Sedikit Cerita Tentang Cahaya Lagi!

Sifat dualitas gelombang-partikel

Prinsip dualitas gelombang-partikel dalam fisika kuantum mengemukakan bahwa materi
dan cahaya menunjukkan sifat sebagai gelombang dan partikel, tergantung kepada lingkungan eksperimennya. Topik mengenai sifat dualitas ini tergolong kompleks, namun merupakan salah satu masalah yang paing banyak dibicarakan dalam fisika.

Sifat dualitas gelombang-partikel pada cahaya

Pada tahun 1600an, Christiaan Huygens dan Isaac Newton mengusulkan teori teori tentang cahaya yang berbeda dan saling bersaing diantara keduanya. Huygens mengemukakan teori gelombang untuk cahaya, sementara Newton's mengemukakan teori
partikel (corpuscular). Teori Huygens memiliki beberapa permasalahan ketika akan dicocokkan dengan hasil yang diamati. Sedangkan ketenaran Newton saat itu lebih mendukung teorinya, sehingga untuk lebih dari satu abad teori yang dikemukakan oleh Newton lebih dominan dibandingkan dengan yang dikemukakan oleh Huygens.

Pada awal abad ke-19, muncul kerumitan pada teori korpuskular untuk cvahaya. Ketika mengamati difraksi, oleh suatu sebab, ada kesulitan dalam penjelasannya. Eksperimen celah ganda Thomas Young lebih menunjukkan dengan jelas sifat gelombang dari cahaya dan kemudian lebih menduung teori gelombang daripada teori partikel dari Newton. Suatu gelombang umumnya akan merambat melalui suatu medium. Dan medium yang dikemukakan oleh Huygens untuk perambatan gelombang cahaya disebut sebagai luminiferous aether yang lebih dikenal dengan terminologi ether. Dan ketika James Clerk Maxwell menguji satu set persamaan yang dikenal sebagai hukum Maxwell atau persamaan Maxwell untuk menjelaskan tentang radiasi elektromagnetik (termasuk cahaya tampak) sebagai suatu penjalaran dari gelombang, ia juga memperkirakan adanya semacam ether sebagai medium penjalaran. Dan perkiraannya tersebut sesuai dengan hasil eksperimennya.

Masalah yang berkaitan dengan teori gelombang adalah bahwa pada kenyataannya medium semacam ether itu tidak pernah dapat dibuktikan keberadaannya. Bukan hanya itu, namun ketika James Bradley pada tahun1720 melakukan pengamatan astronomik terhadap aberasi stelar (perbintangan) mengindikasikan bahwa ether harus berada dalam keadaan stasioner relatif terhadap pergerakan bumi. Dan selama tahun 1800an berbagai upaya dilakukan untuk mendeteksi keberadaan ether atau pergerakannya secara langsung, yang mencapai puncaknya pada eksperimen Michelson-Morley. Mereka pada akhirnya gagal untuk mendeteksi ether, yang kemudian berlanjut dengan pedebatan yang hebat pada saat abad ke-20 dimulai, yaitu menentukan apakah cahaya itu suatu gelombang atau suatu partikel.

Hingga pada 1905, Albert Einstein mempublikasikan tulisannya yang menerangkan tentang efek fotolistrik, yang mengemukakan bahwa cahaya bergerak sebagai bundelan energi yang diskret. Energi yang terkandung dalam suatu foton itu berkaitan dengan frekuensi (gelombang) cahaya. Teori ini dikenal sebagai teori foton tentang cahaya(walupun istilah foton tidak digunakan hingga beberapa tahun kemudian).

Dengan munculnya terminasi foton ini, ether kemudian dianggap tidak penting lagi untuk dikaitkan dengan terjadinya penjalaran gelombang, meskipun masih meninggalkan pertentangan mengapa sifat gelombang cahaya itu diamati. Yang lebih khas lagi adalah variasi kuantum yang ditunjukkan oleh eksperimen celah ganda serta efek Compton yang kelihatannya lebih mengakui interpretasi cahaya sebagai partikel. Ketika berbagai eksperimen itu dilakukan dan bukti bukti penemuannya diakumulasi, implikasi tentang cahaya dengan cepat makin jelas dan menggegerkan. Ternyata cahaya berfungsi sebagai keduanya, yaitu partikel dan gelombang, tergantung bagaimana percobaannya dilakukan dan bila pengamatannya dilakukan.

Dualitas gelombang-partikel pada materi.

Pertanyaan tentang apakah sifat dualitas itu juga diperlihatkan pada materi dijawab dengan tegas melalui hipotesis de Broglie, yang mengembangkan upaya Einstein untuk mencari hubungan antara panjang gelombang dari materi yang diamati terhadap momentumnya. Eksperimen eksperimen yang dilakukan berhasil mengkonfirmasi hipotesisnya pada tahun 1927, yang pada tahun 1929 menghasilkan hadiah Nobel bagi de Broglie.

Seperti halnya cahaya, kelihatannya materi juga menunjukkan sifat sifat gelombang dan partikel bila berada dalam lingkungan yang tepat. Memang jelas bila materi atau objek yang pejal hanya menampilkan panjang gelombang yang sangat pendek, bahkan pada kenyataannya sedemikian kecilnya, hingga tidak ada alasan untuk memandang benda benda pejal dari sisi panjang gelombangnya. Tetapi bagi benda benda yang kecil, panjang gelombangnya dapat diamati dan mempunyai nilai tertentu, sebagaimana dibuktikan oleh eksperimen celah ganda yang menggunakan elektron sebagai sumbernya.

Arti dari dualitas gelombang-partikel.

Manfaat utama dari sifat dualitas gelombang-partikel adalah bahwa semua kelakuan cahaya maupun materi dapat dijelaskan dengan menggunakan suatu persamaan diferensial yang merepresentasikan suatu fungsi gelombang, umumnya dalam bentuk persamaan Schr.dinger. Kemampuan untuk menjelaskan suatu kenyataan dalam bentuk gelombang inilah yang merupakan inti dari pengetahuan mekanika kuantum. Interpretasi yang paling umum dikemukakan adalah bahwa fungsi gelombang dapat menggambarkan kemungkinan atau probabilitas untuk menentukan keberadaan suatu partikel tertentu pada suatu titik tertentu. Persamaan probabilitas ini dapat berdifraksi, berinterferensi, dan menampilkan sifat sifat yang menyerupai gelombang lainnya, yang menghasilkan fungsi probabilistik akhir yang dapat menampilkan sifat sifat ini dengan jelas. Bahwa partikel partikel akhirnya akan terdistribusi menurut hukum probabilitas, dan oleh karenanya dapat menunjukkan sifat gelombang. Dengan kata lain, probabilitas suatu partikel untuk berada di sebarang tempat adalah gelombang, tetapi penampilan fisik nyata dari partikel ini bukan gelombang. Sementara itu bila menggunakan matematika, meskipun rumit, dapat menghasilkan pendugaan yang akurat, namun arti fisis dari persamaan persamaan matematika ini lebih sulit untuk dipahami. Upaya untuk menjelaskan apa arti sebenarnya dari dualitas gelombang-partikel ini merupakan suatu pokok perdebatan dalam fisika kuantum. Banyak pengertian yang muncul untuk mencoba menjelaskan hal ini, namun kesemuanya itu terikat oleh persamaan gelombang yang sama, dan terutama kesemuanya itu harus menjelaskan hasil pengamatan eksperimen yang sama.


Interferensi, difraksi, dan prinsip superposisi.

Interferensi terjadi ketika dua atau beberapa gelombang berinteraksi satu dengan lainnya, sementara difraksi terjadi ketika suatu gelombang melewati suatu apertur (celah titik). Interaksi tersebut diakibatkan oleh prinsip superposisi. Baik interferensi, difraksi, maupun prinsip superposisi merupakan konsep penting untuk dipahami dalam upaya mengenali beberapa aplikasi gelombang.

Interferensi dan Prinsip superposisi

Ketika dua gelombang berinteraksi, prinsip superposisi mengatakan bahwa fungsi gelombang yang dihasilkan merupakan penjumlahan kedua fungsi gelombang pembentuk itu masing masing. Fenomena ini ummnya merupakan penjelasan tentang interferensi. Bayangkan suatu kasus dimana butir butir air menetes ke dalam sebuah bak berisi air. Bila setiap tetes air menyentuk permukaan air di bak, maka akan terbentuk gelombang melingkar di permukaan air tersebut. Bila kita meneteskan air di tempat lain, maka tetesan itupun akan membentuk suatu gelombang melingkar yang baru. Dan bila kedua kelombang tersebut saling bertemu, akan terjadi saling tumpang tindih diantara kedua gelombang tersebut. Pada titik titik dimana kedua gelombang tadi bertemu, gelombang yang terjadi akan merupakan penjumlahan antara kedua gelombang asalnya.