TEORI CAHAYA

10 Teori Cahaya : 1. AL-KINDI Seorang Ilmuwan Muslim yang mencurahkan pikirannya untuk mengkaji ilmu optik adalah Al-Kindi (801 M - 873 M). Hasil kerja kerasnya mampu menghasilkan pemahaman baru tentang refleksi cahaya serta prinsip-prinsip persepsi visual. Buah pikir Al-Kindi tentang optik terekam dalam kitab berjudul “De Radiis Stellarum”. Buku yang ditulisnya itu sangat berpengaruh bagi sarjana Barat seperti Robert Grosseteste dan Roger Bacon. Tak heran, bila teori-teori yang dicetuskan Al-Kindi tentang ilmu optik telah menjadi hukum-hukum perspektif di era Renaisans Eropa. Secara lugas, Al-Kindi menolak konsep tentang penglihatan yang dilontarkan Aristoteles. Dalam pandangan ilmuwan Yunani itu, penglihatan merupakan bentuk yang diterima mata dari obyek yang sedang dilihat. Namun, menurut Al-Kindi, penglihatan justru ditimbulkan daya pencahayaan yang berjalan dari mata ke obyek dalam bentuk kerucut radiasi yang padat. 2. TEORI PARTIKEL/ZARAH Sir Isaac Newton (1642-1727) merupakan ilmuwan berkebangsaan Inggris yang mengemukakan pendapat bahwa, “Dari sumber cahaya dipancarkan partikel-partikel yang sangat kecil dan ringan ke segala arah dengan kecepatan yang sangat besar. Bila partikel-partikel ini mengenai mata, maka manusia akan mendapat kesan melihat benda tersebut.” Alasan dikemukakanya teori ini adalah sebagai berikut: • Karena partikel cahaya sangat ringan dan berkecepatan tinggi maka cahaya dapat merambat lurus tanpa terpengaruh gaya gravitasi bumi. • Ketika cahaya mengenai permukaan yang halus maka cahaya akan akan dipantulkan dengan sudut sinar datang sama dengan sudut sinar pantul sehingga sesuai dengan hukum pemantulan Snellius. Peristiwa pemantulan ini dijelaskan oleh Newton dengan menggunakan bantuan sebuah bola yang dipantulkan di atas bidang pantul. • Alasan berikutnya adalah pada peristiwa pembiasan cahaya yang disamakan dengan peristiwa menggelindingnya sebuah bola pada papan yang berbeda ketinggian yang dihubungkan dengan sebuah bidang miring. Dari permukaan yang lebih tinggi bola digelindingkan dan akan terus menggelinding melalui bidang miring sampai akhirnya bola akan menggelinding di permukaan yang lebih rendah. Jika diamati perjalanan bola, maka sebelum melewati bidang miring lintasan bola akan membentuk sudut α terhadap garis tegak lurus pada bidang miring. Setelah melewati bidang miring lintasan bola akan membentuk sudut β terhadap garis tegak lurus pada bidang miring. Jika permukaan atas dianggap sebagai udara dan permukaan bawah dianggap sebagai air serta bidang miring merupakan batas antara udara dan air, gerak bola dianggap sebagai jalannya pembiasan cahaya dari udara ke air, maka Newton menganggap bahwa kecepatan cahaya dalam air lebih besar dari pada kecepatan cahaya dalam udara. Pendapat ini masih bertahan hingga akhirnya seorang ahli fisika Prancis, Jean Focault (1819 - 1868) melakukan percobaan tentang pengukuran kecepatan cahaya dalam berbagai medium. Dalam percobaannya Jeans Focault mendapatkan kesimpulan bahwa kecepatan cahaya dalam air lebih kecil dari pada kecepatan cahaya dalam udara. 3. TEORI KUANTUM Adalah Max Planck (1858-1947), ilmuwan fisika teori Jerman, yang mencetuskan gagasan awal tentang teori kuantum. Ini lahir dari upayanya untuk menjelaskan teka-teki fisika yang berkaitan dengan pancaran tenaga (energi) gelombang elektromagnet oleh benda (hitam) panas. Pemecahannya ia temukan pada 1901 dengan anggapan bahwa “tenaga gelombang elektromagnet dipancarkan dan diserap bahan dalam bentuk catu-catu tenaga (diskrit) yang sebanding dengan frekuensi gelombang elektromagnet”. Catu tenaga ini disebutnya kuanta (latin: sekian banyak: kuantum, bentuk tunggalnya). Dengan demikian, tahun 1901 dicatat sebagai awal bergilirnya bola teori kuantum. Namun, para fisikawan seangkatannya memandang gagasan Planck ini tidak mempunyai makna fisika yang jauh melainkan sekadar sebagai suatu kiat matematika belaka. Empat tahun kemudian, pemuda Albert Einstein (1879-1955) mencatat dirinya sebagai orang pertama yang menerapkan gagasan Planck lebih jauh dalam fisika. Salah satunya, berkaitan dengan “efek fotolistrik”, yaitu teka-teki terbebaskannya elektron-elektron dari permukaan logam bila disinari cahaya (gelombang elektromagnet). Penjelasannya, karena elektron-elektron itu ditumbuk dan ditendang keluar oleh kuanta-kuanta cahaya yang berperilaku sebagai partikel (zarah). Kuanta cahaya ini disebut Einstein, foton. Dengan demikian, cahaya (gelombang elektromagnet) yang mulanya dipandang sebagai gelombang, kini diperlakukan pula sebagai partikel oleh Einstein. Bahwa foton menumbuk elektron, seperti halnya tumbukan dua bola bilyard, kemudian dibuktikan dengan percobaan oleh Arthur H. Compton (1892-1962) dari Amerika Serikat pada 1923, yang mengabadikan namanya dengan peristiwa itu. Gelombang partikel 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. 4. TEORI GELOMBANG ROBERT HOOKE Tidak berlebihan bila kita menyebutkan bahwa Ilmu Kekuatan Material (Strength of Material), dibangun di atas hukum Hooke. Oleh karenanya nama Robert Hooke sangat familiar bagi siapa saja yang menggeluti dunia mekanika material. Hukum Hooke itu berbunyi,perubahan panjang suatu benda berbanding lurus dengan beban yang diterimanya. Material yang memenuhi syarat ini terkenal dengan namaHookean Material.Sedangkan yang tidak, seperti karet dan sebagian besar polimer yang superelastis, disebut Non-Hookean Material. Hooke adalah seorang genius yang memiliki keahlian di banyak bidang, antara lain biologi, arsitektur, filsafat, mekanika, bahkan astronomi. Tapi sayang Robert Hooke tidak mendapatkan penghargaan yang setimpal dengan karyanya dari sejarah. Salah satu penyebabnya adalah, dia menjadi rival berat Isaac Newton dan menjadi salah satu penentang sengit teori-teori Newton. Pada akhirnya sejarah lebih berpihak kepada Newton, dan menenggelamkan nama Robert Hooke. Lahir tahun 1635, di Pulau White, dekat kota Portsmouth Inggris bagian selatan. Putera kedua seorang asisten gereja. Setelah lulus dari Oxford University, Hooke memulai karirnya sebagai peneliti dengan menjadi asisten Professor Robert Boyle (perumus hukum termodinamika Boyle). Setelah itu Hooke menjadi sekjen Asosiasi Peneliti London (New Royal Society) yang didirikan oleh ratu Inggris. Pada tahun 1672, Newton yang baru saja menjadi anggota asosiasi tersebut mengeluarkan teorinya bahwa cahaya terdiri dari partikel (corpuscular theory). Terhadap hipotesa ini Hooke menentang dengan sangat sengit dan menguatkan teori bahwa, “cahaya adalah gelombang (wave theory).. Pada sains modern akhirnya terbukti bahwa cahaya memiliki dualisme antara sifat partikel dan gelombang.” Pada tahun 1687, Newton menulis buku fenomenalnya The Principiadan di dalamnya ada hukum mengenai gravitasi universal, yang besarnya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara dua benda. Hukum ini bisa menjelaskan postulat-postulat sebelumnya dari Kepler dan lainnya. Hooke mengklaim bahwa ide besar tersebut berasal darinya dan Newton mengambilnya dari korespondensi mereka berdua. Setelah Hooke meninggal tahun 1703, Newton terpilih menjadi presiden Royal Society. Diceritakan bahwa ketika gedung Royal Society dipindah, Newton melenyapkan semua gambar dan paper Hooke yang ada di dalam gedung lama. Karena itu Hooke terkadang disebut sebagai, “Manusia Yang Dihapus Oleh Newton”. Mungkin karena temperamennya yang dikenal tidak stabil, Hooke meski menyandang julukan Da Vinci abad ke-17 tidak mendapat popularitas yang selevel dengan karya-karyanya. 5. TEORI EUCLID DAN PTOLEMY Teori tentang penglihatan dicetuskan oleh Ptolomeus dan Euclid. Menurut mereka, “ penglihatan dihasilkan oleh pancaran cahaya dari mata.” Namun, teori ini tidak bisa memberikan penjelasan yang masuk akal. Teori ini juga tidak bisa menjelaskan mengapa ukuran objek bergantung dari jarak objek dengan orang yang melihatnya. 6. TEORI ELEKTROMAGNETIK FARADAY Pada 1845 Faraday menemukan bahwa sudut polarisasi dari sebuah sinar cahaya ketika sinar tersebut masuk melewati material pemolarisasi dapat diubah dengan medan magnet.Ini adalah bukti pertama kalau cahaya berhubungan dengan Elektromagnetisme. Faraday mengusulkan pada tahun 1847 bahwa cahaya adalah getaran elektromagnetik berfrekuensi tinggi yang dapat bertahan walaupun tidak ada medium. Teori ini diusulkan oleh James Clerk Maxwell pada akhir abad ke-19, menyebut bahwa gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet sehingga tidak memerlukan medium untuk merambat. Pada permukaannya dianggap gelombang cahaya disebarkan melalui kerangka acuan yang tertentu, seperti aether, tetapi teori relativitas khususmenggantikan anggapan ini. Teori elektromagnet menunjukkan yang sinar kasat mata adalah sebagian daripada spektrum elektromagnet. Teknologi penghantaran radio diciptakan berdasarkan teori ini dan masih digunakan. Kecepatan cahaya yang konstan berdasarkan persamaan Maxwell berlawanan dengan hukum-hukum mekanis gerakan yang telah bertahan sejak zaman Galileo, yang menyatakan bahwa segala macam laju adalah relatif terhadap laju sang pengamat. Pemecahan terhadap kontradiksi ini kelak akan ditemukan olehAlbert Einstein. 7. TEORI DUALITAS PARTIKEL GELOMBANG Teori ini menggabungkan tiga teori yang sebelumnya, dan menyatakan bahwa cahaya adalah partikel dan gelombang. Ini adalah teori modern yang menjelaskan sifat-sifat cahaya, dan bahkan sifat-sifat partikel secara umum. Teori ini pertama kali dijelaskan olehAlbert Einstein pada awal abad 20, berdasarkan dari karya tulisnya tentang efek fotolistrik, dan hasil penelitian Planck. Einstein menunjukkan bahwa energi sebuah foton sebanding dengan frekuensinya. Lebih umum lagi, teori tersebut menjelaskan bahwa, semua benda mempunyai sifat partikel dan gelombang, dan berbagai macam eksperimen dapat di lakukan untuk membuktikannya. Sifat partikel dapat lebih mudah dilihat apabila sebuah objek mempunyai massa yang besar. Pada pada tahun 1924 eksperimen oleh Louis de Brogliemenunjukanelektron juga mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang. Einstein mendapatkan penghargaan Nobel pada tahun 1921 atas karyanya tentang dualitas partikel-gelombang pada foton, dan de Broglie mengikuti jejaknya pada tahun 1929 untuk partikel-partikel yang lain. 8. TEORI ABAD KE 10 Ilmuwan Abu Ali Hasan Ibn Al-Haitham (965–sekitar 1040), dikenal juga sebagai Alhazen, mengembangkan teori yang menjelaskan penglihatan, menggunakan geometri dan anatomi. Teori itu menyatakan bahwa, “setiap titik pada daerah yang tersinari cahaya, mengeluarkan sinar cahaya ke segala arah, namun hanya satu sinar dari setiap titik yang masuk ke mata secara tegak lurus yang dapat dilihat. “ Cahaya lain yang mengenai mata tidak secara tegak lurus tidak dapat dilihat. Dia menggunakan kamera lubang jarum sebagai contoh, yang menampilkan sebuah citra terbalik. Alhazen menganggap bahwa sinar cahaya adalah kumpulan partikel kecil yang bergerak pada kecepatan tertentu. 9. TEORI GELOMBANG/RAY Teori gelombang berjalan merupakan suatu model matematika yangpenting di dalam ilmu fisika. Banyak fenomena alamyang nampaknyatidaksaling berkaitandapat diterangkanmenggunakan solusi persamaan gelombang, yakni persamaan dasar teori gelombang. Teorigelombang adalah satu bagian yang fundamentaldari teori kuantum modern dan solusi-solusipersamaan gelombang digunakan untuk menjelaskan sejumlah gejala-gejala klasik.Pemahaman yang baik mengenaiteori gelombang dikembangkandalam konsep cahaya akanmembantu di dalam memahami gejala phisik yang berbeda-beda seperti gelombang padapermukaan air, getaran pada dawai dan pegas, dan gelombang seismic. Persaman matematika yang biasa digunakan dalam teori gelombang adalah persamaan diferensial orde kedua dan persamaan diferensial parsial. Christian Huygens (1629-1695) mengembangkan teori gelombang cahaya . tahun 1678. Isaac Newton (1642-1727) mengusulkan satu teori berdasarkan pada partikel dari cahaya tampak.Ilmuwan newton memicu perselisihan pendapat dari beberapa ilmuwansepanjang abad 18th, sebagai contoh Leonard Euler (1707-1783) dan Benyamin Franklin(1706-1790), menerima teori gelombang dan menolak teori partikel dari Newton. Pada tahun1801 Thomas Young (1773-1829) dan pada tahun 1814 Augustin Jean Fresnel (1788-1827)melakukan percobaan-percobaanuntuk menunjukkan difraksi dan interferens cahaya danmemberikan penjelasan teoritis dari percobaan-percobaan melalui penggunaan teori gelombang. Fresnel bisa menjelaskan perambatan lurus menggunakan teori gelombang, dengan demikian dia dapat menjelaskan dari kelemahan utama Newton tentang teori gelombang. Teori gelombang ini menyatakan bahwa, “gelombang cahaya akan berinterferensi dengan gelombang cahaya yang lain seperti gelombang bunyi (seperti yang disebut oleh Thomas Youngpada kurun ke-18), dan cahaya dapat dipolarisasikan.” Kelemahan teori ini adalah gelombang cahaya seperti gelombang bunyi, memerlukan medium untuk dihantar. Suatu hipotesis yang disebutluminiferous aether telah diusulkan, tetapi hipotesis itu tidak disetujui. 10. TEORI ELEKTROMAGNETIK MAX WELL Percobaan James Clerk Maxwell (1831 - 1879) seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris (Scotlandia) menyatakan bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya yaitu 3×108 m/s, oleh karena itu Maxwell berkesimpulan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Kesimpulan Maxwell ini di dukung oleh: Seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman, Heinrich Rudolph Hertz (1857 - 1894) yang membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik merupakan gelombang tranversal. Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa cahaya dapat menunjukkan gejala polarisasi. Percobaan seorang ilmuwan berkebangsaan Belanda, Peter Zeeman (1852 - 1943) yang menyatakan bahwa medan magnet yang sangat kuat dapat berpengaruh terhadap berkas cahaya.