energi sistem dan kerja yang
dilaksanakan., jelaslah bahwa analisa ini tidak memperhatikan mekanisme
aliran panas maupun waktu yang diperlukan untuk memindahkan panas
tersebut.
Termodinamika
klasik mampu menerangkan mengapa perpindahan panas dapat terjadi, namun
termodinamika klasik tidak menjelaskan bagaimana cara panas dapat
berpindah. Kita mengenal bahwa panas dapat berpindah dengan tiga cara
yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.
D. TEORI RELATIVITAS UMUM
Einstein
menyelesaikan teori relativitas umum pada 1915. Teori relativitas umum
menjelaskan bahwa gelombang elektromagnetik tidak sesuai dengan teori
gerakan Newton. Menurut Newton, gravitasi dianggap sebagai kekuatan
penarik... Planet-planet bergerak mengelilingi matahari dalam bentuk
lingkaran elips karena matahari memiliki kekuatan gravitasi yang amat
besar. Tapi menurut Einstein, gravitasi tidak dianggap sebagai kekuatan
penarik, tapi lebih sebagai kekuatan eksterior yang merupakan
konsekwensi dari ruang dan waktu atau ruang-waktu. Rangkaian ruang-waktu
empat-dimensi yang melengkung seringkali dilukiskan seperti sebuah
karet yang dimelarkan oleh benda bermasa—bintang, galaksi, dll. Benda
bermassa seperti matahari melengkungkan ruang-waktu di sekelilingnya dan
planet-planet bergerak di sepanjang jalur melengkungnya ruang-waktu.
Einstein berkata: “materi memberitahu ruang bagaimana cara
melengkungkan/memelarkan dirinya; ruang memberitahu materi cara
bergerak”. Teori relativitas umum memprediksi dengan tepat sampai pada
tingkatan apakah sebuah sinar cahaya akan terbentang saat ia lewat di
dekat matahari. Kalau dipaksa menyimpulkan teori relativitas umum dalam
satu kalimat: Keberadaan ruang, waktu, dan gravitasi tidak terpisahkan
dari benda.
III. FISIKA MODERN
Fisika
modern ini ditandai dengan pemikiran-pemikiran baru oleh para ilmuwan
fisika, dimana pemikiran baru ini lebih luas dari pemikiran di zaman
fisika klasik. Dengan kelamahan-kelemahan fisika klasik, fisika modern
mampu mengembangkan dan menjawab berbagai permasalahan yang tidak
terjawab oleh pemikiran fisika klasik. Beberapa penemuan penting dalam
zaman ini diantaranya :
A. RELATIVITAS KHUSUS
Hasil
percobaan Michelson Morley tidak dapat dijelaskan melalui Fisika
Klasik. Maka Einstein mengemukakan dua postulat relativitas khusus:
v hukum
fisika dapat dinyatakan dalam persamaan yang berbentuk sama dalam semua
kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap satu terhadap
lainnya.
v kelajuan cahaya dalam ruang hampa sama besar untuk semua pengamat, tidak bergantung dari keadaan gerak pengamat itu.
B. EFEK COMPTON
Pada
efek fotolistrik, cahaya dapat dipandang sebagai kuantum energi dengan
energi yang diskrit. Kuantum energi tidak dapat digambarkan sebagai
gelombang tetapi lebih mendekati bentuk partikel. Partikel cahaya dalam
bentuk kuantum dikenal dengan sebutan foton. Pandangan cahaya sebagai
foton diperkuat lagi melalui gejala yang dikenal sebagai efek Compton.
Jika
seberkas sinar-X ditembakkan ke sebuah elektron bebas yang diam,
sinar-X akan mengalami perubahan panjang gelombang dimana panjang
gelombang sinar-X menjadi lebih besar. Gejala ini dikenal sebagai efek
Compton, sesuai dengan nama penemunya, yaitu Arthur Holly
Compton.Sinar-X digambarkan sebagai foton yang bertumbukan dengan
elektron (seperti halnya dua bola bilyar yang bertumbukan). Elektron
bebas yang diam menyerap sebagian energi foton sehingga bergerak ke arah
membentuk sudut terhadap arah foton mula-mula. Foton yang menumbuk
elektron pun terhambur dengan sudut θ terhadap arah semula dan panjang gelombangnya menjadi lebih besar. Perubahan panjang gelombang foton setelah terhambur. Dimana m adalah massa diam elektron, c adalah kecepatan cahaya, dan h adalah konstanta Planck.
