Cahaya: Partikel Atau Gelombang ?

gambar sinar matahari melalui lubang Rocca ill�Abissu di Fondachelli-Fantina, Sicily

Ketika anda masih anak-anak, anda mungkin pernah mencoba bermain-main dengan sakelar lampu di rumah. Sakelar akan berbunyiklikketika anda tekan dan membuat lampu menyala atau mati. Anda pun penasaran, jika saya membuat sakelar ini seimbang, apakah lampu akan hidup atau mati? Pengalaman lain yang tak kalah seru ketika anak-anak adalah dengan pintu kulkas. Anda menyadari di dalam kulkas terdapat lampu. Ketika pintu akan tertutup, lampu itu tiba-tiba mati. Anda pun penasaran, lalu membuka lagi pintu kulkas dan menutupnya pelan-pelan, berusaha menyaksikan momen di mana lampu di dalam kulkas beralih dari keadaan hidup menjadi mati. Jika anda mengalami keduaeksperimen� masa kecil tersebut, masa kecil anda pasti sangat menyenangkan.

Keseruan bermain dengan cahaya ternyata tidak berhenti sampai di situ. Pada suatu malam, saya memperhatikan lampu yang ada di kamar saya, lalu dengan penasaran mematikan lampu tersebut, lalu menghidupkannya lagi, berulang kali sampai ibu saya mengira lampu kamar saya rusak. Yang saya pikirkan adalah, apakah cahaya lampu ini ketika dihidupkan langsung seketika mengisi seluruh ruangan? Waktu itu saya masih berusia 10 tahun, belum mengenal apa itu fisika, boro-boro tahu penjelasan cara kerja cahaya. Akhirnya, pertanyaan itu terlalu sulit untuk saya jawab dan saya biarkan saja menjadi sebuah masalah yang tidak dapat diselesaikan.

 

Bagi orang dewasa, cahaya masih menjadi mainan yang menarik. Perdebatan yang pernah terjadi di dunia fisika adalah apakah cahaya merupakan partikel atau gelombang. Isaac Newton berpendapat bahwa cahaya terdiri dari partikel (1675) yang disebut corpuscles. Dengan kata lain, cahaya bisa dianggap sebagai kumpulan bola-bola yang berasal dari suatu sumber dan terhambur ke segala arah. Alasan untuk argumen ini cukup sederhana. Jika cahaya adalah gelombang, maka cahaya pasti bisa melengkung jika mengenai benda, namun yang diamati adalah cahaya hanya bergerak pada lintasan lurus, yang hanya mungkin jika cahaya merupakan partikel. Pemahaman cahaya sebagai partikel juga dapat menjelaskan fenomena pantulan dengan mudah, karena kita bisa membayangkan pemantulan cahaya seperti pemantulan bola pada dinding atau lantai. Namun pendapat Newton hanya berhasil menjelaskan pemantulan dan gagal menjelaskan pembiasan cahaya. Menurut Newton, cahaya dipercepat ketika memasuki medium yang lebih rapat karena gaya gravitasi pada medium tersebut lebih besar. Argumen tersebut keliru karena pembiasan tidak memiliki hubungan dengan gaya gravitasi pada sebuah medium.

Dengan kegagalan Newton dalam menjelaskan sifat pembiasan cahaya, nampaknya model cahaya sebagai gelombang adalah pemenangnya. Meski demikian, konsep cahaya sebagai gelombang tidak bisa dipahami dengan mudah. Pertama, jika cahaya adalah gelombang maka harus ada medium di mana cahaya merambat, sama seperti gelombang suara yang membutuhkan medium, misalnya udara. Oleh karena itu, Huygens (1678) mengusulkan konsepaethersebagai medium untuk perambatan cahaya. Pada saat itu, belum ada percobaan yang bisa membuktikan keberadaan aether sampai tahun 1887 di mana percobaan Michelson-Morley membuktikan bahwa aether tidak ada. Konflik antara teori korpuskular milik Newton dengan teori cahaya sebagai gelombang adalah teori Newton menyebutkan bahwa cahaya akan bergerak lebih cepat pada medium rapat, sedangkan teori gelombang berkata sebaliknya. Pada saat itu, belum ada cara yang bisa mengukur cahaya dengan sangat akurat untuk membuktikan teori mana yang lebih benar. Percobaan yang berhasil mengukur kecepatan cahaya dilakukan oleh Leon Foucault (1850) yang mendukung kebenaran teori cahaya sebagai gelombang. Pada saat itu, teori cahaya sebagai partikel mulai ditinggalkan.

See the source image

persamaan Maxwell

Secara teori, persamaan Maxwell (1873) menunjukkan bahwa cahaya adalah radiasi elektromagnetik yang bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya terukur pada eksperimen Foucault (298000 km/s). Teori cahaya sebagai gelombang juga mendapat dukungan dengan adanya percobaan oleh Thomas Young dan August Fresnel pada awal abad 19 yang menunjukkan cahaya mengalami interferensi dan difraksi. Dengan semua bukti ini, maka teori gelombang adalah pemenangnya.

percobaan celah ganda oleh Thomas Young

 

Memasuki abad 20, para fisikawan merasa fisika sudah lengkap. Tapi semuanya berubah begitu mekanika kuantum menyerang. Hal ini diawali dengan Max Planck yang mengamati fenomena radiasi benda hitam, di mana pada saat itu terdapat perbedaan antara teori radiasi dengan hasil pengamatan.

diagram radiasi benda hilam. perbandingan antara hukum Rayleig-Jeans (garis hitam) dengan pengamatan (garis merah, biru , dan hijau) terlihat jelas pada panjang gelombang rendah.

 

Berdasarkan pengamatan, radiasi benda hitam pada gelombang pendek memiliki intensitas menuju nol. Teori radiasi yang dipakai pada saat itu memakai model Rayleigh-Jeans, di mana jumlah radiasi dengan panjang gelombang yang dideteksi dari sebuah benda hitam berbanding terbalik dengan nilai panjang gelombangnya. Titik lemah dari model ini adalah jika kita membuat semakin kecil, maka jumlah radiasi akan menuju tak hingga. Perbedaan mencolok dari dapat dilihat di gambar (garis warna hitam). Prediksi model ini tentu saja membuat resah untuk dua alasan. Pertama, prediksi yang dihasilkan berbeda sangat jauh dibanding pengamatan. Kedua, jika prediksi ini benar maka manusia pasti sudah lama punah karena matahari akan memancarkan cahaya ultraviolet yang begitu banyak dan tidak mengizinkan kehidupan untuk manusia. Inilah yang disebut dengan bencana ultraviolet (ultraviolet catastrophe).

Ada satu cara untukmenyelamatkan manusia dari bencana ultraviolet�. Ini dilakukan oleh Max Planck melalui hipotesisnya bahwa energi radiasi dari sebuah benda hitam merupakan kelipatan bilangan bulat dari satuan energi yang disebutkuantum(h adalah sebuah angka yang tidak perlu terlalu dihiraukan dan adalah frekuensi radiasi). Hipotesis ini menghasilkan sebuah persamaan yang mirip seperti model Rayleigh-Jeans pada nilai besar dan memiliki sifat berbanding lurus dengan pada nilai kecil. Selanjutnya, Einstein (1905) mengajukan bahwa bukanlah energi radiasi yang terkuantisasi, melainkan radiasi itu sendirilah yang terkuantisasi. Dengan kata lain, cahaya adalah partikel (dinamakan foton).

efek fotolistrik yang menunjukkan bahwa pelepasan elektron pada piringan logam disebabkan oleh kuanta cahaya (foton).

 

Masalah yang pada awalnya dianggap sudah selesai kemudian dibawa kembali, apakah cahaya merupakan gelombang atau partikel? Kali ini, tentu saja pertanyaannya menjadi lebih sulit. Cahaya tentu saja gelombang, karena sudah ada percobaan dan teori yang menunjukkan itu. Cahaya juga partikel, karena model yang digunakan berhasil menyelesaikan bencana ultraviolet. Perdebatan ini menjadi sangat sulit sehingga para fisikawan harus memutuskan satu jawaban: cahaya adalah keduanya.

Bagi beberapa orang mungkin jawaban ini mengecewakan. Setelah perdebatan ratusan tahun, ternyata jawabannya semudah itu. Mungkin fisikawan sebenarnya tidak sepintar yang kita pikir karena dibanding memilih apakah yang benar jawaban A atau B, lebih baik kita memilih keduanya. Pola pikir itu tidak salah, karena yang anda tanyakan adalah apakah cahaya merupakan partikel atau gelombang, sehingga orang yang anda tanyakan terpaksa menjawab salah satu saja.

Jika anda adalah anak-anak, anda tidak memiliki pengetahuan mengenai partikel maupun gelombang, sehingga pertanyaan yang muncul lebih sederhana, �Apa itu cahaya?�. Di satu sisi, pertanyaan itu terlalu lugu, tapi justru itu pertanyaan yang membuat si penanya berpikir lebih terbuka. Cahaya bukanlah gelombang atau partikel, cahaya adalah cahaya. Cahaya bisa mengalami interferensi jika dilewatkan pada celah ganda, tapi pola interferensi bisa hilang jika anda berusaha mencari tahu celah mana yang dilalui oleh foton. Cahaya juga dapat membuat elektron terlepas dari sebuah piringan logam, meskipun cahaya itu sangat redup, asalkan frekuensi cahaya lebih besar atau sama dengan nilai tertentu.

Sifat-sifat cahaya bisa dijelaskan tanpa mengotak-ngotakkan cahaya menjadi partikel maupun gelombang. Lantas, mengapa dualitas gelombang-partikel cahaya diperlukan? Karena hal itu lebih mudah dilakukan. Sebelum adanya mekanika kuantum, para fisikawan telah mengetahui banyak sifat-sifat partikel dan gelombang secara terpisah, sehingga jika mereka menemukan sesuatu yang baru, jika benda itu bukan partikel, berarti itu adalah gelombang. Oleh karena itu, kita tidak perlu membuat model baru untuk foton (dan partikel kuantum lain) karena ternyata kita bisa menggunakan model partikel dan gelombang untuk foton. Dalam percobaan tertentu, cahaya memiliki sifat seperti gelombang. Dalam percobaan lain, cahaya bersifat seperti partikel. Begitulah cara fisikawan modern menyelesaikan permasalahan foton: menggunakan model yang sudah ada, lalu menyesuaikan dengan hasil eksperimen.

Bagaimana jika anda ingin menjelaskan foton kepada seorang anak berusia 10 tahun yang ingin mengetahui apa itu cahaya? Mungkin anda bisa memintanya untuk belajar fisika dulu dan menunggu hingga dia belajar mekanika kuantum dan memahami semuanya. Tapi sebenarnya itu tidak perlu anda lakukan. Anda bisa menjelaskan bahwa cahaya terdiri dari bola (partikel) yang sangat ringan tapi cepat. Ruangan terang memiliki lebih banyak bola dari ruangan gelap. Kamu tidak bisa melihat setiap bola ini dengan matamu, karena bola-bola ini sangat kecil, melainkan yang kamu lihat adalah getaran, sama seperti suara yang kamu dengar yang merupakan getaran dari �bola-bola� udara di sekitarmu.

 


 

Referensi

Born, M.; Wolf, E. (1999). Principles of Optics. Cambridge University Press. ISBN 978-0- 521-64222-4.

Einstein, A. (1905). "�ber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden �� heuristischen Gesichtspunkt". Annalen der Physik. 17 (6): 132�148.

Newcomb, Simon (1911). "Light" . In Chisholm, Hugh (ed.). Encyclop�dia Britannica. 16 ������ (11th ed.). Cambridge University Press. p. 624.

Planck, M. (1901). "�ber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum". Annalen der �� Physik. 4 (3): 553�563. Bibcode:1901AnP...309..553P. doi:10.1002/andp.190130 ����� 90310.

Planck, M. (1920). "Max Planck's Nobel Lecture". nobelprize.org.

R. Eisberg & R. Resnick (1985). Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and ���� Particles (2nd ed.). John Wiley & Sons. pp. 59�60.

Stone, A. Douglas (2013). Einstein and the Quantum. Princeton University Press.