Mekanika Kuantum

A.    Sejarah Awal

Setiap memasuki pemahaman dunia atom, ilmuan mengalami kesulitan yang luar biasa. Teori-teori mapan tidak berdaya, bahasa yang digunakan mengalami kebuntuan, bahkan imajinasi terhadap dunia atom dipengaruhi pandangan emosional. Pengalaman ini

dilukiskan Heisenberg: “Saya ingat pembicaraan saya dengan Bohr yang berlangsung

selama berjam-jam hingga larut malam dan mengakhirinya dengan putus asa; dan ketika  perbincangan itu berakhir saya berjalan-jalan sendirian di taman terdekat dan mengulangi  pertanyaan pada diri saya sendiri berkali-kali: Mungkinkah alam itu

absurd, sebagaimana yang tampak pada kita dalam eksperimen-

eksperimen atom ini?” (Fritjof Capra,

2000:86). Situasi psikologis Heisenberg, pada akhirnya merupakan salah satu kata kunci dalam  perkembangan revolusioner dunia atom. Benda/materi yang diamati tidak terlepas dari  pengalaman pengamat, benda/materi bukan lagi sebagai objek penderita yang dapat diotak-atik sesuai keinginan pengamat. Lebih jauhnya, benda/materi sendiri yang  berbicara dan mempunyai keinginan sesuai fungsi dan kedudukannya dalam suatu fenomena. Absurditas subatom terlihat ketika dipandang sebagai benda/materi tidak

memadai lagi, subatom bukan „benda‟. Tetapi, merupakan kesalinghubungan dalam

membentuk jaringan dinamis yang terpola. Sub-subatom merupakan jaring-jaring  pembentuk dasar materi yang merubah pandangan manusia selama ini yang memandang sub atom sebagai blok-blok bangunan dasar pembentuk materi. Meminjam istilah Kuhn, mekanika kuantum merupakan paradigma sains revolusioner  pada awal abad 20. Lahirnya mekanika kuantum, tidak terlepas dari perkembangan- perkembangan teori, terutama teori atom. Mekanika kuantum, bukan untuk menghapus teori dan hukum sebelumnya. Mekanika kuantum tidak lebih untuk merevisi dan menambal pandangan manusia terhadap dunia, terutama dunia mikrokosmik. Bisa jadi, sebenarnya hukum-hukum yang berlaku bagi dunia [

 sunnatullah

] telah tersedia dan  berlaku bagi setiap fenomena alam, tetapi pengalaman manusialah yang terbatas. Oleh sebab itu, sampai di sini kita harus sadar dan meyakini bahwa sifat sains itu sangat tentatif. Mengapa teori kuantum merupakan babak baru cara memandang alam? Vladimir Horowitz pernah mengatakan bahwa

mozart terlalu mudah untuk pemula, tetapi terlalu  sulit untuk para ahli. Hal yang sama juga berlaku untuk teori kuantum. Secara sederhana teori kuantum menyatakan bahwa

 partikel pada tingkat sub atomik tidak tunduk pada hukum fisika klasik. Entitas seperti elektron dapat berwujud [exist] sebagai dua benda berbeda secara simultan materi atau energi, tergantung pada cara pengukurannya

 (Paul Strathern, 2002:viii). Kerangka mendasar melakukan penalaran dalam sains adalah  berpikir dengan metoda induksi. Apabila melakukan penalaran dengan metoda ini, maka  pengamatan terhadap wajah alam fisik dilakukan melalui premis-premis yang khusus tentang materi-materi kecil [mikro] bahan alam fisik yang kasat mata. Hukum-hukum sains klasik yang telah terpancang lama, ternyata terlihat kelemahannya ketika  berhadapan dengan fenomena mikrokosmik. Gary Zukaf (2003:22) memberikan pengertian secara etimologis dari mekanika kuantum.

„Kuantum‟ merupakan ukuran kuantitas sesuatu, besarnya tertentu. „Mekanika‟ adalah

kajian atau ilmu tentang gerak. Jadi, mekanika kuantum adalah kajian atau ilmu tentang gerak kuantum. Teori kuantum mengatakan bahwa alam semesta terdiri atas bagian- bagian yang sangat kecil yang disebut kuanta [ quanta , bentuk jamak dari quantum], dan mekanika kuantum adalah kajian atau ilmu yang mempelajari fenomena ini.

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.

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,

 

D.    Tokoh-Tokoh Mekanika Kuantum

a.Max Planck

Dilahirkan tahun 1858 di kota Kiel, Jerman, dia belajar di Universitas Berlin dan Munich,  peroleh gelar Doktor dalam ilmu fisika dengan summa cum laude dari Universitas Munich selagi berumur baru dua puluh satu tahun. Sebentar dia mengajar di Universitas Munich, kemudian di Universitas Kiel. Di tahun 1889 dia jadi mahaguru Univeristas Berlin sampai  pensiunnya tiba tatkala usianya mencapai tujuh puluh. Itu tahun 1928.

b. Albert Einstein (14 Maret 1879 - 18 April 1955)

Albert Einstein adalah seorang ilmuwan fisika teoretis yang dipandang luas sebagai ilmuwan terbesar dalam abad ke-20. Dia mengemukakan teori relativitas dan juga banyak menyumbang bagi pengembangan mekanika kuantum, mekanika statistik, dan kosmologi. Dia dianugerahi Penghargaan Nobel dalam Fisika pada tahun 1921 untuk penjelasannya tentang efek fotoelektrik dan "pengabdiannya bagi Fisika Teoretis". Setelah teori relativitas umum dirumuskan, Einstein menjadi terkenal ke seluruh dunia,  pencapaian yang tidak biasa bagi seorang ilmuwan. Di masa tuanya, keterkenalannya melampaui ketenaran semua ilmuwan dalam sejarah, dan dalam budaya populer, kata Einstein dianggap bersinonim dengan kecerdasan atau bahkan jenius. Wajahnya merupakan salah satu yang paling dikenal di seluruh dunia. Pada tahun 1999, Einstein dinamakan "Orang Abad Ini" oleh majalah Time. Kepopulerannya juga membuat nama "Einstein" digunakan secara luas dalam iklan dan  barang dagangan lain, dan akhirnya "Albert Einstein" didaftarkan sebagai merk dagang. Untuk menghargainya, sebuah satuan dalam fotokimia dinamai einstein, sebuah unsur kimia dinamai einsteinium, dan sebuah asteroid dinamai 2001 Einstein. Einstein dilahirkan di Ulm di Württemberg, Jerman; sekitar 100 km sebelah timur Stuttgart. Bapaknya bernama Hermann Einstein, seorang penjual ranjang bulu yang kemudian menjalani pekerjaan elektrokimia, dan ibunya bernama Pauline. Mereka menikah di Stuttgart-Bad Cannstatt. Keluarga mereka keturunan Yahudi; Albert disekolahkan di sekolah Katholik dan atas keinginan ibunya dia diberi pelajaran biola. Pada umur lima, ayahnya menunjukkan kompas kantung, dan Einstein menyadari bahwa sesuatu di ruang yang "kosong" ini beraksi terhadap jarum di kompas tersebut; dia kemudian menjelaskan pengalamannya ini sebagai salah satu saat yang paling menggugah dalam hidupnya. Meskipun dia membuat model dan alat mekanik sebagai hobi, dia dianggap sebagai pelajar yang lambat, kemungkinan disebabkan oleh dyslexia, sifat  pemalu, atau karena struktur yang jarang dan tidak biasa pada otaknya (diteliti setelah kematiannya).

Niels Bohr

Teori struktur atom mempunyai seorang bapak. Dia itu Niels Henrik David Bohr yang lahir tahun 1885 di Kopenhagen. Di tahun 1911 dia raih gelar doktor fisika dari Universitas Copenhagen. Tak lama sesudah itu dia pergi ke Cambridge, Inggris. Di situ dia belajar di bawah asuhan J.J. Thompson, ilmuwan kenamaan yang menemukan elektron. Hanya dalam beberapa bulan sesudah itu Bohr pindah lagi ke Manchester,  belajar pada Ernest Rutherford yang beberapa tahun sebelumnya menemukan nucleus (bagian inti) atom. Adalah Rutherford ini yang menegaskan (berbeda dengan pendapat- pendapat sebelumnya) bahwa atom umumnya kosong, dengan bagian pokok yang berat  pada tengahnya dan elektron di bagian luarnya. Tak lama sesudah itu Bohr segera mengembangkan teorinya sendiri yang baru serta radikal tentang struktur atom. Kertas kerja Bohr yang bagaikan membuai sejarah "On the Constitution of Atoms and Molecules," diterbitkan dalam Philosophical Magazine tahun 1933.