Perkembangan Teori dan Mekanika Kuantum

A. Fenomena yang Mendasari Munculnya Mekanika Kuantum

Dasar dimulaianya periode mekanika kuantum adalah ketika mekanika klasik tidak bisa menjelaskan gejala-gejala fisika yang bersifat mikroskofis dan bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya. Oleh karena itu, diperlukan cara pandang yang berbeda dengan sebelumnya dalam menjelaskan gejala fisika tersebut.

Sejarah fisika kuantum dimulai ketika Michael Faraday menemukan sinar katoda. Kemudian pada tahun 1859-1860, Gustav Kirchoff memberikan pernyataan tentang radiasi benda hitam. Pada tahun1887 Ludwig Boltzman menyatakan bahwa bentuk energi pada sistem fisika berbentuk diskrit.

Pada tahun 1900 fisikawan Jerman, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi itu terkuantisasi. Ide ini muncul berkenaan dengan situasi pada saat tersebut yaitu ketika para ilmuan tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi spectrum cahaya yang dipancarkan oleh suatu benda mampat pada temperatur tertentu yang dikenal dengan radiasi benda hitam. Teori kalsik pada saat itu tidak bisa menjelaskan kenapa cahaya selain cahaya tampak, cahaya-cahaya lain yang tidak tampak pun dipancarkan. Hal tersebut menunjukan bahwa untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ternyata benda tidak perlu terlalu panas, bahkan pada suhu kamar pun benda tetap bisa memancarkan gelombang elektromagnetik.

Sifat yang diamati dari radiasi benda hitam ini tidak bisa diterangkan oleh teori-teori fisika berkembang pada saat itu. Sampai akhirnya Planck menurunkan persamaan yang dapat menerangkan radiasi spectrum ini sebagai fungsi temperatur dari benda yang meradiasikannya dan memandang bahwa radiasi ini dipancarkan tidak dalam bentuk kontinu tapi dalam bentuk paket-paket energi yang disebut kuanta. Besarnya energi yang diradiasikan itu sebanding dengan frekuensi v. Setiap paket energi tersebut meradiasikan energi sebesar:

E = hv

Dengan h merupakan konstanta Planck. Plsnck jugs tidak menyangsikan teori klasik yang diterima pada waktu itu yaitu bahwa cahaya diradiasikan dalam bentuk gelombang bukan dalam bentuk partikel yang membuat teori tersebut tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi benda hitam ini. Proses

B. Perkembangan Mekanika Kuantum

Pada tahun 1905, Albert Einstein berhasil menjelaskan efek foto listrik dengan didasari oleh pendapat Planck lima tahun sebelumnya dengan mempostulatkan bahwa cahaya atau lebih khususnya radiasi elektromagenetik dapat dibagi dalam paket-paket tertentu yang disebut kuanta dan berada dalam ruang. Energi berhasil menjelaskan bahwa untuk membuat electron terpancar dari permukaan logam diperlukan cahaya yang menumbuk. Cahaya tersebut harus memiliki frekuensi melebih frekuensi ambang dari logam tersebut. Efek foto listrik ini tidak bergantung pada intensitas cahaya yang ditembakan seperti pandangan mekanika klasik tetapi hanya bergantung pada frekuensinya saja. Walaupun cahaya lemah ditembakan tetapi memiliki frekuensi yang melebihi frekuensi ambang ternyata ada electron yang dipancarkan.

Pernyataan Einstein bahwa cahaya teradiasikan dalam bentuk paket-paket energi yang kemudian disebut kuanta dinyatakan dalam jurnal kuantum yang berjudul "On a heuristic viewpoint concerning the emission and transformation of light" pada bulan Maret 1905. Pernyataan tersebut disebut-sebut sebagai pernyataan yang paling revolusioner yang ditulis oleh fisikawan pada abad ke-20.

Paket-paket energi yang pada masa itu disebut dengan kuanta kemudian disebut oleh foton, sebuah istilah yang dikemukakan oleh Gilbert & Lewis pada tahun 1926. Ide bahwa tiap foton harus terdiri dari energi dalam bentuk kuanta merupakan sebuah kemajuan. Hal tersebut dengan efektif merubah paradigma ilmuwan fisika pada saat itu yang sebelumnya menjelaskan teori gelombang. Ide tersebut telah mampu menjelaskan banyak gejala fisika pada waktu itu.

Teori kuantum yang menyatakan bahwa cahaya teradiasi dalam bentuk paket-paket energi secara terpisah dan diserap oleh electron secara individual berhasil menjelaskan efek foto listrik dengan baik yaitu pada intensitas cahaya yang lemah pun bisa terpancarkan electron dari logam asalkan frekuensi cahaya yang diberikan melebihi frekuensi ambang dari logam yang disinari. Hal ini tidak bisa dijelaskan oleh teori gelombang yang dianut para fisikawan pada saat itu. Namun, teori gelombang tentang cahaya ini juga dapat menjelaskan dengan baik bagaimana terjadinya difraksi dan interferensi cahaya yang menganggap bahwa cahaya teradiasikan dalam bentuk gelombang yang menjalar seperti riak air ketika sebuah benda jatuh ke dalam air.

Pada tahun 1913, Neils Bohr mencoba menjelaskan garis-garis spectrum dari atom hydrogen dengan menggunakan teori kuantisasi. Penjelasannya ini di terbitkan pada bulan Juli 1913 dalam papernya yang berjudul On the Constitution of Atoms and Molecules. Teori ini ia kemukakan untuk mendapat gambaran yang lebis jelas tentang bagaimana struktur atomic yang terdapat dalam benda. Ilmuwan sebelumnya yang berusaha menjelaskan tentang struktur atom adalah J.J. Thompson yang menyatakan bahwa atom seperti sebuah bola yang bermuatan postif serba sama yang mengandung electron dan tersebar merata di permukaannya.

Namun, ternyata teori Bohr ini tidak bisa menjelaskan mengapa garis spectral tertentu berintensitas lebih tinggi dari yang laiinya. Selain itu, teori ini tidak bisa menjelaskan hasil pengamatan bahwa banyak garis spectral sesungguhnya terdiri dari garis-garis terpisah yang panjang gelombangnya sedikit berbeda. Yang paling penting, teori Bohr ini tidak dapat menjelaskan bagaimana interaksi atom-atom penyusun ini bisa menyusun kumpulan makroskopis yang memiliki sifat fisika dan kimia seperti yang kita amati sekarang.

Walaupun teori Bohr tidak terbukti secara eksperimen, namun hal ini menjadi sebuah catatan yang merubah paradigma para ilmuwa saat itu tentang bagaimana menjelaskan gejala tomik dengan memakai pendekatan yang lebih umum. Hal ini kemudian dilakukan oleh ilmuwan-ilmuwan lainnya ditahun-tahun selanjutnya.

Dari diskusi Henri Poincare tentang teori Planck pada tahun 1912, tulisannya yang berjudul Sur la theorie des quanta menyatakan bahwa walaupun teori tentang kuantisasi energi ini berhasil dan cukup fenomenal, namun pada saat itu tidak ada pertimbangan yang tepat tentang kuantisasi. Oleh karena itu, kemudian teori tersebut disebut dengan teori kuantum lama.

Kemudian pada tahun 1931 kata fisika kuantum pertama kali diungkapkan oleh Johnston dalam bukunya yang berjudul Planck's Universe in Light of Modern Physics.

Pada tahun 1924, seorang fisikawan Perancis, Louis de Broglie menyatakan teorinya tentang gelombang materi dengan menyatakan bahwa partikel dapat menunjukan sifat gelombang dan sebalikanya. Teori ini berlaku utuk partikel tunggal. Teori tersebut diambil dari teori relativitas khusus.

Kemudian berdasarkan pemikiran de Broglie mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925 yaitu ketika fisikawan Jerman, Werner Heisenberg dan Max Born mengembangkan mekanika matriks. Selain itu, Erwin Schrodinger seorang fisikawan Austria menemukan mekanika gelombang dan persamaan non-relativistik Schrodinger sebagai pendekatan terhadap kasus umum dari teori de Broglie. Schrodinger menunjukan bahwa kedua temuannya eqivalen.

Pada tahun 1926 Einstein pernah bertanya kepada W. Heisenberg di Berlin "Filosofi apa yang mendasari anda mengenai teori aneh anda? Teori tersebut terlihat menarik, tetapi apa yang dimaksud dengan kuantitas yang dapat diamati saja?" W. Heisenberg menjawab bahwa ia tidak percaya kepada keberadaan jejak-jejak dalam kamar kabut. Kemudian Einstein menimpali: "tetapi anda harus menyadari bahwa hal tersebut sangatlah salah". W. Heisenberg menjawab lagi "tetapi kenapa kalau sementara hal ini tidak benar sedangkan anda menggunakannya". Einstein mengatakan bahwa "I may have used it, but still it is nonsense"!

Dari penegasan Einstein tentang kuantitas teramati, Heisnberg menyimpulkan:

Observation means that we construct some connections between a phenomenon and our realization of the phenomenon. There is something happening in the atom, the light is emitted, the light hits the photographic plate, we see the photographic plate and so on and so on. In this whole course of events between the atom and your eye and your consciousness you must assume that everything work as in the old physics. If you would change the theory concerning the sequence of events then of course the observation would be altered.

Bagi Heisenberg, penegasan Einstein tersebut sangat bermanfaat dalam penelitian selanjutnya bersama dengan Neils Bohr. Penegasan tersebut sekaligus mengingatkan bahwa akan sangat membahayakan apbila hanya meneliti tentang kuantitas yang teramati saja, padahal disamping semua kuantitas yang dapat diamati secara langsung masih banyak hal yang dimungkinkan untuk dapat diamati secara tidak langsung. Akhirnya Heisenberg mengakuinya dengan mengemukakan "this was that one should not strick too much to one special group of experiments; one should rather try to keep in touch with all the developments in all the relevant experiments so that one should always have the whole picture in mind before one tries to fix a theory in mathematical or other languages".

Heisenberg merumuskan prisip ketidaktentuannya pada tahun 1927. Interpretasi Copenhagen juga mulai melakukan hal yang sama pada saat itu. Kemudian dimulai pada sekitar tahun 1927 Dirac memproses penyatuan mekanika kuantum dengan relativitas khusus dengan mengajukan persamaan dirac untuk elektron. Persamaan dirac mampu menjelaskan gambaran relativistic dari fungsi gelombang dari sebuah electron yang gagal dijelaskan oleh Schrodonger.

Persamaan dirac memprediksikan spin electron dan menuntun Dirac untuk meramalkan keberadaan positron. Dia juga merintis penggunaan tools matematika dalam menjelaskan teori, termasuk notasi bra-ket. Hal ini digambarkan dalam bukunya yang terkenal pada tahun 1930.

Pada periode yang sama, seorang polimat John Von Neumann merumuskan dasar matematika yang tepat untuk mekanika kuantum yaitu teori operator linear. Hal tersebut digambarkan dalam bukunya pada tahun 1932.

Bidang ilmu kimia kuantum dirintis oleh fisikawan Walter Heitler dan Fritz London yang mempublikasikan suatu studi tentang ikatan kovalen dan molekul hydrogen pada tahun 1927. Kimia kuantum dibangaun oleh banyak orang termasuk kimiawan teori Amerika, Pauling dan John C Slater ke dalam banyak teori misalnya teori molekuler orbit dan teori valensi.

Pada tahun 1927 mulai dilakukan penerapan mekanika kuantum untuk sebuah bidang yang lebih dari partikel tunggal, yang menghasilkan teori medan kuantum. Orang-orang yang pertama kali menekuni bidang ini diantaranya adalah P.A.M. Dirac, W. Pauli, V. Weisskopf, dan P. Jordan. Penelitian ini mencapai puncaknya ketika perumusan elektrodinamika kuantum oleh R.P. Feynmen, F. Dyson, J. Schwinger, dan S.I Tomonaga sepanjang tahun 1940. Kuantum elektrodinamika merupakan teori kuantum tentang electron, positron, dan medan electromagnet.

Teori kuantum chromoynamics pertama kali dirumuskan pada awal tahun 1960. Teori tersebut dirumuskan oleh Politzer, Gross dan Wilczek pada tahun 1975. Kemudian berdasarkan pada hasil dari pekerjaan yang dipelopori oleh Schwinger, Higgs dan Goldstone, fisikawan Glashow, Weinberg dan Salam menunjukan bagaimana gaya nuklir lemah dan kuantum elektrodinamika dapat disatukan ke dalam gaya listrik lemah. Dari hal tersebut pada tahun 1979 mereka menerima hadiah nobel dalam bidang fisika.

C. Eksperimen-eksperimen yang Mendasari Perkembangan Mekanika Kuantum

Berikut ini adalah eksperimen – eksperimen yang mendasari perkembangan mekanika kuantum:

1.Thomas Young dengan eksperimen celah ganda mendemonstrasikan sifat gelombang cahaya pada tahun 1805,

2.Henri Becquerel menemukan radioaktivitas pada tahun 1896,

3.J.J. Thompson dengan eksperimen sinar katoda menemuka electron pada tahun 1897,

4.Studi radiasi benda hitam antara 1850 sampai 1900 yang dijelaskan tanpa menggunakan konsep mekanika kuantum,

5.Einstein menjelaskan efek foto listrik pada tahun 1905 dengan menggunakan konsep foton dan partikel cahaya dengan energi terkuantisasi,

6.Robert Milikan menunjukan bahwa arus listrik bersifat seperti kuanta dengan menggunakan eksperimen tetes minyak pada tahun 1909,

7.Ernest Rutherford mengungkapkan model atom pudding yaitu massa dan muatan postif dari atom terdistribusi merata dengan percobaan lempengan emas pada tahun 1911,

8.Otti Stern dan Walther Gerlach mendemonstrasikan sifat terkuantisasinya spin partikel yang dikenal dengan eksperimen Stern-Gerlach pada tahun 1920,

9.Clinton Davisson dan Lester Germer mendemondtrasikan sifat gelombang dari electron melalui percobaan difraksi electron pada tahun 1927,

10.Clyde L. Cowan dan Frederick Reines menjelaskan keberadaan neutrino pada tahun 1955,

11.Clauss Jonsson dengan eksperimen celah ganda menggunakan electron pada tahun 1961,

12.Efek Hall kuantum yang ditemukan oleh Klaus von Klitzing pada tahun 1980, dan

13.Eksperimental verivication dan quantum entanglement oleh Alain Aspect pada tahun 1982.