FISIKA

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).

• Periode Kedua

Dimulai 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.

• Periode Ketiga

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.

• Periode Keempat

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.