Sejarah Teori Kuantum. Garis Waktu

Transkripsi

1 UNIVERSITAS AHMAD DAHLAN Pendidikan Fisika Sejarah Teori Kuantum Kuliah Sejarah Fisika Rachmad Resmiyanto Garis Waktu 1905: Albert Einstein menulis makalah, "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light ; mengajukan ide kuanta energi untuk efek fotolistrik 1918: Max Planck dapat nobel Fisika 1922: Niels Bohr dapat nobel fisika Eksperimen Stern- Gerlach (pembuktian teori kuantisasi ruang) 1925: Asas ketidakpastian Heisenberg Wolfgang Pauli membangun bilangan kuantum keempat, spin 1926: Persamaan Schrodinger 1932: Werner Heisenberg dapat Nobel fisika 1940: Pauli membuktikan teorema statistik spin 1944: Wolfgang Pauli dapat nobel fisika 1900: 1913: Max Planck Niels Bohr mengajukan teori mengajukan teori tentang radiasi struktur atom benda hitam 1921: Nobel fisika untuk efek fotolistrik 1924: Louis De Broglie mempublikasika n disertasinya Recherches sur la théorie des quanta, yang memperkenalkan teori gelombang elektron 1929: 1933: Louis De Otto Stern Broglie dapat mengukur nobel fisika momen untuk magnetik untuk hipotesisnya proton Schrodinger dapat nobel 1943: Otto Stern dapat nobel fisika 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 2 1

2 Apa itu Teori Kuantum? 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 3 Apa itu Teori Kuantum? Teori kuantum tidak terjangkau intuisi dan menentang pikiran lazim 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 4 2

3 Apa itu Teori Kuantum? Teori kuantum tidak terjangkau intuisi dan menentang pikiran lazim Konsepnya disejajarkan dengan filsafat timur, malah dipakai untuk meneliti rahasia kesadaran, kehendak bebas, dan paranormal 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 5 Apa itu Teori Kuantum? Teori kuantum tidak terjangkau intuisi dan menentang pikiran lazim Teori kuantum tak pernah gagal Konsepnya disejajarkan dengan filsafat timur, malah dipakai untuk meneliti rahasia kesadaran, kehendak bebas, dan paranormal 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 6 3

4 Apa itu Teori Kuantum? Teori kuantum tidak terjangkau intuisi dan menentang pikiran lazim Konsepnya disejajarkan dengan filsafat timur, malah dipakai untuk meneliti rahasia kesadaran, kehendak bebas, dan paranormal Teori kuantum tak pernah gagal Teori ini sangat matematis 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 7 Apa itu Teori Kuantum? Teori kuantum tidak terjangkau intuisi dan menentang pikiran lazim Konsepnya disejajarkan dengan filsafat timur, malah dipakai untuk meneliti rahasia kesadaran, kehendak bebas, dan paranormal Teori kuantum tak pernah gagal Teori ini sangat matematis Gagasannya sama sekali mengubah cara kita memandang realitas 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 8 4

5 Apa itu Teori Kuantum? 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 9 Fisika Klasik vs Modern Gagasan materi dan radiasi dakam fisika klasik diyakini sahih. Maka gagasan baru yang menentangnya selalu akan diremehkan. Formalisme matematika Newton ( ) & Maxwell ( ) sangat cuanggih, tak bercacat. Ramalannya juga terbukti oleh banyak percobaan 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 10 5

6 Fisika klasik Fisika klasik: mekanika Newton dan elektromagnetisme Maxwell abad ke-19 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 11 Fisika klasik Selama abad ke-18 dan ke-19 hukum gerak Newton telah diuji dengan seksama Hukum gravitasi Newton mampu memprakirakan gerakan planet dengan ketepatan tinggi Teori gelombang elektromagnetika Maxwell mampu memperkirakan keberadaan gelombang cahaya tak tampak ini terbukti 1888 ketika Heinrich Hertz menemukan gelombang radio di Berlin. Gelombang radio memantul dan membias seperti cahaya, Wow, Maxwell benar... 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 12 6

7 Anggapan Dasar Fisika Klasik 1. Reduksionisme. Alam semesta mirip mesin raksasa dalam ruang-waktu mutlak. Gerakan rumit dipandang sebagai gerakan sederhana dari bagian2 penyusunnya, sekalipun bagian-bagaian tersebut tidak bisa dilukiskan. 2. Kausalitas. Hukum Newton menyimpulkan tiap gerak selalu punya sebab. Jika suatu benda bergerak, kita selalu bisa mencari penyebabnya. Ini sebab akibat yang tidak lagi dipertanyakan lagi. 3. Determinisme. Jika sekarang diketahui keadaan gerak suatu partikel, maka gerakannya dapat diketahui juga pada sebarang titik di masa depan dan masa lalu. 4. Cahaya sbg gelombang. Sifat-sifat cahaya bisa dilukiskan secara lengkap dengan teori gelombang elektromagnetika Maxwell (dibuktikan Thomas Young 1802, interferensi celah ganda) 5. Partikel vs gelombang. Energi yang bergerak dapat dilukiskan dalam 2 model: partikel, gelombang. Keduanya terpisah. 6. Pengukuran. Sifat sistem dapat diukur dengan ketelitian tak terbatas, termasuk sistem atomik. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 13 Prasasti Runtuhnya Fisika Klasik Anggapan itu diyakini secara MUTLAK. Tapi, akhirnya anggapan itu diragukan. Awal mulanya adalah Hotel Metropole Brussel, 24 Okt /08/2011 Rachmad Resmiyanto 14 7

8 Konferensi Solvay 1927 Ernest Solvay ( ), industriawan Belgia, mensponsori pertemuan perdana fisika internasional untuk membahas gagasan kuantum di Brussel beberapa tahun sebelum PD I. Pesertanya dibatasi 30 orang, diminta berkonsentrasi pada topik yang telah ditentukan. 5 pertemuan pertama ( ) merupakan pertemuan paling penting bagi perkembangan fisika abad ke-20. Puncaknya, 1927, dihadiri 9 pentolan teori kuantum. Semuanya dapat nobel. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 15 Konferensi Solvay /08/2011 Rachmad Resmiyanto 16 8

9 Konferensi Solvay 1927 Sepanjang sejarah sains, jarang sekali begitu banyak persoalan diselesaikan segelintir orang dalam tempo yang singkat. Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Howard Fowler, Léon Brillouin, Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr, Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans Richardson 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 17 Hey... Semuanya berawal Konferensi Solvay 1927 dari saya lho ya... Ingat postulat saya 1900: materi menyerap dan memancarkan radiasi elektromagnetik (cahaya) dalam paket-paket nergi (kuanta). Nilainya sebanding dengan frekuensi radiasi. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 18 9

10 Saya menunjukan bahwa cahaya selalu muncul sebagai kuanta. Ini menjelaskan mengapa materi menyerap dan memancarkan energi seperti itu. Sayang sekali, planck tak pernah percaya saya. Ya ampun Planck..Planck.. Gusti paringana pangapura Konferensi Solvay /08/2011 Rachmad Resmiyanto 19 Konferensi Solvay 1927 Semua orang itu sepakat dengan tafsiran teori kuantum saya kecuali satu orang saja, ya siapa lagi kalau bukan Einstein... [..Insaflah Einstein...] 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 20 10

11 Konferensi Solvay 1927 Sssttt... Jangan berdebat terus... Ini sesi foto.. Lihat, saya yang paling flamboyan kan... Jaket sporty, dasi kupu-kupu... 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 21 Konferensi Solvay 1927 Brussel 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 22 11

12 Konferensi Solvay 1927 Mereka pulang dengan memendam perdebatan bersejarah antara Einstein dan Bohr, mengemban gagasan paling menakjubkan yang pernah dibuat para ilmuwan. Teori kuantum adalah sebuah kegilaan. Dirac (Cambridge) Heisenberg, Bohr (Copenhagen) Einstein, Planck Schrodinger (Berlin) Max Born (Goettingen) De Broglie (Paris) Pauli (Zurich) 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 23 Konferensi Solvay 1927 Mari lihat Usia para pejuang fisika kita A P, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger ( : 44 th), J-ÉVerschaffelt, Wolfgang Pauli ( : 27 th), Werner Heisenberg ( : 25 th), Ralph HF, Léon Brillouin, Peter Debye, M Knudsen, William Lawrence Bragg, HA Kramers, Paul Dirac ( : 25 th), Arthur Compton, Louis de Broglie ( : 35 th), Max Born ( : 45 th), Niels Bohr ( : 42 th), I Langmuir, Max Planck ( : 69 th), Marie Curie ( : 60 th), Hendrik Lorentz, Albert Einstein ( : 48 th), Paul Langevin, CE Guye, CTR Wilson, O W Richardson 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 24 12

13 Mulanya... 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 25 Landasan teori kuantum Landasan teori kuantum: 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 26 13

14 Termodinamika Termodinamika = dinamika termo, dinamika panas, aliran panas, mengalir dari benda bersuhu tinggi ke bersuhu rendah. Aliran baru akan berhenti ketika suhu keduanya sama, setimbang termal. Model mekanika untuk menjelaskan aliran panas dikembangkan pada abad ke-19 di Inggris, dibnagun atas jasa James Watt ( ), Skotlandia 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 27 Termodinamika James Prescott Joule ( ) menunjukkan bahwa ternyata panas dapat disetarakan dengan suatu kerja mekanik tertentu Kesetaraan mekanik panas merupakan cikal bakal kajian termodinamika 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 28 14

15 Termodinamika Muncul dugaan: sebab panas dapat diubah menjadi kerja maka panas merupakan suatu bentuk energi Kata energy (bhs Yunani) bermakna mengandung kerja 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 29 Dugaan belum terbukti. Termodinamika 1847 Herman von Helmholtz ( ) mengeluarkan hukum kelestarian energi Setiap kehilangan energi di satu tempat pasti dihantikan dengan energi yang sama di tempat yang lain dalam sistem yang sama 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 30 15

16 Termodinamika Pada 1850, Rudolf Clausius ( ) menyebut Hukum Helmholtz sbg Hk I Termodinamika. Clausius merumuskan Hk kedua Termodinamika: energi total suatu sistem selalu menurun karena ada panas yang hilang dalam proses termodinamika. Di sini ia memperkenalkan konsep baru entropi (konsep yg berkaitan dg aliran panas) Entropi suatu sistem tertutup selalu naik & mencapai nilai maks pd kesetimbangan termal 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 31 Eksistensi Atom Democritus ( SM): penggagas pertama konsep atom Aristoteles menyanggah Democritus, kemudian hanya menjadi perdebatan. Pada masa Islam: atom asy ariyah John Dalton ( ), kimiawan Inggris, menggunakan konsep ini untuk memperkirakan sifatsifat unsur & senyawa 1806, konsep atom masih belum diterima. (ini abad ke-19) 100 tahun kemudian, perhitungan Einstein & percobaan Jean Perin ( ) menarik banyak orang untuk menerima konsep atom ( ini abad ke-20) Belum ada bukti selama abad ke-19, para teoretisi sudah menggunakan konsep atom 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 32 16

17 Eksistensi Atom JC Maxwell, fisikawan Scotlandia, bikin teori kinetik gas (Maxwell adalah penganut atom) Ia menganggap gas sbg kumpulan molekul yg banyak sekali yang bergerak secara acak, saling bertumbukan, juga dg dinding bejana. Berdasarkan rerata statistik, teorinya Maxwell ingin menunjukan bahwa sifat makroskopik bisa ditebak dari model mikroskopik molekul molekul gas 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 33 Eksistensi Atom Asumsi Maxwell: 1. Molekul itu seperti bola pejal, diameternya << jarak antar molekul 2. Kelestarian energi berlaku pd tumbukan antar molekul 3. Molekul bergerak lurus, laju tetap, tidak berinteraksi satu sama lain 4. Posisi dan kecepatan molekul mula-mula bersifat acak Asumsi ke-4 sangat revolusioner 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 34 17

18 Eksistensi Atom Dalam 1 mol gas ada 6 x partikel Bayangkan ada Maka mustahil jika menghitung satu demi satu partikel dengan hk Newton. Hebatnya, teori Maxwell bisa mengaitkan kecepatan rata-rata kuadrat molekul-molekul dengan suhu PANAS ada karena gerak acak atom yang terus menerus 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 35 Eksistensi Atom Sumbangan penting Maxwell: Tebakan distribusi kecepatan yg mungkin dimiliki molekul-molekul. Distribusi ini memberikan rentang kecepatan yang mungkin. Ini kurva distribusi Maxwell. Jadi PELUANG digunakan jika PERHITUNGAN YANG PASTI mustahil dilakukan 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 36 18

19 Mekanika Statistik Teori Kinetik Maxwell mengilhami Ludwig Boltzman ( ), 1870-an. Hukum Distribusi Kanonik, bisa diterapkan pd sebarang kumpulan yg memiliki gerak bebas acak Teorema ekopartisi tenaga, energi disebar merata ke segenap tingkatan ketika sistem mencapai kesetimbangan termal. Tafsiran baru entropi, peluang suatu susunan sistem yang dipilih atom-atom pembentuknya Kalau Clausius 1850: entropi menunjukkan ketidakberaturan atomatom dalam sistem 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 37 Mekanika Statistik Tafsiran baru entropi, peluang suatu susunan sistem yang dipilih atom-atom pembentuknya Rumusan entropi, S = k log W K = tetapan Boltzman W = peluang suatu susunan atom yang bisa terjadi 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 38 19

20 Mekanika Statistik Sebuah disiplin/metode baru yang dapat memprakirakan sifat-sifat makroskopik suatu benda dari perilaku statistik bagian-bagian mikroskopik penyusunnya 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 39 Mekanika Statistik Boltzmann beranggapan perubahan sistem dari keadaan kurang mungkin menuju keadaan lebih mungkin terjadi jika dirangsang oleh panas atau getaran mekanis sampai tercapainya keseteimbangan termal. Inilah keadaan yang paling mungkin & entropinya maksimum Meskipun mustahil menghitung gerakan milyaran partikel, metode peluang dapat menyajikan jawaban keadaan mana yg paling mungkin terjadi. Boltzmann juga memperkenalkan konsep fluktuasi. Ini kontroversial kala itu. Tafsiran peluang entropi Boltzmann memeluangi terjadinya penggerombolan semua molekul dalam sistem gas tertutup di salah satu pojok bejana. Inilah yang disebut energi fluktuasi. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 40 20

21 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 41 21