Makalah Mekanika Kuantum

56
MEKANIKA KUANTUM (Makalah Mata Kuliah Sejarah Perkembangan Fisika) Oleh : Nama Anggota Kelompok/ NPM : B. Anggit Wicaksono / 0913022030 Hafidhuddin Zarkasi / 0913022008 Hanny Kruisdiarti / 0913022048 Merta Dhewakusuma / 0913022052 Reza Febrata / 0913022060 Program Studi : Pendidikan Fisika Kelas : B PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA 1

Transcript of Makalah Mekanika Kuantum

Page 1: Makalah Mekanika Kuantum

MEKANIKA KUANTUM

(Makalah Mata Kuliah Sejarah Perkembangan Fisika)

Oleh :

Nama Anggota Kelompok/ NPM :

B. Anggit Wicaksono / 0913022030

Hafidhuddin Zarkasi / 0913022008

Hanny Kruisdiarti / 0913022048

Merta Dhewakusuma / 0913022052

Reza Febrata / 0913022060

Program Studi : Pendidikan Fisika

Kelas : B

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

JURUSAN PENDIDIKAN MIPA

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2010

1

Page 2: Makalah Mekanika Kuantum

KATA PENGANTAR

Puji dan Syukur kita Panjatkan ke Hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat

limpahan Rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun makalah ini

tepat pada waktunya. Makalah ini membahas tentang sejarah perkembangan teori

Mekanika Kuantum sebagai tugas dari mata kuliah Sejarah Perkembangan Fisika.

Dalam penyusunan makalah ini, penulis banyak mendapat tantangan dan

hambatan akan tetapi dengan bantuan dari berbagai pihak tantangan itu bisa

teratasi. Olehnya itu, penyusun mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya

kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan makalah ini,

semoga bantuannya mendapat balasan yang setimpal dari Tuhan Yang Maha Esa.

Penyusun menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnaan baik dari

bentuk penyusunan maupun materinya. Kritik konstruktif dari pembaca sangat

diharapkan untuk penyempurnaan makalah selanjutnya.

Akhir kata semoga makalah ini dapat memberikan manfaat kepada kita.

Bandar Lampung, April 2011

Penyusun

i

2

Page 3: Makalah Mekanika Kuantum

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR…………………………………………………………... i

DAFTAR ISI……………………………………………………………………. ii

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang………………………………………………………..….. 1

1.2 Tujuan Makalah ......................................................................................... 1

II. PEMBAHASAN

2.1 Sejarah Awal .............………………………………….................................. 2

2.2 Perkembangan Mekanika Kuantum ................................................................. 5

2.3 Eksperimen-Eksperimen yang Mendasari Mekanika Kuantum ..................... 10

2.4 Tokoh-Tokoh Mekanika Kuantum ................................................................. 11

2.4 Bukti dari Mekanika Kuantum ....................................................................... 30

BAB III KESIMPULAN

DAFTAR PUSTAKA

ii

3

Page 4: Makalah Mekanika Kuantum

I. PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

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.

I.2 Tujuan Makalah

Adapun tujuan pembuatan makalah ini adalah sebagai berikut :

1. Mengetahui sejarah awal teori mekanika kuantum

2. Mengetahui perkembangan teori mekanika kuantum

3. Mengetahui eksperimen-eksperimen yang mendasari perkembangan

mekanika kuantum

4. Mengetahui tokoh-tokoh mekanika kuantum

5. Mengetahui bukti dari mekanika kuantum

4

Page 5: Makalah Mekanika Kuantum

II. PEMBAHASAN

II.1 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

5

Page 6: Makalah Mekanika Kuantum

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.

Teori kuantum memang masih pro dan kontra dalam penerimaannya, dan

bersifat kontroversial ketika menggugat otoritas sains yang dianggap telah

mapan. Adanya pro dan kontra terlihat ketika Einstein yang merupakan

6

Page 7: Makalah Mekanika Kuantum

ilmuan besar abad 20 tidak menyukai teori ini, meskipun Einstein merupakan

salah satu dukun yang membidangi lahirnya teori kuantum. Dalam salah satu

perdebatan yang panjang dengan Bohr yang berlangsung di Kopenhagen,

Denmark; sehingga terkenal dengan “Tafsiran Kopenhagen”, Einstein

mengatakan bahwa teori kuantum tidak dapat mengakomodir fraksi-fraksi

dalam sains, dia masih berpegang teguh bahwa madzhab newtonian

merupakan mazhab yang relatif akomodatif. Bohr mengeluarkan argumen

bahwa manusialah yang tidak dapat mengakomodir pengalamannya yang

sangat kaya, dan terakhir Bohr menyindir Einstein, bahwa orang yang tidak

goncang jiwanya oleh teori kuantum berarti orang tersebut belum

memahaminya.

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-

7

Page 8: Makalah Mekanika Kuantum

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

II.2 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.

8

Page 9: Makalah Mekanika Kuantum

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.

9

Page 10: Makalah Mekanika Kuantum

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

10

Page 11: Makalah Mekanika Kuantum

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

11

Page 12: Makalah Mekanika Kuantum

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

12

Page 13: Makalah Mekanika Kuantum

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.

Elektrodinamika kuantum merupakan teori kuantum tentang elektron,

positron, dan medan elektromagnet.

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.

II.3 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,

13

Page 14: Makalah Mekanika Kuantum

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.

II.4 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.

Planck, seperti halnya ilmuwan lain, tertarik dengan "radiasi kuantitas gelap,"

julukan buat radiasi elektromagnetik dikeluarkan oleh obyek gelap sempurna

apabila dipanaskan. (Suatu obyek gelap sempurna dijelaskan sebagai sesuatu

yang tidak memantulkan cahaya, tetapi sepenuhnya menyerap semua cahaya

yang jatuh di atasnya). Percobaan-percobaan para ahli fisika telah membuat

14

Page 15: Makalah Mekanika Kuantum

ukuran yang hati-hati perihal radiasi yang dikeluarkan oleh obyek itu bahkan

sebelum Planck bekerja dalam masalah itu.

Hasil karya Planck pertama adalah penemuannya dalam hal formula secara

aljabar yang ruwet yang dengan tepat menggambarkan "radiasi kuantitas

gelap." Formula ini yang kerap digunakan dalam teori fisika sekarang dengan

rapi meringkas data-data percobaan. Tetapi ada satu masalah: hukum fisika

yang sudah diterima meramalkan adanya suatu formula yang samasekali

berbeda.

Planck berkecimpung dalam-dalam terhadap soal ini dan akhirnya tampil

dengan teori baru yang radikal: energi radiant cuma keluar pada pergandaan

yang tepat dari unit elementer yang disebut Planck "kuantum". Menurut teori

Planck, ukuran kuantum cahaya tergantung pada frekuensi cahaya (misalnya

pada warnanya), dan juga berimbang dengan kuantitas fisik yang oleh Planck

diringkas dengan "h", tetapi sekarang disebut "patokan Planck." Hipotesa

Planck amatlah berlawanan dengan apa yang jadi konsep umum fisika. Tetapi,

dengan penggunaan ini dia mampu menemukan keaslian teoritis yang tepat

daripada formula yang benar tentang "radiasi kuantitas gelap."

Teori Planck begitu revolusioner, yang tak syak lagi bisa dianggap suatu

gagasan eksentrik kalau saja Planck bukan seorang ahli fisika yang mantap dan

konservatif. Kendati hipotesanya terdengar aneh, dalam soal khusus ini jelas

merupakan penuntun ke arah formula yang benar.

Pada mulanya, umumnya ahli fisika (termasuk Planck sendiri) melihat

hipotesanya sebagai tak lain dari sebuah fiksi matematik yang cocok. Sesudah

beberapa tahun, hal itu berubah sehingga konsepsi Planck tentang kuantum

dapat digunakan untuk pelbagai fenomena fisik selain untuk "radiasi kuantitas

gelap." Einstein menggunakan konsep ini di tahun 1905 dalam rangka

menjelaskan efek fotoelektrika, dan Niels Bohr menggunakannya di tahun

1913 dalam teorinya tentang struktur atom. Menjelang tahun 1918 tatkala

15

Page 16: Makalah Mekanika Kuantum

Planck peroleh Hadiah Nobel, jelaslah sudah bahwa hipotesanya pada dasarnya

benar dan itu mempunyai arti penting yang fundamental dalam teori fisika.

Sikap anti Nazi Planck yang keras membuat kedudukannya berabe di masa

pemerintahan Hitler. Anak laki-lakinya dihukum mati di awal tahun 1945

akibat peranannya dalam komplotan para perwira yang punya rencana

membunuh Hitler. Planck sendiri mati tahun 1947, pada umur delapan puluh

sembilan tahun.

Perkembangan mekanika kuantum mungkin yang paling penting dari

perkembangan ilmu pengetahuan dalam abad ke-20, lebih penting ketimbang

teori relativitas Einstein. Patokan "h" Planck memegang peranan penting dalam

teori fisika dan sekarang dihimpun jadi dua atau tiga patokan fisika paling

dasar. Patokan itu muncul dalam teori struktur atom, dalam prinsip

"ketidakpastian" Heisenberg, dalam teori radiasi dan dalam banyak lagi

formula ilmiah. Perkiraan pertama Planck mengenai nilai jumlah adalah dalam

batas perhitungan 2% yang diterima sekarang.

Planck umumnya dianggap bapak mekanika kuantum. Kendati dia memainkan

peranan tak seberapa dalam perkembangan teori selanjutnya, adalah keliru

mengecilkan arti Planck. Jalan mula yang disuguhkannya sungguh penting. Dia

membebaskan pikiran orang dari anggapan-anggapan keliru yang ada

sebelumnya, dan dia memungkinkan orang-orang sesudahnya menyusun teori

yang jauh lebih jernih daripada yang sekarang kita miliki.

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

16

Page 17: Makalah Mekanika Kuantum

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).

Dia kemudian diberikan penghargaan untuk teori relativitasnya karena

kelambatannya ini, dan berkata dengan berpikir dalam tentang ruang dan waktu

17

Page 18: Makalah Mekanika Kuantum

dari anak-anak lainnya, dia mampu mengembangkan kepandaian yang lebih

berkembang. Pendapat lainnya, berkembang belakangan ini, tentang

perkembangan mentalnya adalah dia menderita Sindrom Asperger, sebuah

kondisi yang berhubungan dengan autisme. Einstein mulai belajar matematika

pada umur dua belas tahun. Ada gosip bahwa dia gagal dalam matematika

dalam jenjang pendidikannya, tetapi ini tidak benar; penggantian dalam

penilaian membuat bingung pada tahun berikutnya. Dua pamannya membantu

mengembangkan ketertarikannya terhadap dunia intelek pada masa akhir

kanak-kanaknya dan awal remaja dengan memberikan usulan dan buku tentang

sains dan matematika. Pada tahun 1894, dikarenakan kegagalan bisnis

elektrokimia ayahnya, Einstein pindah dari Munich ke Pavia, Italia (dekat

Milan). Albert tetap tinggal untuk menyelesaikan sekolah, menyelesaikan satu

semester sebelum bergabung kembali dengan keluarganya di Pavia.

Kegagalannya dalam seni liberal dalam tes masuk Eidgenössische Technische

Hochschule (Institut Teknologi Swiss Federal, di Zurich) pada tahun

berikutnya adalah sebuah langkah mundur;j dia oleh keluarganya dikirim ke

Aarau, Swiss, untuk menyelesaikan sekolah menengahnya, di mana dia

menerima diploma pada tahun 1896, Einstein beberapa kali mendaftar di

Eidgenössische Technische Hochschule. Pada tahun berikutnya dia melepas

kewarganegaraan Württemberg, dan menjadi tak bekewarganegaraan.

Pada 1898, Einstein menemui dan jatuh cinta kepada Mileva Maric, seorang

Serbia yang merupakan teman kelasnya (juga teman Nikola Tesla). Pada tahun

1900, dia diberikan gelar untuk mengajar oleh Eidgenössische Technische

Hochschule dan diterima sebagai warga negar Swiss pada 1901. Selama masa

ini Einstein mendiskusikan ketertarikannya terhadap sains kepada teman-teman

dekatnya, termasuk Mileva. Dia dan Mileva memiliki seorang putri bernama

Lieserl, lahir dalam bulan Januari tahun 1902. Lieserl, pada waktu itu,

dianggap tidak legal karena orang tuanya tidak menikah.

Pada tahun 1905 dia menulis empat artikel yang memberikan dasar fisika

modern, tanpa banyak sastra sains yang dapat ia tunjuk atau banyak kolega

dalam sains yang dapat ia diskusikan tentang teorinya. Banyak fisikawan setuju

18

Page 19: Makalah Mekanika Kuantum

bahwa ketiga thesis itu (tentang gerak Brownian), efek fotoelektrik, dan

relativitas spesial) pantas mendapat Penghargaan Nobel. Tetapi hanya thesis

tentang efek fotoelektrik yang mendapatkan penghargaan tersebut. Ini adalah

sebuah ironi, bukan hanya karena Einstein lebih tahu banyak tentang

relativitas, tetapi juga karena efek fotoelektrik adalah sebuah fenomena

kuantum, dan Einstein menjadi terbebas dari jalan dalam teori kuantum. Yang

membuat thesisnya luar biasa adalah, dalam setiap kasus, Einstein dengan

yakin mengambil ide dari teori fisika ke konsekuensi logis dan berhasil

menjelaskan hasil eksperimen yang membingungkan para ilmuwan selama

beberapa dekade. Dia menyerahkan thesis-thesisnya ke "Annalen der Physik".

Mereka biasanya ditujukan kepada "Annus Mirabilis Papers" (dari Latin:

Tahun luar biasa). Persatuan Fisika Murni dan Aplikasi (IUPAP)

merencanakan untuk merayakan 100 tahun publikasi pekerjaan Einstein di

tahun 1905 sebagai Tahun Fisika 2005.

c. 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.

19

Page 20: Makalah Mekanika Kuantum

Teori Bohr memperkenalkan atom sebagai sejenis miniatur planit mengitari

matahari, dengan elektron-elektron mengelilingi orbitnya sekitar bagian pokok,

tetapi dengan perbedaan yang sangat penting: bilamana hukum-hukum fisika

klasik mengatakan tentang perputaran orbit dalam segala ukuran, Bohr

membuktikan bahwa elektron-elektron dalam sebuah atom hanya dapat

berputar dalam orbitnya dalam ukuran spesifik tertentu. Atau dalam kalimat

rumusan lain: elektron-elektron yang mengitari bagian pokok berada pada

tingkat energi (kulit) tertentu tanpa menyerap atau memancarkan energi.

Elektron dapat berpindah dari lapisan dalam ke lapisan luar jika menyerap

energi. Sebaliknya, elektron akan berpindah dari lapisan luar ke lapisan lebih

dalam dengan memancarkan energi.

Teori Bohr memperkenalkan perbedaan radikal dengan gagasan teori klasik

fisika. Beberapa ilmuwan yang penuh imajinasi (seperti Einstein) segera

bergegas memuji kertas kerja Bohr sebagai suatu "masterpiece," suatu kerja

besar; meski begitu, banyak ilmuwan lainnya pada mulanya menganggap sepi

kebenaran teori baru ini. Percobaan yang paling kritis adalah kemampuan teori

Bohr menjelaskan spektrum dari hydrogen atom. Telah lama diketahui bahwa

gas hydrogen jika dipanaskan pada tingkat kepanasan tinggi, akan

mengeluarkan cahaya. Tetapi, cahaya ini tidaklah mencakup semua warna,

tetapi hanya cahaya dari sesuatu frekuensi tertentu. Nilai terbesar dari teori

Bohr tentang atom adalah berangkat dari hipotesa sederhana tetapi sanggup

menjelaskan dengan ketetapan yang mengagumkan tentang gelombang panjang

yang persis dari semua garis spektral (warna) yang dikeluarkan oleh hidrogen.

Lebih jauh dari itu, teori Bohr memperkirakan adanya garis spektral tambahan,

tidak terlihat pada saat sebelumnya, tetapi kemudian dipastikan oleh para

pencoba. Sebagai tambahan, teori Bohr tentang struktur atom menyuguhkan

penjelasan pertama yang jelas apa sebab atom punya ukuran seperti adanya.

Ditilik dari semua kejadian yang meyakinkan ini, teori Bohr segera diterima,

dan di tahun 1922 Bohr dapat,hadiah Nobel untuk bidang fisika.

Tahun 1920 lembaga Fisika Teoritis didirikan di Kopenhagen dan Bohr jadi

20

Page 21: Makalah Mekanika Kuantum

direkturnya. Di bawah pirnpinannya cepat menarik minat ilmuwan-ilmuwan

muda yang brilian dan segera menjadi pusat penyelidikan ilmiah dunia.

Tetapi sementara itu teori struktur atom Bohr menghadapi kesulitan-kesulitan.

Masalah terpokok adalah bahwa teori Bohr, meskipun dengan sempurna

menjelaskan kesulitan masa depan atom (misalnya hidrogen) yang punya satu

elektron, tidak dengan persis memperkirakan spektra dari atom-atom lain.

Beberapa ilmuwan, terpukau oleh sukses luar biasa teori Bohr dalam hal

memaparkan atom hidrogen, berharap dengan jalan menyempurnakan sedikit

teori Bohr, mereka dapat juga menjelaskan spektra atom yang lebih berat. Bohr

sendiri merupakan salah seorang pertama yang menyadari penyempurnaan

kecil itu tak akan menolong, karena itu yang diperlukan adalah perombakan

radikal. Tetapi, bagaimanapun dia mengerahkan segenap akal geniusnya, toh

dia tidak mampu memecahkannya.

Pemecahan akhirnya ditemukan oleh Werner Heisenberg dan lain-lainnya,

mulai tahun 1925. Adalah menarik untuk dicatat di sini, bahwa Heisenberg –

dan umumnya ilmuwan yang mengembangkan teori baru– belajar di

Kopenhagen, yang tak syak lagi telah mengambil manfaat yang besar dari

diskusi-diskusi dengan Bohr dan saling berhubungan satu sama lain. Bohr

sendiri bergegas menuju ide baru itu dan membantu mengembangkannya. Dia

membuat sumbangan penting terhadap teori baru, dan liwat disuksi-diskusi dan

tulisan-tulisan, dia menolong membikin lebih sistematis.

Tahun 1930-an lebih menunjukkan perhatiannya terhadap permasalahan bagian

pokok struktur atom. Dia mengembangkan model penting "tetesan cairan"

bagian pokok atom. Dia juga mengajukan masalah teori tentang "kombinasi

bagian pokok" dalam reaksi atom untuk dipecahkan. Tambahan pula, Bohr

merupakan orang yang dengan cepat menyatakan bahwa isotop uranium yang

terlibat dalam pembagian nuklir adalah U235. Pernyataan ini punya makna

penting dalam pengembangan berikutnya dari bom atom.

21

Page 22: Makalah Mekanika Kuantum

Dalam tahun 1940 balatentara Jerman menduduki Denmark. Ini menempatkan

diri Bohr dalam bahaya, sebagian karena dia punya sikap anti Nazi sudah

tersebar luas, sebagian karena ibunya seorang Yahudi. Tahun 1943 Bohr lari

meninggalkan Denmark yang jadi daerah pendudukan, menuju Swedia. Dia

juga menolong sejumlah besar orang Yahudi Denmark melarikan diri agar

terhindar dari kematian dalam kamar-kamar gas Hitler. Dari Swedia Bohr lari

ke Inggris dan dari sana menyeberang ke Amerika Serikat. Di negeri ini,

selama perang berlangsung, Bohr membantu membikin bom atom,

Seusai perang, Bohr kembali kampung ke Denmark dan mengepalai lembaga

hingga rohnya melayang tahun 1`562. Dalam tahun-tahun sesudah perang Bohr

berusaha keras –walau tak berhasil– mendorong dunia internasional agar

mengawasi penggunaan energi atom.

Bohr kawin tahun 1912, di sekitar saat-saat dia melakukan kerja besar di

bidang ilmu pengetahuan. Dia punya lima anak, salah seorang bernama Aage

Bohr, memenangkan hadiah Nobel untuk bidang fisika di tahun 1975. Bohr

merupakan orang yang paling disenangi di dunia ilmuwan, bukan semata-mata

karena menghormat ilmunya yang genius, tetapi juga pribadinya dan karakter

serta rasa kemanusiaannya yang mendalam.

Kendati teori orisinal Bohr tentang struktur atom sudah berlalu lima puluh

tahun yang lampau, dia tetap merupakan salah satu dari tokoh besar di abad ke-

20. Ada beberapa alasan mengapa begitu. Pertama, sebagian dari hal-hal

penting teorinya masih tetap dianggap benar. Misalnya, gagasannya bahwa

atom dapat ada hanya pada tingkat energi yang cermat adalah merupakan

bagian tak terpisahkan dari semua teori-teori struktur atom berikutnya. Hal

lainnya lagi, gambaran Bohr tentang atom punya arti besar buat menemukan

sesuatu untuk diri sendiri, meskipun ilmuwan modern tak menganggap hal itu

secara harfiah benar. Yang paling penting dari semuanya itu, mungkin, adalah

gagasan Bohr yang merupakan tenaga pendorong bagi perkembangan "teori

kuantum." Meskipun beberapa gagasannya telah kedaluwarsa, namun jelas

22

Page 23: Makalah Mekanika Kuantum

secara historis teori-teorinya sudah membuktikan merupakan titik tolak teori

modern tentang atom dan perkembangan berikutnya bidang mekanika

kuantum.

d. Louis de Broglie

Louis Victor Pierre Raymon de Broglie lahir pada 15 Agustus 1892 di Dieppe,

Perancis. Keturunan de Broglie, yang berasal dari Piedmont, Italia barat laut

cukup dikenal dalam sejarah Perancis karena mereka telah melayani raja-raja

Perancis baik dalam perang dan jabatan diplomatik selama beratus tahun.

Pada 1740, Raja Louis XI mengangkat salah satu anggota keluarga de Broglie,

Francois Marie (1671-1745) sebagai Duc (seperti Duke di Inggris), suatu gelar

keturunan yang hanya disandang oleh anggota keluarga tertua. Putra Duc

pertama ini ternyata membantu Austria dalam Perang Tujuh Tahun (1756-

1763). Karena itu, Kaisar Perancis I dari Austria menganugerahkan gelar Prinz

yang berhak disandang seluruh anggota keluarga de Broglie.

Dengan meninggalnya saudara tertua Louis, Maurice, juga fisikawan

(eksperimen), pada 1960, maka Louis serempak menjadi Duc Perancis (ke-7)

dan Prinz Austria. Louis mulanya belajar pada Lycee Janson de Sailly di Paris

dan memperoleh gelar dalam sejarah pada 1909. Ia menjadi tertarik pada ilmu

pengetahuan alam karena katanya, "terpengaruh oleh filsafat dan buku-buku

Henry Poincare (1854-1912)", matematikawan besar Perancis.

Pada 1910, Louis memasuki Universitas Paris untuk menyalurkan minatnya

dalam ilmu pengetahuan. Tahun 1913 ia peroleh licence dalam ilmu

pengetahuan dari Faculte des Sciences. Studinya kemudian terputus karena

berkecamuknya Perang Dunia I. Barulah pada usia 32, Louis meraih gelar

doktornya dalam fisika teori dengan tesis tentang gelombang partikel di atas. Ia

kemudian memulai karier mengajarnya di Universitas Paris dan Institut Henry

Poincare pada 1928.

23

Page 24: Makalah Mekanika Kuantum

Gagasan foton Einstein kemudian diterapkan Louis de Broglie pada 1922,

sebelum Compton membuktikannya, untuk menurunkan Hukum Wien (1896).

Ini menyatakan bahwa "bagian tenaga elektromagnet yang paling banyak

dipancarkan benda (hitam) panas adalah yang frekuensinya sekitar 100 milyar

kali suhu mutlak (273 + suhu Celsius) benda itu". Pekerjaan ini ternyata

memberi dampak yang berkesan bagi de Broglie.

Pada musim panas 1923, de Broglie menyatakan, "secara tiba-tiba muncul

gagasan untuk memperluas perilaku rangkap (dual) cahaya mencangkup pula

alam partikel". Ia kemudian memberanikan diri dengan mengemukakan bahwa

"partikel, seperti elektron juga berperilaku sebagai gelombang". Gagasannya

ini ia tuangkan dalam tiga makalah ringkas yang diterbitkan pada 1924; salah

satunya dalam jurnal vak fisika Perancis, Comptes Rendus.

Penyajiannya secara terinci dan lebih luas kemudian menjadi bahan tesis

doktoralnya yang ia pertahankan pada November 1924 di Sorbonne, Paris.

Tesis ini berangkat dari dua persamaan yang telah dirumuskan Einstein untuk

foton, E=hf dan p=h/. Dalam kedua persamaan ini, perilaku yang "berkaitan"

dengan partikel (energi E dan momentum p) muncul di ruas kiri, sedangkan

ruas kanan dengan gelombang (frekuensi f dan panjang gelombang , baca:

lambda). Besaran h adalah tetapan alam yang ditemukan Planck, tetapan

Planck.

Secara tegas, de Broglie mengatakan bahwa hubungan di atas juga berlaku

untuk partikel. Ini merupakan maklumat teori yang melahirkan gelombang

partikel atau de Broglie. Untuk partikel, seperti elektron, momentum p adalah

hasilkali massa (sebanding dengan berat) dan lajunya. Karena itu, panjang

gelombang de Broglie berbanding terbalik dengan massa dan laju partikel.

Sebagai contoh, elektron dengan laju 100 cm per detik, panjang gelombangnya

sekitar 0,7 mm.

e. Werner Karl Heisenberg

24

Page 25: Makalah Mekanika Kuantum

Di tahun 1925 Werner Heisenberg mengajukan rumus baru di bidang fisika,

suatu rumus yang teramat sangat radikal, jauh berbeda dalam pokok konsep

dengan rumus klasik Newton. Teori rumus baru ini --sesudah mengalami

beberapa perbaikan oleh orang-orang sesudah Heisenberg--sungguh-sungguh

berhasil dan cemerlang. Rumus itu hingga kini bukan cuma diterima melainkan

digunakan terhadap semua sistem fisika, tak peduli yang macam apa dan dari

yang ukuran bagaimanapun.

Dapat dibuktikan secara matematik, sepanjang pengamatan hanya dengan

menggunakan sistem makroskopik melulu, perkiraan kuantum mekanika

berbeda dengan mekanika klasik dalam jumlah yang terlampau kecil untuk

diukur. (Atas dasar alasan ini, mekanika klasik --yang secara matematik lebih

sederhana daripada kuanturn mekanika-- masih dapat dipakai untuk

kebanyakan perhitungan ilmiah). Tetapi, bilamana berurusan dengan sistem

dimensi atom, perkiraan tentang kuantum mekanika berbeda besar dengan

mekanika klasik. Percobaan-percobaan membuktikan bahwa perkiraan

mengenai kuantum mekanika adalah benar.

Salah satu konsekuensi dari teori Heisenberg adalah apa yang terkenal --

dengan rumus "prinsip ketidakpastian" yang dirumuskannya sendiri di tahun

1927. Prinsip itu umumnya dianggap salah satu prinsip yang paling mendalam

di bidang ilmiah dan paling punya daya jangkau jauh. Dalam praktek, apa yang

diterapkan lewat penggunaan "prinsip ketidakpastian" ini adalah

mengkhususkan batas-batas teoritis tertentu terhadap kesanggupan kita

membuat ukuran-ukuran ilmiah. Akibat serta pengaruh dari sistem ini sangat

dahsyat. Apabila hukum dasar fisika menghambat seorang ilmuwan --bahkan

dalam keadaan yang ideal sekalipun-- mendapatkan pengetahuan yang cermat

dari suatu penyelidikan, ini disebabkan karena sifat-sifat masa depan dari

sistem itu tidak sepenuhnya bisa diramalkan. Menurut "prinsip ketidakpastian,"

tak akan ada perbaikan pada peralatan ukur kita yang akan mengijinkan kita

mengungguli kesulitan, ini.

25

Page 26: Makalah Mekanika Kuantum

"Prinsip ketidakpastian" ini menjamin bahwa fisika, dalam keadaannya yang

lumrah, tak sanggup membikin lebih dari sekedar dugaan-dugaan statistik.

Seorang ilmuwan yang menyelidiki radioaktivitas, misalnya, mungkin mampu

menduga bahwa satu dari setriliun atom radium, dua juta akan mengeluarkan

sinar gamma dalam waktu sehari sesudahnya.

Tetapi, Heisenberg sendiri tidak bisa menaksir apakah ada atom radium yang

khusus yang akan berbuat begitu. Dalam banyak hal yang praktis, ini bukannya

satu pembatasan yang ketat. Bilamana menyangkut jumlah besar, metoda

statistik sering mampu menyuguhkan basis pijakan yang dapat dipercaya untuk

sesuatu langkah. Tetapi, jika menyangkut jumlah dari ukuran kecil, soalnya

jadi lain. Di sini "prinsip ketidakpastian" memaksa kita menghindar dari

gagasan sebab-akibat fisika yang ketat. Ini mengedepankan suatu perubahan

yang amat mendasar dalam pokok filosofi ilmiah. Begitu mendasarnya sampai-

sampai ilmuwan besar Einstein tak pernah mau terima prinsip ini. "Saya tidak

percaya," suatu waktu Einstein berkata, "bahwa Tuhan main-main dengan

kehancuran alam semesta."

Tetapi, ini pada hakekatnya sebuah pertanda bahwa ahli-ahli fisika yang paling

modern merasa perlu menerimanya.

Jelaslah sudah, dari sudut teori kuantum, dan pada tingkat lebih lanjut bahkan

lebih besar dari "teori relativitas," telah merombak konsep dasar kita tentang

dunia fisik. Tetapi, konsekuensi teori ini tidaklah semata bersifat filosofis.

Diantara penggunaan praktisnya, dapat dilihat pada peralatan modern seperti

mikroskop elektron, laser dan transistor. Teori kuantum juga secara luas

digunakan dalam bidang fisika nuklir dan tenaga atom. Ini membentuk dasar

pengetahuan kita tentang bidang "spectroscopy" (alat memprodusir dan

meneliti spektra cahaya), dan ini digunakan secara luas di sektor astronomi dan

kimia. Dan juga dimanfaatkan dalam penyelidikan teoritis dalam masalah yang

topiknya beraneka ragam seperti kualitas khusus cairan belium, dasar susunan

26

Page 27: Makalah Mekanika Kuantum

intern binatang-binatang, daya penambahan kekuatan magnit, dan radio

aktivitas.

f. Erwin Schrodinger

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961) ialah fisikawan

Austria.

Dilahirkan di Wina, Austria-Hongaria. Ibunya berasal dari Inggris dan ayahnya

berasal dari Austria. Ia memperoleh gelar doktor di kota itu di bawah

bimbingan mantan murid Ludwig Boltzmann.

Selama PD I, ia menjadi perwira artileri. Setelah perang ia mengajar di Zurich,

Swiss. Di sana, ia menangkap pengertian Louis Victor de Broglie yang

menyatakan bahwa partikel yang bergerak memiliki sifat gelombang dan

mengembangkan pengertian itu menjadi suatu teori yang terperinci dengan

baik. Setelah ia menemukan persamaannya yang terkenal, ia dan ilmuwan

lainnya memecahkan persamaan itu untuk berbagai masalah; di sini kuantisasi

muncul secara alamiah, misalnya dalam masalah tali yang bergetar. Setahun

sebelumnya Werner Karl Heisenberg telah mengemukakan formulasi mekanika

kuantum, namun perumusannya agak sulit dipahami ilmuwan masa itu.

Schrödinger memperlihatkan bahwa kedua formulasi itu setara secara

matematis.

Schrödinger menggantikan Max Planck di Berlin pada 1927, namun pada 1933,

ketika Nazi berkuasa, ia meninggalkan Jerman. Dalam tahun itu ia menerima

Hadiah Nobel Fisika bersama dengan Dirac. Pada 1939 sampai 1956 ia bekerja

di Institute for Advanced Study di Dublin, lalu kembali ke Austria.

g. Paul Dirac

Pada tanggal 8 Agustus 1902 lahirlah seorang anak yang diberi nama Paul

Andrien Maurice Dirac di Bristol Inggris. Siapa sangka di kemudian hari anak

27

Page 28: Makalah Mekanika Kuantum

yang dikenal sebagai Paul Dirac ini akan menjadi fisikawan besar Inggris yang

dapat disejajarkan dengan Newton, Thomson, dan Maxwell. Melalui teori

kuantumnya yang menjelaskan tentang elektron, Dirac menjelma menjadi

fisikawan ternama di dunia dan namanya kemudian diabadikan bagi persamaan

relativistik yang dikembangkannya, yaitu persamaan Dirac. Tulisan ini dibuat

untuk mengenang kembali perjalanan karirnya yang cemerlang dalam bidang

fisika teori. Dirac kecil tumbuh dan besar di Bristol. Ayahnya yang berasal dari

Swiss bernama Charles lahir di kota Monthey dekat Geneva pada tahun 1866

dan kemudian pindah ke Bristol Inggris, untuk menjadi guru bahasa Prancis di

Akademi Teknik Merchant Venturers. Ibunya bernama Florence Holten, wanita

yang lahir di Liskeard pada tahun 1878 dan menjadi pustakawan di kota

Bristol. Ayah dan Ibu Dirac menikah di Bristol pada tahun 1899 dan memiliki

tiga orang, dua laki-laki (di mana Paul adalah yang lebih muda) dan seorang

perempuan.

Setelah menyelesaikan pendidikan SMA dan sekolah teknik, Paul Dirac

melanjutkan studi di Jurusan teknik elektro Universitas Bristol pada tahun

1918. Pilihannya ini diambil berdasarkan anjuran ayahnya yang menginginkan

Paul mendapatkan pekerjaan yang baik. Dirac menyelesaikan kuliahnya

dengan baik, tetapi dia tidak mendapatkan pekerjaan yang cocok paska

berkecamuknya perang dunia pada saat itu. Keinginannya adalah pergi ke

Universitas Cambridge untuk meperdalam matematika dan fisika. Dia diterima

di akademi St John Cambridge pada tahun 1921, tetapi hanya ditawarkan

beasiswa yang tidak memadai untuk menyelesaikan kuliahnya. Untungnya dia

sanggup mengambil kuliah matematika terapan di Universitas Bristol selama

dua tahun tanpa harus membayar uang kuliah dan tetap dapat tinggal di rumah.

Setelah itu pada tahun 1923 dia berhasil mendapatkan beasiswa penuh di

akademi St John dan dana penelitian dari Departemen perindustrian dan sains,

tetapi dana ini pun belum bisa menutupi jumlah biaya yang diperlukan untuk

kuliah di Cambridge. Pada akhirnya Paul Dirac berhasil mewujudkan

keinginannya kuliah di Akademi St John karena adanya permintaan dari pihak

universitas. Di Cambridge Paul Dirac mengerjakan semua pekerjaan sepanjang

28

Page 29: Makalah Mekanika Kuantum

hidupnya sejak kuliah paska sarjananya pada tahun 1923 sampai pensiun

sebagai profesor (lucasian professor) pada tahun 1969.

Pada tanggal 20 oktober 1984 Paul Dirac meninggal dunia pada usia 84 tahun,

sebagai peraih hadiah nobel fisika tahun 1933 dan anggota British order of

merit tahun 1973. Paul Dirac merupakan fisikawan teoritis Inggris terbesar di

abad ke-20. Pada tahun 1995 perayaan besar disellenggarakan di London untuk

mengenang hasil karyanya dalam fisika. Sebuah monumen dibuat di

Westminster Abbey untuk mengabadikan namanya dan hasil karyanya, di mana

di sini dia bergabung bersama sejumlah monumen yang sama yang dibuat

untuk Newton, Maxwell, Thomson, Green dan fisikawan-fisikawan besar

lainnya. Pada monumen itu disertakan pula Persamaan Dirac dalam bentuk

relativistik yang kompak. Sebenarnya persamaan ini bukanlah persamaan yang

digunakan Dirac pada saat itu, tetapi kemudian persamaan ini digunakan oleh

mahasiswanya. Dirac mengukuhkan teori mekanika kuantum dalam bentuk

yang paling umum dan mengembangkan persamaan relativistik untuk elektron,

yang sekarang dinamakan menggunakan nama beliau yaitu persamaan Dirac.

Persamaan ini juga mengharuskan adanya keberadaan dari pasangan

antipartikel untuk setiap partikel misalnya positron sebagai antipartikel dari

elektron. Dia adalah orang pertama yang mengembangkan teori medan

kuantum yang menjadi landasan bagi pengembangan seluruh teori tentang

partikel subatom atau partikel elementer. Pekerjaan ini memberikan dasar bagi

pemahaman kita tentang gaya-gaya alamiah. Dia mengajukan dan menyelidiki

konsep kutub magnet tunggal (magnetic monopole), sebuah obyek yang masih

belum dapat dibuktikan keber-adaannya, sebagai cara untuk memasukkan

simetri yang lebih besar ke dalam persamaan medan elektromagnetik Maxwell.

Paul Dirac melakukan kuantisasi medan gravitasi dan membangun teori medan

kuantum umum dengan konstrain dinamis, yang memberikan landasan bagi

terbentuknya Teori Gauge dan Teori Superstring, sebagai kandidat Teory Of

Everything, yang berkembang sekarang. Teori-teorinya masih berpengaruh dan

29

Page 30: Makalah Mekanika Kuantum

penting dalam perkembangan fisika hingga saat ini, dan persamaan dan konsep

yang dikemukakannya menjadi bahan diskusi di kuliah-kuliah fisika teori di

seluruh dunia. Langkah awal menuju teori kuantum baru dimulai oleh Dirac

pada akhir September 1925. Saat itu, R H Fowler, pembimbing risetnya,

menerima salinan makalah dari Werner Heisenberg berisi penjelasan dan

pembuktian teori kuantum lama Bohr dan Sommerfeld, yang masih mengacu

pada prinsip korespondensi Bohr tetapi berubah persamaannya sehingga teori

ini mencakup secara langsung kuantitas observabel. Fowler mengirimkan

makalah Heisenberg kepada Dirac yang sedang berlibur di Bristol dan

menyuruhnya untuk mempelajari makalah itu secara teliti. Perhatian Dirac

langsung tertuju pada hubungan matematis yang aneh, pada saat itu, yang

dikemukakan oleh seorang seperti Werner Karl Heisenberg.

Beberapa pekan kemudian setelah kembali ke Cambridge, Dirac tersadar

bahwa bentuk matematika tersebut mempunyai bentuk yang sama dengan

kurung poisson (poisson Bracket) yang terdapat dalam fisika klasik dalam

pembahasan tentang dinamika klasik dari gerak partikel. Didasarkan pada

pemikiran ini dengan cepat dia merumuskan ulang teori kuantum yang

didasarkan pada variabel dinamis non-komut (non-comuting dinamical

variables). Cara ini membawanya kepada formulasi mekanika kuantum yang

lebih umum dibandingkan dengan yang telah dirumuskan oleh fisikawan yang

lain. Pekerjaan ini merupakan pencapaian terbaik yang dilakukan oleh Dirac

yang menempatkannya lebih tinggi dari fisikawan lain yang pada saat itu sama

sama mengembangkan teori kuantum. Sebagai fisikawan muda yang baru

berusia 25 tahun, dia cepat diterima oleh komunitas fisikawan teoritis pada

masa itu. Dia diundang untuk berbicara di konferensi-konferensi yang

diselenggarakan oleh komunitas fisika teori, termasuk kongres Solvay pada

tahun 1927 dan tergabung sebagai anggota dengan hak-hak yang sama dengan

anggota yang lain yang terdiri dari para pakar fisika ternama dari seluruh

dunia.

Formulasi umum tentang teori kuantum yang dikembangkan oleh Dirac

30

Page 31: Makalah Mekanika Kuantum

memungkinkannya untuk melangkah lebih jauh. Dengan formulasi ini, dia

mampu mengembangkan teori transformasi yang dapat menghubungkan

berbagai formulasi-formulasi yang berbeda dari teori kuantum. Teori

tranformasi menunjukkan bahwa semua formulasi tersebut pada dasarnya

memiliki konsekuensi fisis yang sama, baik dalam persamaan mekanika

gelombang Schrodinger maupun mekanika matriknya Heisenberg. Ini

merupakan pencapaian yang gemilang yang membawa pada pemahaman dan

kegunaan yang lebih luas dari mekanika kuantum. Teori tranformasi ini

merupakan puncak dari pengembangan mekanika kuantum oleh Dirac karena

teori ini menyatukan berbagai versi dari mekanika kuantum, yang juga

memberikan jalan bagi pengembangan mekanika kuantum selanjutnya. Di

kemudian hari rumusan teori transformasi ini menjadi miliknya sebagaimana

tidak ada versi mekanika kuantum yang tidak menyertainya. Bersama dengan

teori transformasi, mekanika kuantum versi Dirac disajikan dalam bentuk yang

sederhana dan indah, dengan struktur yang menunjukkan kepraktisan dan

konsep yang elegan, dan berkaitan erat dengan teori klasik.

Karir cemerlang Dirac sesungguhnya telah tampak ketika dia masih berada di

tingkat sarjana. Pada saat itu Dirac telah menyadari pentingnya teori relatifitas

khusus dalam fisika, suatu teori yang menjadikan Einstein terkenal pada tahun

1905, yang dipelajari Dirac dari kuliah yang dibawakan oleh C D Broad,

seorang profesor filsafat di Universitas Bristol. Sebagian besar makalah yang

dibuat Dirac sebagai mahasiswa paska sarjana ditujukan untuk menyajikan

bentuk baru dari rumusan yang sudah ada dalam literatur menjadi rumusan

yang sesuai (kompatibel) dengan relatifitas khusus. Pada tahun 1927 Dirac

berhasil mengembangkan teori elektron yang memenuhi kondisi yang

disyaratkan oleh teori relatifitas khusus dan mempublikasikan persamaan

relativistik yang invarian untuk elektron pada awal tahun 1928. Sebagian

fisikawan lain sebenarnya memiliki pemikiran yang sama dengan apa yang

dilakukan oleh Dirac, meskipun demikian belum ada yang mampu menemukan

persamaan yang memenuhi seperti apa yang telah dicapai oleh Dirac. Dia

memiliki argumen yang sederhana dan elegan yang didasarkan pada tujuan

31

Page 32: Makalah Mekanika Kuantum

bahwa teori tranformasinya dapat berlaku juga dalam mekanika kuantum

relativistik sebuah argumen yang menspesifikasikan bentuk umum dari yang

harus dimiliki oleh persamaan relativistik ini, sebuah argumen yang menjadi

bagian yang belum terpecahkan bagi semua fisikawan.

Persamaan Dirac merupakan salah satu persamaan fisika yang paling indah.

Profesor Sir Nevill Mott, mantan Direktur Laboratorium Cavendish, baru-baru

ini menulis, persamaan ini bagi saya adalah bagian fisika teori yang paling

indah dan menantang yang pernah saya lihat sepanjang hidup saya, yang hanya

bisa dibandingkan dengan kesimpulan Maxwell bahwa arus perpindahan dan

juga medan elektromagnetik harus ada. Selain itu, persamaan Dirac untuk

elektron membawa implikasi penting bahwa elektron harus mempunyai spin,

dan momen magnetik menjadi benar dengan ketelitian mencapai 0,1%.

Persamaan Dirac dan teori elektronnya masih tetap relevan digunakan sampai

sekarang. Perkiraan yang dibuatnya telah dibuktikan dalam sistem atom dan

molekul. Telah ditunjukkan juga bahwa hal ini berlaku untuk partikel lain yang

memiliki spin yang sama dengan elektron seperti proton, hyperon dan partikel

keluarga baryon lainnya. konsep ini dapat diterapkan secara universal dan

diketahui dengan baik oleh para fisikawan dan kimiawan, sesuatu yang tidak

seorangpun dapat membantahnya. Melihat kenyataan ini, Dirac merasa sudah

waktunya untuk menyatakan, teori umum mekanika kuantum sudah lengkap

sekarang, hukum-hukum fisika yang yang mendasari diperlukannya teori

matematika dari bagian besar fisika dan keseluruhan bagian dari kimia.

Dirac menunjukkan kemudian bahwa persamaannya ini mengandung implikasi

yang tidak diharapkan bagi suatu partikel. Persamaannya memperkirakan

adanya antipartikel, seperti positron dan antiproton yang bermuatan negatif,

yaitu suatu obyek yang saat ini sudah sangat dikenal di laboratorium fisika

energi tinggi. Menurut teorinya, semua partikel memiliki antipartikel yang

tertentu yang terkait dengannya. sebagian besar dari antipartikel ini sekarang

telah dibuktikan keberadaannya. Positron dan antiproton adalah sebagian kecil

dari antipartikel yang sudah sangat dikenal, keduanya dapat berada dalam

32

Page 33: Makalah Mekanika Kuantum

kondisi stabil di ruang hampa, dan saat ini digunakan secara luas dalam

akselerator penumbuk partikel (collider accelerator) yang dengannya fisikawan

mempelajari fenomena yang terjadi dalam fisika energi tinggi. Keindahan dari

persamaan Dirac ini bisa jadi sulit dirasakan oleh orang yang tidak terbiasa

dengan rumus-rumus fisika, tetapi kenyataan ini tidak akan dibantah oleh para

fisikawan. Persamaan Dirac adalah salah satu penemuan besar dalam sejarah

fisika. Dirac memberikan prinsip-prinsip dasar yang memuaskan dalam usaha

untuk memahami alam semesta kita. Melalui penemuannya ini nama Dirac

akan dikenang selamanya sebagai salah satu fisikawan besar. Suatu monumen

telah dibangun untuknya atas jasanya membimbing kita kepada pemahaman

tentang salah satu aspek penting gaya dasar yang terkandung dialam semesta

yang kita diami ini. Nama Dirac akan dimasukkan dalam catatan sejarah fisika

melalui kontribusi yang diberikannya kepada dunia ilmu pengetahuan berupa

dasar-dasar mekanika kuantum dan teori transformasi. Penemuannya

menempatkan Dirac di jajaran papan atas fisikawan teori sepanjang masa.

II.5 Bukti dari Mekanika Kuantum

Mekanika kuantum sangat berguna untuk menjelaskan perilaku atom dan

partikel subatomik seperti proton, neutron dan elektron yang tidak

mematuhi hukum-hukum fisika klasik. Atom biasanya digambarkan sebagai

sebuah sistem di mana elektron (yang bermuatan listrik negatif) beredar

seputar nukleus atom (yang bermuatan listrik positif). Menurut mekanika

kuantum, ketika sebuah elektron berpindah dari tingkat energi yang lebih

tinggi (misalnya dari n=2 atau kulit atom ke-2 ) ke tingkat energi yang lebih

rendah (misalnya n=1 atau kulit atom tingkat ke-1), energi berupa sebuah

partikel cahaya yang disebut foton, dilepaskan. Energi yang dilepaskan

dapat dirumuskan sbb:

keterangan:

33

Page 34: Makalah Mekanika Kuantum

adalah energi (J)

adalah tetapan Planck, (J s ), dan

adalah frekuensi dari cahaya (Hz)

Dalam spektrometer massa, telah dibuktikan bahwa garis-garis spektrum

dari atom yang di-ionisasi tidak kontinyu, hanya pada frekuensi/panjang

gelombang tertentu garis-garis spektrum dapat dilihat. Ini adalah salah satu

bukti dari teori mekanika kuantum.

34

Page 35: Makalah Mekanika Kuantum

III. KESIMPULAN

Berdasarkan pembahasan yang telah disampaikan pada makalah ini maka dapat

ditarik kesimpulan sebagai berikut :

1. 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.

2. Pada tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat

dibagi-bagi menjadi beberapa paket atau kuanta. Ide ini secara khusus

digunakan untuk menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan

oleh benda hitam.

3. Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotoelektrik dengan

menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang

disebut foton.

4. Pada tahun 1913, Niels Bohr menjelaskan garis spektrum dari atom

hidrogen, lagi dengan menggunakan kuantisasi.

5. Pada tahun 1924, Louis de Broglie memberikan teorinya tentang

gelombang benda.

6. Mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925, ketika Werner Karl

Heisenberg mengembangkan mekanika matriks dan Erwin Schrödinger

menemukan mekanika gelombang dan persamaan Schrödinger.

Schrödinger beberapa kali menunjukkan bahwa kedua pendekatan tersebut

sama.

35

Page 36: Makalah Mekanika Kuantum

DAFTAR PUSTAKA

http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1110895619

http://id.wikipedia.org/wiki/Mekanika_kuantum

http://translate.google.co.id/translate?hl=id&langpair=en|id&u=http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_quantum_mechanics

http://tokoh-ilmuwan-penemu.blogspot.com/2009/08/ilmuwan-fisika-teori-dirac.html

http://elektrokita.blogspot.com/2008/10/biografi-albert-einstein.html

http://kolom-biografi.blogspot.com/2010/01/biografi-ernest-rutherford-penemu-model.html

http://kolom-biografi.blogspot.com/2009/02/biografi-werner-heisenberg.html

http://kolom-biografi.blogspot.com/2009/01/biografi-max-planck.html

36