SEJARAH FISIKA - ETER DAN MATERI BERMASSA

ETER DAN MATERI BERMASSA

Cahaya termaksud unsur fisik yang penting, tetapi belum pernah diamati secara langsung oleh mata manusia. Manusia baru bisa melihat gejala-gejalanya. Sebelum abad ke19 banyak ilmuwan yang berusaha memahami cahaya itu sendiri.

Christian Huygens dalam bukunya “Traite De La Lumiere” atau sering dikenal sebagai telaah cahaya yang terbit pada tahun 1690 membayangkan cahaya seperti gelombang. Inilah pernyataan cahaya yang pertama.

Lalu pada tahun 1801, Thomas Young menemukan peristiwa interferensi pada cahaya. Peristiwa ini pertanda bahwa teori gelombang diperlukan untuk menjelaskan hakikat cahaya. Usulan Young diperkuat oleh James Clark Maxwell yang menyatakan bahwa cahaya merupakan bagian dari gelombang magnetik. Saat itu, Maxwell masih yakin bahwa gelombang elektromagnetik membutuhkan medium khusus untuk dapat merambat dan ia menamakan medium tersebut sebagai eter bercahaya.

Akan tetapi keyakinan Maxwell bahwa gelombang elektromagnetik memerlukan medium eter dalam perambatannya dipatahkan oleh fisikawan Michaelson dan Morley melalui sebuah percobaan pada tahun 1887. Hasil Michaelson-Morley menegaskan bahwa eter sesungguhnya tidak ada. Sehingga cahaya (sebagai salah satu gelombang elektromagnetik) tidak memerlukan medium untuk merambat.

Permasalahan yang dimunculkan oleh percobaan Michaelson-Morley ini ternyata baru berhasil terpecahkan dengan teori relativitas khusus yang menjadi landasan bagi konsep-konsep baru tentang ruang dan waktu. Teori ini didasarkan pada dua postulat yang diajukan oleh Einstein.

1.      Pengertian Eter

Pada tahun 1690 seorang ilmuwan yang bernama Christian Huygens mengemukakan sebuah teori yang berbunyi bahwa cahaya merupakan sebuah gelombang yang merambat dan mengenalkan sebuah zat hipotetik yang disebut eter. Eter merupakan suatu zat yang sangat halus dan dipercaya memenuhi seluruh alam semesta dan diam secara mutlak. Eter juga dapat dikatakan sebagai medium perambatan gelombang cahaya.

Eter juga merupakan zat yang transparan, yang memiliki struktur halus, frekuensi tinggi yang tidak membiasakan atau mencerminkan cahaya tampak karena ukurannya yang terlalu kecil untuk bereaksi terhadap radiasi yang memiliki frekuensi rendah. Hal ini sesuai dengan teori momentum elektromagnetik yang dikemukakan oleh J.J Thomson dan kemudian dikonfirmasi dengan tes yang dilakukan oleh Nikola Teslah pada tahun 1891. Setelah tes itu tesla menyatakan bahwa eter itu merupakan zat padat untuk cahaya dan panas (cahaya tampak dan inframerah).

Dalam pengertian lain eter dianggap sebagai zat padat, karena cahaya merupakan gelombang transversal dan gelombang mekanik tidak dapat merambat melalui suatu fluida. Dan dalam pengetahuan yang lain eter adalah zat yang bersifat netral dan sangat halus karena tidak ada hambatan terhadap gerak planet-planet dan objek lain diluar bumi. Ini adalah sifat yang kontra, yang mengikuti logika tentang pengetahuann sifat-sifat cahaya.

2.      Teori Relativitas

Pada hakikatnya gerakan itu  relatif dan hukum Newton hanya berlaku dalam sistem koordinat yang dinyatakan mutlak diam. Untuk itu dianggap ada  medium eter yang dipandang mutlak diam terhadap semua benda atau materi bergerak. sebenarnya hukum Newton juga berlaku bagi gerakan didalam sistem koordinat. Inersial, yang bergerak dengan kecepatan tetap. dikatakan bahwa hukum Newton itu invariant artinya tak berbeda bentuknya, di sembarang sistem koordinat inersial. yang bergerak satu sama lain dengan kecepatan tetap.

1. Teori Relativitas Newton

      Untuk membahas tentang relativitas, misalnya Anda diatas truk yang sedang bergerak dengan kelajuan 50 km/jam terhadap orang yang diam dipinggir jalan. seseorang tersebut kemudian berjalan ditruk dengan 5 km/jam searah dengan gerak kereta. orang yang diam didalam truk mengatakan bahwa kelajuan Anda adalah  5 km/jam, tetapi orang yang diam dipinggir jalan mengatakan bahwa kelajuan Anda 55km/jam. Kedua-duanya benar sebab keduanya memandang gerak Anda sesuai dengan kerangka acuannya, dengan kata lain gerak itu relatif. 

            Pada pembahasan relativitas ini akan ditinjau konsep kejadian, pengamat dan kerangka acuan. Kejadian adalah suatu peristiwa fisika yang terjadi dalamsuatu ruang pada suatu waktu sesaat yang tertentu. contoh kejadian adalah kilat di langit, tumbukkan antara dua mobil dan sebagaiya. seseorang yang mengamati suatu kejadian dan melakukan pengukuran. misalnya pengukuran koordinat dan waktu disebut pengamat. Untuk menentukan letak sebuah titik dalam ruang kita memerlukan suatu sistem koordinat atau kerangka acuan. Misalnya untuk menyatakan buah sebelum jatuh dari pohonny, seorang pengamat memerlukan suatu kerangka acuan dengan koordinat (x,y,z). Jadi, kerangka acuan adalah suatu sistem koordinat.

Teori relativitas berhubungan dengan kejadian yang diamati dari kerangka acuan inersial (kerangka acuan dimana hukum I Newton berlaku). Relativitas klasik (yang diperkenalkan pertama kali oleh Galileo Galilei dan didefinisikan ulang oleh Sir Isaac Newton) mengemukakan mengenai apa yang sekarang kita sebut prinsip relativitas Newton bahwa hukum-nukum mekanika berlaku sama pada semua kerangka acuan inersial.

Hukum gravitasi yang sama dan hukum-hukum gerak yang sama berlaku pada kedua kerangka acuan inersial. Perbedaan antara gambar a dan b adalah pada kerangka acuan tanah, koin memiliki kecepatan awal horizontal (sama dengan kecepatan mobil). Hukum-hukum mekanika acuan mobil, koin tidak memiliki kecepatan awal horizontal, hukum – hukum mekanika memperkirakan bahwa koin akan jatuh bebas menempuh lintasan lurus vertikal. Jadi, hukum mekanika berlaku sama pada kedua kerangka acuan inersial tersebut walaupun lintasan yang ditempuhnya berbeda.

(a)    Dalam kerangka acuan mobil, (b) Dalam kerangka acuan tanah

2. Teori Relativitas Khusus

Sekitar abad ke 19, Maxwell menyatakan persamaannya yang cukup mengejutkan dunia Fisika. Salah satunya menyatakan adanya gelombang elektromagnetik. Namun, saat itu belum dapat dibuktikan. karena itu, Heinrich Hertz mencoba untuk membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik itu.

Secara teori, Hertz menyadari bahwa gelombang elektromagnetik yang dinyatakan Maxwell merupakan gabungan dari gelombang listrik dan gelombang magnetik secara saling tegak lurus. Begitu pula dengan arah geraknya. Karena gelombang magnetic secara saling tegak lurus. Begitu pula dengan arah geraknya. Karena gelombang tersebut mengandung gelombang listrik, maka Hertz mencoba membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik tersebut melalui keberadaan gelombang listriknya yang diradiasikan oleh rangkaian pemancar.

Hertz mencoba membuat rangkaian pemancar sederhana dengan bantuan trafo untuk memperkuat tegangan dan kapasitor sebagai penampung muatannya. Karena ada arus  pergeseran pada gap pemancar, diharapkan ada radiasi gelombang elektromagnetik yang akan dipancarkan. Karena secara teori, dari percikan yang muncul akan dihasilkan gelombang elektromagnetik. sehingga pada rangkaian loop penerima yang hanya berupa kawat berbentuk lingkaran yang tanpa diberikan sumber tegangan apapun, tenyata muncul percikan listrik pada gap-nya. Ini membuktikan ada listrik yang mengalir melalui radiasi suatu benda yang akhirnya terhantarkan ke loop.

Karena belum puas, Hertz mencoba untuk menghitung frekuensi pada loop. Ternyata frekuensi yang dihasilkan  sama degan frekuensi pemancar. Ini artinya listrik pada loop berasal dari pemancar itu sendiri. Dengan ini terbuktilah adanya radiasi gelombang elektromagnetik Maxwell. percobaan Hertz ini juga memicu penemuan telegram tanpa kabel dan radio oleh Marconi.

Pada tahun 1886, Hertz berhasil membuktikan konsep yang amat paradox saat itu, yaitu persamaan Maxwell mengenai gelombang elektromagnetik. Meski begitu, nantinya Einstein kan menggunakan hasil ini untuk membantah beberapa kosep pada fisika klasik mengenai gelombang elektromagnetik.

Setelah itu Hertz melanjutkan penelitiannya, hingga akhir pada 1887 Hertz melakukan percobaan lanjutan dari hasil pembuktiannya terhadap gelombang elektromagnetik. Hingga ia akhirnya mendapatkan fakta yang cukup menarik tanpa sengaja, yaitu bahwa muatan listrik akan berkurang jika ada sinar ultraviolet yang jatuh diantara kedua elektrodanya. Itulah alas annya kenapa Hertz memakai tanung quartz untuk melakukan pembuktian Maxwell. Saat itu, Hertz tidak memperhatikan dengan betul  apa yang terjadi yang disana. Sehingga tidak ada hasil penelitian yang lengkap dan jelas mengenai efek tersebut.

3.      Percobaan Michelson-Morley

          Pada tahun 1690 serang ilmuan bernama Christian Huygens mengemukakan sebuah teori yang mengatakan bahwa cahaya merupakan sebuah gelombang yang merambat dan mengenalkan zat hipotetik yang disebut eter. Suatu zat yang sangat halus dan dipercaya memenuhi seluruh alam semesta dan diam secara mutlak, eter ini juga dikatakan sebagai medium perambatan gelombang cahaya. Keberadaan eter ini dipercaya hingga tahun 1887, ilmuan bernama Albert Michelson dan Edward Morley melakukan percobaan yang berusaha mengukur kecepatan bumi terhadap eter. Percobaan ini dianggap sebagai petunjuk pertama terkuat untuk menyangkal keberadaan eter sebagai medium gelombang cahaya.

            Dalam percobaan ini Michelson dan Morley merakit sebuah alat yang disebut Interferometer yang dapat mendeteksi adanya interferensi gelombang cahaya.

            Skema percobaan Michelson dan Morley adalah sebagai berikut:

Sebuah pulsa cahaya diarahkan pada sudut 45⁰ di cermin setengah perak, cermin setengah transparan (beamsplitter), dan dapat dilihat bahwa setengah dari pulsa gelombang cahaya yang ditembakkan direfleksikan ke cermin yang berada di samping beamsplitter dan setengah lagi diteruskan ke cermin yang berada di depan beamsplitter. Kemudian pulsa gelombang cahaya tersebut di pantulkan kembali kearah cermin semi transparan setelah mencapai cermin. Disaat yang bersama seseorang mengamati pulsa gelombang cahaya tersebut dengan menggunakan teleskop. Dan diketahui bahwa antara gelombang cahaya yang satu dan yang lainnya sampai secara bersamaan, seharusnya kedua gelombang tersebut sampai pada waktu yang berbeda karena adanya pengaruh eter.

            Hasil percobaan Michelson dan Morley menunjukkan tidak ada perbedaan waktu bagi cahaya yang menempuh lintasan tegak lurus dengan yang lintasan menurut gerak bumi. Ini menunjukkan bahwa kecepatan bumi terhadap eter adalah nol. Jadi bumo sama sekali tidak bergerak terhadap eter yang diam secara mutlak. Para pakar terperanjat, kecewa, bahkan ada yang demikian paniknya, sehingga ingin memutar kembali jarum jam ketiga abad silam, kembali ke faham geosentris, bumi sebagai pusat alam. Ilmu fisika menjelang akhir abad ke-19 menemui jalan buntu.

Analisis tehadap hasil percobaan menunjukkan kegagalan dalam pengamatan pergerakan bumi terhadap eter. Percobaan ini juga telah disebut sebagai titik tolak untuk aspek teoritis revolusi ilmiah kedua. Michelson dianugerahi hadiah nobel Fisika tahun 1907 terutama utuk melaksanakan percobaan ini.

4.      Postulat Einstein

          Permasalahan yang dimunculkan percobaan Michelson-Morley ini ternyata baru berhasil terpecahkan dengan teori relativitas khusus yang menjadi landasan bagi konsep-konsep baru tentang ruang dan waktu.

Teori ini didasarkan pada dua postulat yang diajukan oleh Einstein yaitu:

o   Postulat 1

Hukum-hukum fisika memiliki bentuk yang sama pada semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap (kerangka acuan inersial)

            Postulat pertama menegaskan bahwa tidak ada satupun percobaan yang dapat digunakan untuk mengukur kecepatan terhadap ruang mutlak. Yang dapat kita hanyalah kecepatan relatif dua sistem inersial.

o   Postulat 2

Cahaya. merambat melalui ruang hampa dengan cepat rambat dan kelajuan cahaya tak bergantung pada kelajuan sumber cahaya maupun kelajuan pengamatnya

            Postulat kedua ini tidak lain merupakan konsekuensi dari percobaan Michelson-Morley bahwa laju cahaya dalam arah silang maupun searah sumber adalah sama. Dan postulat kedua ini menegaskan pula bahwa laju cahaya pun akan tetap sama bagi pengamat-pengamat yang sedang berada dalam keadaan gerak relatif, selama pengamat tersebut merupakan sistem inersial.             

5.      Materi Bermassa

Materi dapat diartikan sebagai zat berbobot, menempati ruang, bermassa, dapat dilihat dan diraba. Materi sering disebut dengan partikel. Contohnya benda-benda yang ada disekitar kita. Materi sendiri dibagi menjadi dua yaitu:

a.       Materi Bermassa

Materi bermassa adalah materi yang memiliki wujud, bermuatan, dapat dilihat dan diraba.

Contohnya adalah proton, electron, meson, dan barion.

b.      Materi tak bermassa

Materi tak bermassa adlah materi yang tidak bewujud, tidak bermuatan, dan tidak dapat dilihat maupun diraba.

Contohnya adalah gelombang suara

            Pada pertengahan tahun 1930-an, pengetahuan tentang materi tampaknya hampir selesai yaitu bahwa materi tersusun atas proton, netron (yang keduanya membentuk inti atom) dan electron. Namun muncul pertanyaan baru apa yang menjaga proton-proton dan netron-netron dalam membentuk inti? Dengan menggunakan alat akselerator yakni suatu alat yang digunakan untuk meneliti struktur materi yang sangat kecil dengan kecepatan tinggi. Ternyata banyak sekali partikel-partikel yang mirip dengan proton dan netron yang dinamakan barion. Selain itu ditemukan juga suatu partikel baru yang dinamakan meson. Pada awal 1960-an seratus lebih partikel berhasil diidentifikasi, tetapi fisikawan belum berhasil memahaminya.