Cahaya — Fisika Modern #1

Sebelum mulai,

1. Setiap nama tokoh biasanya diiringi dengan tahun. Tahun itu menunjukkan waktu tokoh menyampaikan teori atau melakukan eksperimen. Kalian bisa perhatikan kronologisnya
2. Kalau ada yg ingin ditanyakan atau ada yg salah, silakan langsung reply
3. Artikel ini mungkin agak panjang, jadi mohon bersabar dalam membacanya :)

Apa itu cahaya?

Berawal dari sebuah pertanyaan sederhana: apa itu cahaya? Ya, benda (atau bukan?) yang kita lihat setiap hari, setiap saat. Bahkan semua yang kita 'lihat' sebenarnya cahaya. Cahaya membawa informasi dari sekeliling kita, sehingga berperan besar sebagai penghubung pikiran kita dengan dunia luar. Tak heran pertanyaan "apa itu cahaya?" muncul di benak banyak orang selama berabad-abad. Namun tidak mudah untuk menjawabnya.

Pierre Gassendi (1660an) dan Isaac Newton (1675) berpendapat cahaya adalah aliran partikel bernama "corpuscles". Karena merupakan partikel, cahaya akan terpengaruh gravitasi. Laplace bahkan berpendapat jika suatu benda sangat berat, gravitasinya akan menahan cahaya tersebut. Saya sedikit tertawa saat membacanya, namun terkejut saat melihat kalimat setelahnya: benda itu ada, dan kita namakan lubang hitam. Teori partikel memiliki kelemahan yaitu kesulitan menjelaskan peristiwa difraksi yang merupakan karakteristik gelombang.

Robert Hooke (1665) dan Christiaan Huygens (1690) berpendapat cahaya adalah gelombang. Meskipun didukung fakta difraksi, teori gelombang memiliki kelemahan. Jika cahaya adalah gelombang, perlu medium untuk menghantarkan cahaya.

Partikel vs. Gelombang

Sumber: buku Giancoli

Di tahun 1801 (>100 tahun setelah perdebatan), Thomas Young membuat eksperimen yang mengakhiri perdebatan partikel vs. gelombang. Eksperimennya cukup sederhana, cahaya matahari dilewatkan pada dua celah sempit. Sebuah layar (bisa kertas, dinding, atau lainnya) ditempatkan di belakangnya. Menurut logika kita (dan jika cahaya adalah partikel), dua garis terang akan terlihat pada layar. Namun inilah yang dilihat Young:

Sumber curiosity.com

Wow. Selama ini kita tahu cahaya bergerak lurus kan? Terus, lalu, kenapa malah hasilnya seperti itu? Hasil ini dapat dijelaskan oleh dua fenomena: difraksi dan interferensi, yg keduanya merupakan karakteristik dari gelombang. Hal ini mematahkan teori partikel dan teori buku anak SD yg mengatakan cahaya bergerak lurus.

Cahaya sebagai gelombang

Difraksi adalah peristiwa belok/melengkungnya gelombang ketika melewati ujung dari rintangan. Ilustrasinya dapat dilihat pada gelombang air di dua video ini.

Mengapa gelombang berbuat demikian, dapat dijelaskan oleh Prinsip Huygens. Muka gelombang (wavefront) adalah garis pada gelombang yang memiliki tinggi sama. Misalnya saat menjatuhkan batu di air, terlihat lingkaran-lingkaran yg membesar menjauhi tempat jatuh batu. Lingkaran-lingkaran ini (yg merupakan puncak/lembah gelombang) adalah muka gelombang. Huygens berpendapat setiap titik di sepanjang muka gelombang dapat dianggap sebagai sumber gelombang baru. Muka gelombang berikutnya merupakan gelombang-gelombang yang dihasilkan sumber baru tadi yang dihubungkan membentuk garis/kurva.

Ketika gelombang menemui penghalang, ujung gelombang yg tidak kena penghalang seolah menjadi sumber gelombang, yang menyebarkan gelombang ke belakang penghalang (yg seharusnya tidak ada gelombang di sana). Bagaimana bila dibuat penghalang dengan celah yg sempit? Celah itu menjadi seperti sumber gelombang baru, seperti menjatuhkan batu di celah itu

Sumber: buku Giancoli

Apakah cahaya menunjukkan difraksi? Ya. Contohnya, ketika cahaya dihalangi piringan, muncul bayangan, dan di tengah bayangan tersebut terlihat bintik terang. Padahal tidak ada lubang di piringan. Contoh lainnya adalah pinggir bayangan yg tidak tajam.

Sumber: medium.com

Fenomena lain dari eksperimen Young adalah interferensi. Dalam kata sehari-hari, interferensi artinya ketika suatu urusan/acara diganggu, dan gangguan itu "ikut campur" sehingga memengaruhi urusan/acara tersebut. Di fisika, yg diganggu adalah gelombang, dan yang mengganggu juga gelombang. Interferensi terjadi ketika dua atau lebih gelombang bertemu. Berbeda jika partikel bertemu (bertumbuk) yang dapat kalian lihat di meja biliar atau saat tabrakan mobil, gelombang jalan biasa saja tanpa ada pemantulan, percepatan, perlambatan. Tetapi gelombang akan mengalami penguatan dan pelemahan.

'Kuat' gelombang (tinggi air pd gelombang air, volume pd gelombang bunyi, terang/kecerahan pd gelombang cahaya) satu dijumlahkan dengan 'kuat' gelombang yg satunya, menghasilkan 'kuat'-gelombang baru. Ketika puncak gelombang bertemu puncak gelombang, akan dihasilkan puncak gelombang yg sangat besar. Begitu pula saat lembah bertemu lembah, dihasilkan lembah gelombang yg sangat besar. Ini dinamakan interferensi maksimum. Jika puncak gelombang bertemu lembah gelombang, keduanya saling menghilangkan. Jika puncak dan lembah sama kuat, di sana seperti tidak ada gelombang (datar pada gelombang air, hening pada bunyi, dan gelap pada cahaya). Ini disebut interferensi minimum. Ilustrasinya dapat kalian lihat di dua video berikut.

Jadi pada eksperimen Young, ada dua fenomena. Ketika cahaya melewati dua celah, terjadi difraksi. Dua celah tersebut seolah menjadi dua sumber gelombang baru. Ketika gelombang dari kedua celah bertemu, terjadi interferensi. Terjadi interferensi maksimum dan minimum, yg diinterpretasikan sebagai terang dan gelap. Interferensi terang-gelap ini berpola, pola ini yg dilihat pada layar. Eksperimen Young ini dikenal sebagai "interferensi Young" atau "interferensi celah ganda".

Medium?

Yey, jadi cahaya itu gelombang. Masalah selesai? Tentu saja tidak. Seperti yang kalian tahu, gelombang adalah getaran yang menjalar (merambat, berpindah tempat). Sedangkan getaran adalah gerak bolak-balik. Pada gelombang air, yang bergerak bolak-balik adalah air. Pada gelombang tali, yg bergerak bolak-balik ialah tali. Pada gelombang bunyi, yg bergerak bolak-balik adalah molekul udara. Nah pada gelombang cahaya, apa yang bergerak bolak-balik?

Yang lebih aneh lagi, cahaya matahari untuk sampai ke bumi harus melalui ruang hampa. Artinya cahaya bisa melalui ruang hampa. Kalau ruang itu hampa, kosong, gak ada apa-apa, terus apa yang bergerak bolak-balik? Apa yang bergetar? (Tempat gelombang bergetar/merambat juga dikenal dengan istilah "medium")

Untuk menjawab persoalan ini, para ilmuwan, salah satunya Huygens (1690, 100 tahun sebelum interferensi Young), membuat hipotesis adanya medium tempat cahaya merambat, yang dinamakan Ether (luminiferous ether, atau aether)*. Ether ini elastis, tidak terlihat, sulit dideteksi, dan tidak berinteraksi dengan apa pun. Ether mengisi seluruh ruang, termasuk ruang hampa. Ether berguna dalam menjelaskan berbagai fenomena fisika, seperti kemagnetan, gaya gravitasi, dan tentunya transmisi cahaya. Newton agak ragu dengan teori Ether ini, karena akan 'mengganggu' gerak planet dan benda langit lainnya. Karena itu dia lebih mendukung cahaya sebagai partikel. Para pendukung teori Ether berpendapat ether sangat halus dan kecil sehingga tidak memengaruhi gerak benda langit.

*)Merasa tidak asing dengan ini? Ya ini pendekatan yang sama yang dilakukan ilmuwan sekarang untuk menjelaskan galaksi dan pertumbuhan alam semesta dengan membuat hipotesis adanya dark matter dan dark energy

Thomas Young dan Augustin-Jean Fresnel (1800-an) berpendapat bahwa cahaya adalah gelombang transversal, berbeda dengan pendapat Huygens dan Newton sebelumnya yg mengatakan cahaya adalah gelombang longitudinal. Pendapat ini dapat menjelaskan fenomena birefringence, yaitu perubahan indeks bias cahaya yang bergantung pada arah polarisasi (cari di Google ya polarisasi itu apa). Ether harus lebih kaku (rigid) untuk dapat merambatkan gelombang transversal dibanding longitudinal, sehingga mungkin bentuknya padat, bukan gas atau fluida. George Gabriel Stokes mengembangkan model dengan Ether kaku pada frekuensi tinggi dan seperti fluida pada kecepatan rendah, sehingga bumi (dan benda langit) dapat menembus dengan mudah tetapi cukup padat untuk merambatkan cahaya.

Lama-kelamaan, setelah berbagai eksperimen dan teori, ether ini banyak maunya. Ia harus fluida yang mengisi ruang, tetapi kaku untuk bisa menopang cahaya frekuensi tinggi, tidak bermassa, transparan, tidak berinteraksi dengan apa pun. Tetapi se-absurd apa pun suatu teori, akan jadi benar jika satu hal: eksperimen bilang "ya". Eksperimen untuk mendeteksi ether pun dilakukan.

Saat duduk, kita merasa diam, padahal kita sedang berputar mengelilingi sumbu rotasi bumi. Bumi sendiri tidak diam, tetapi bergerak mengelilingi matahari. Matahari juga mengelilingi pusat galaksi, dan galaksi pun kemungkinan tidak diam. Di alam semesta ini tidak ada yang 'diam', semuanya selalu bergerak. Maka hampir dipastikan kita bergerak relatif terhadap ether.

Jika suatu gelombang bergerak searah dengan arah mediumnya, gelombang akan ikut 'terbawa' medium, sehingga bergerak lebih cepat. Sebaliknya, jika arah gelombang berkebalikan dengan arah gerak medium, gelombang bergerak lebih lambat. (Ini dapat kalian coba saat naik motor berboncengan dengan kecepatan agak tinggi. Saat sang supir ngomong, arah suara searah dengan arah angin, sedangkan saat yg dibonceng yg ngomong, arah suara berlawanan dengan arah angin) Hal ini juga akan terjadi pada cahaya dan mediumnya, ether.

Albert A. Michelson dan Edward W. Morley (1887) mencoba mengukur perbedaan laju cahaya saat bergerak searah, berlawanan, atau tegak lurus dengan arah gerak ether. Penjelasan tentang percobaan ini dapat kalian lihat di video berikut

Dua video di atas berisi rangkuman bahasan tentang ether

Video ini berisi tentang eksperimennya

Keduanya tidak melihat ada perbedaan laju cahaya. Mereka mencobanya selama sepanjang tahun. Ilmuwan lain mencobanya dengan alat yang lebih akurat. Hasilnya nihil. Ini menjadi petunjuk awal, bahwa ether itu mungkin tidak ada. Namun teori ether sudah mengakar kuat, sehingga ilmuwan memberikan penjelasan mengapa ether tidak terdeteksi, membuat teori baru, bahkan menggunakan teori relativitas (length contraction, ini akan kita temui di bagian relativitas) untuk menjelaskan kegagalan percobaan ini. Meskipun demikian, Percobaan Michelson-Morley ini menjadi titik awal kejatuhan teori ether. Percobaan ini dikenal sebagai eksperimen 'gagal' yang paling terkenal.

Kecepatan cahaya

Pertanyaan lain yang muncul ialah seberapa cepat cahaya? Apakah kecepatannya tak hingga (infinite)? Kalian mungkin sudah mendapat spoiler: sedikit kurang dari 3 × 10⁸ m/s atau 300.000 km/s. Tapi bagaimana orang zaman dahulu tau? Setiap kali kita menekan saklar lampu, seketika itu juga seluruh ruang terang, tidak secara bertahap kan? Saat menyalakan senter atau lampu mobil, benda yang disorot langsung terlihat dan kita tidak melihat ada 'berkas' cahaya yang bergerak dari lampu ke benda. Bandingkan jarak yg ditempuh cahaya dalam satu detik (300.000 km) dengan panjang pulau Jawa ~1000 km, diameter bumi ~6000 km, keliling bumi ~40.000 km. Yah bagaimana menyinari ruangan, kalau kita sorot cahaya, cahaya itu bisa mengelilingi bumi hanya dalam waktu 0,13 detik! Saat itu belum ada alat ukur secanggih sekarang. Mengukur cahaya pada zaman itu bukan perkara mudah.

Galileo Galilei (1638) mencoba mengukur waktu yg dibutuhkan cahaya untuk menempuh jarak di antara dua bukit. Hasilnya sangat cepat, hingga berpikir itu sebagai kecepatan reaksi manusia. Ia berkesimpulan, jika kecepatan cahaya tak terhingga, kecepatan cahaya sangat sangat cepat.

Percobaan kedua dilakukan Ole Roemer (1676) dengan mengamati tempat benda-benda berjauhan, lebih jauh dari 300.000 km: luar angkasa. Melalui teleskopnya, ia mengamati waktu transit (gerhana) dari Jupiter dan salah satu bulannya, Io. Terdapat perbedaan ketika dia mengulangi percobaannya di tanggal yang berbeda. Waktu gerhana lebih singkat ketika Bumi sedang mendekati Jupiter dibanding ketika Bumi menjauhi Jupiter. Roemer yakin periode orbit Io konstan (tidak berubah), sehingga ia berpendapat ketika Bumi menjauhi Jupiter, cahaya dari Io menempuh jarak lebih panjang, sehingga waktu tempuhnya lebih lama. Begitu juga sebaliknya saat Bumi mendekati Jupiter. Ini merupakan bukti pertama bahwa kecepatan cahaya berhingga, tidak infinite. Setelah melakukan perhitungan, Roemer mendapati cahaya membutuhkan waktu 22 menit untuk menempuh diameter orbit Bumi. Huygens meneruskan perhitungan dengan memperkirakan diameter orbit bumi, dan didapat kecepatan cahaya 220.000 km/s.

Newton senang mendengar kabar ini dan bertanya pada Roemer apakah bayangan gerhana terlihat berwarna. Karena tidak, Newton berkesimpulan warna yang berbeda memiliki kecepatan yang sama. Setelah itu banyak orang mencoba mengukur kecepatan cahaya menggunakan cermin yg berputar, seperti Hippolyte Fizeau dan Albert A. Michelson, hingga didapat kecepatan cahaya sekitar 299.000 km/s, tak jauh dengan angka sekarang.

Pada awal abad ke-19, terdapat dua satuan muatan: yang berkaitan dengan listrik statis dan yang berkaitan dengan magnet. Wilhelm Eduard Weber dan Rudolf Kohlrausch (1856) mencoba menghitung rasio dari kedua satuan tersebut, didapat besaran bersatuan kecepatan dengan angka persis sama dengan kecepatan cahaya. Saat itu para ilmuwan menganggapnya sebagai kebetulan yang luar biasa, dan tidak dapat menerangkan alasannya.

Persamaan Maxwell

Pertanyaan tentang Ether dan kecepatan cahaya mulai jelas ketika James Clerk Maxwell (1860-an) merumuskan 4 persamaan Maxwell yang berkaitan dengan listrik-magnet (elektromagnet). Sebenarnya Maxwell yang mengumpulkan hukum-hukum yang telah dibuat sebelumnya (Hukum Gauss, Faraday, dan Ampere yang telah direvisi). Berikut 4 persamaan Maxwell yang kalian lihat di buku teks dan slide dosen:

Sumber: buku University Physics

Dan ini lah persamaan Maxwell ketika mencarinya di Google:

Sumber: powerelectronictips.com

(Ini gak tau kenapa jadi begini, kalau penasaran silakan cari referensi lebih lanjut)

Terlihat rumit (apalagi yang kedua, ada vektor gradien dikali cross), tetapi intinya,

1. Muatan listrik (positif/negatif) menghasilkan medan listrik
2. Kutub magnet (utara/selatan) menghasilkan medan magnet, tetapi berbeda dengan muatan listrik, kedua kutub magnet selalu bersama dan tidak dapat dipisahkan (dipol; Inilah mengapa saat memotong magnet, kita mendapat dua magnet baru, bukan satu magnet U dan satu magnet S)
3. Perubahan medan magnet (yang melewati suatu bidang; fluks) menghasilkan medan listrik
4. Arus listrik dan perubahan medan listrik (yang melewati suatu bidang; fluks) menghasilkan medan magnet

Cara membaca persamaannya, ruas kanan menyebabkan ruas kiri. Empat persamaan tersebut dirangkum dari (1) Hukum Gauss, (2) Hukum Gauss untuk magnet, (3) Hukum Faraday, dan (4) Hukum Ampere dengan revisi. Dari keempat persamaan ini, Maxwell menemukan pola (kesimetrian) yang menghubungkan dunia listrik dan magnet yang selama ini dianggap sesuatu yang terpisah. (Pernahkah kalian berpikir mengapa materi listrik dan magnet di sekolah selalu berurutan? Pernahkah kalian mendengar istilah 'elektromagnetik' dan berpikir, apa hubungannya listrik di kabel dengan magnet di kompas? Karena itulah yang saya pikirkan hingga mendapat jawabannya saat kuliah.) Keduanya, listrik dan magnet, memiliki karakteristik yang mirip, persamaan yang mirip, mulai dari Hukum Coulomb mirip Hk. Biot-Savart, Hk. Gauss mirip Hk. Ampere, ada ε dan μ. Dan kedua dunia itu dihubungkan dengan Hukum Faraday dan Ampere, yang dirangkum dalam persamaan Maxwell.

Persamaan Maxwell berhasil merangkum semua hubungan di listrik dan magnet. Kalian bisa menurunkan Hukum Coulomb (F = kqq/r²) dan Hukum Biot-Savart (persamaannya ribet) dari Persamaan Maxwell. Persamaan Maxwell ini sangat mendasar (fundamental) bagi fisika, hingga menyamai tiga Hukum Newton. Newton menjelaskan gerak, Maxwell menjelaskan listrik-magnet. Bahkan Persamaan Maxwell lebih fundamental dari Hukum Newton, karena Hukum Newton harus runtuh terhadap teori relativitas (salah satu pilar fisika modern, yg sedang kita bahas), sedangkan Persamaan Maxwell justru jadi pemicu munculnya teori relativitas.

Gelombang Elektromagnetik

Lewat persamaannya, Maxwell juga memprediksi adanya gelombang dari medan listrik dan magnet. Poin 3 menjelaskan perubahan medan magnet menghasilkan medan listrik. Poin 4 menyebutkan perubahan medan listrik menghasilkan medan magnet. Lihat simetrinya? Jika kita buat medan listrik yang berubah-ubah, akan timbul medan magnet. Jika kita atur medan listriknya sedemikian rupa, medan magnet yang timbul bisa berubah-ubah. Medan magnet yang berubah ini akan menghasilkan medan listrik yang berubah juga, yang akan menghasilkan medan magnet yang berubah, dan seterusnya. Pada akhirnya terbentuk gelombang yang terdiri dari medan listrik yang berubah-ubah dan medan magnet yang juga berubah-ubah.

Misal kita memiliki batang yang ditengah-tengahnya ada generator arus searah (baterai misalnya). Muncul arus pada batang yang menghasilkan medan listrik dan medan magnet. Kedua medan ini tidak muncul serentak di seluruh wilayah, tetapi bertahap dari yang dekat batang dulu, kemudian yang jauh. Medan ini membutuhkan waktu untuk sampai tempat tertentu, yang artinya medan ini memiliki kecepatan menjalar, yang besarnya berhingga. Sekarang generatornya diganti dengan arus bolak-balik. Muatan yang bergerak dan arus yang berubah menyebabkan medan listrik dan medan magnet yang berubah-ubah. Karena kecepatan menjalar medan tidak infinite, terbentuk medan berbeda-beda di seluruh ruang, dan berubah-ubah seiring waktu. Perubahan medan magnet dan medan listrik yang menjauhi sumber ini yang kita sebut gelombang elektromagnetik.

Pada gelombang ini, arah medan listrik, medan magnet, dan arah rambatan saling tegak lurus, sehingga gelombang elektromagnetik termasuk gelombang transversal. Melalui persamaan Maxwell, dapat dihitung kecepatan menjalarnya, yaitu

v = 1/√(ε0 μ0) = ~3 × 10⁸ m/s

dengan ε0 permitivitas ruang hampa dan μ0 permeabilitas ruang hampa. Perhatikan, persamaan ini hanya mengandung konstanta, dan kedua konstanta hanya berbeda untuk bahan yg berbeda. Artinya kecepatan gelombang elektromagnetik berbeda-beda untuk tiap bahan (medium), tetapi bila melalui bahan yang sama, kecepatannya akan selalu konstan, tidak peduli kuatnya medan, kecepatan sumber, frekuensinya, dll. (untuk ruang hampa, selalu ~3 × 10⁸ m/s). Hanya bergantung pada dua konstanta itu. Karena gelombang ini hanyalah medan listrik dan magnet, dan kedua medan tidak perlu apa-apa untuk tetap ada, gelombang elektromagnetik tidak perlu apa-apa (medium) untuk merambat. Bila pada gelombang tali yg bergetar tali, pada gelombang bunyi yg bergetar udara, pada gelombang elektromagnetik yang bergetar ialah medan listrik dan magnet.

Sebentar sebentar, tadi kita bahas tentang cahaya kenapa jadi ngomongin listrik-magnet? (Ah kalian pasti udah tau spoilernya) Michael Faraday (1845, sebelum persamaan Maxwell) mendapati cahaya yang terpolarisasi (ini kalian cari sendiri ya artinya apa) jika melewati medan magnet, sumbu polarisasinya akan berputar. Ini adalah petunjuk awal cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Kesamaan kecepatan gelombang elektromagnetik menurut persamaan Maxwell dengan kecepatan cahaya menurut pengamatan menjadi petunjuk kedua. Heinrich Hertz (1887) mencoba membuat gelombang elektromagnetik dengan menggerakkan muatan secara bolak-balik dalam waktu singkat. Gelombang yang dihasilkan berfrekuensi 10⁹ Hz, dan menunjukkan karakteristik cahaya, seperti pemantulan, pembiasan, interferensi, dan polarisasi. Gelombang ini juga berkecepatan sama dengan cahaya. Satu-satunya yang berbeda ialah gelombang elektromagnetik ini tak terlihat. Ternyata gelombang yg dibuat Hertz ialah gelombang radio yang tidak dapat kita lihat. Dengan demikian, terbukti cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Dengan terbuktinya cahaya sebagai gelombang elektromagnetik, cahaya tidak memerlukan medium untuk merambat (lihat 2 paragraf sebelum ini). Dengan begitu teori ether tidak diperlukan lagi, terlebih tidak ada eksperimen yang membuktikan keberadaannya. Namun teori ether sudah mengakar kuat, sehingga masih dipercaya sejumlah ilmuwan. Teori ini baru runtuh setelah munculnya teori relativitas khusus.

Sebagai penutup, berikut video yang merangkum bahasan kita dan sebagai teaser bagi bagian selanjutnya

Nah demikian pembahasan tentang cahaya. Kesimpulannya, cahaya adalah gelombang berupa gelombang elektromagnetik, yang berkecepatan sedikit lebih kecil dari 3 × 10⁸ m/s.

Terima kasih telah membaca!

Referensi:

• Wikipedia
• Youtube (Veritasium, Khan Academy)
• Giancoli. 2014. Fisika Edisi Kelima Jilid 2. Jakarta: Erlangga*
• Young, Freedman. 2016. University Physics 14th Edition. London: Pearson

*)Serius ini buku bagus bgt, walaupun berbasis aljabar, bukan kalkulus, tapi ngejelasin konsep secara jelas dan gak 'mainan' rumus aja. Sangat recommended buat yg mau TPB atau yg masih SMA

Cari tahu bagaimana si biang kerok cahaya mengubah dunia (fisika) lewat dua karakteristiknya di bagian 2 (Relativitas) dan bagian 3 (Mekanika Kuantum)