Kuliah Pendahuluan Fisika Dasar

KULIAH FISIKA DASAR

PERKEMBANGAN ILMU FISIKA SAMPAI ABAD MODERN 2

FISIKA KLASIK

Hukum Newton Hukum Maxwell

1. Hk. Newton I : Kelembaman

2. Hk. Newton II : Perubahan kecepatan (besar ataupun arahnya) dipengaruhi gaya.

3. Hk. Newton III : Aksi-Reaksi

Fenomena :

• Kelistrikan

• Kemagnetan

PERKEMBANGAN ILMU FISIKA SAMPAI ABAD MODERN

1. Menjelaskan dinamika benda hanya pada orde mm - km.

2. Gagal menjelaskan keanehan orbit Mercurius.

3. Tidak ada perbedaan waktu diantara dua pengamat dalam dua kerangka acuan yang berbeda kecepatannya (Waktu bersifat absolut), tapi ruang bersifat relatif.

4. Ruang selalu datar (Euclidean) yakni dua garis sejajar akan tetap sejajar jika dipanjangkan sampai jarak tak berhingga.

5. Bentuk alam semesta tidak jelas.

6. Ruang atau alam semesta menurut Newton tidak mempunyai awal atau tidak diciptakan (Bentuknya tetap dari dulu).


1. Einstein (1905) mempublikasikan teori relativitas khusus (special theory of relativity) yang menerangkan keadaan suatu benda yang bergerak dengan kecepatan konstan mendekati kecepatan cahaya.

2. Einstein (1915) mempublikasikan teori relativitas umum (general theory of relativity) yang membandingkan keadaan suatu benda yang mengalami percepatan/ dikenai gaya tertentu dengan keadaan benda dalam pengaruh medan gravitasi dengan percepatan gravitasi g. Prinsip Ekivalensi Einstein: massa inersia (Jika benda mengalami percepatan a akibat adanya gaya F) sama dgn konsep massa gravitasinya (akibat pengaruh medan gravitasi).

3. Geometri yang digunakan pada teori relativitas tersebut bukan Euclidean (ruang datar) malainkan geometri ruang lengkung.

4. Waktu bergantung pada kerangka acuan (relatif seperti konsep ruang). Istilah ”ruang” adalah gabungan dari konsep ruang-waktu (manifold).

5. Pada gerak foton atau partikel cahaya, jika tidak ada gaya yang mempengaruhi gerak foton, maka foton bergerak dalam lintasan lurus (kecepatan konstan). Akibat prinsip ekivalensi, gerak foton dalam pengaruh gravitasi akan melengkung (mengalami perc. sentrifugal v2/R), dianggap memiliki massa gravitasi karena massa (inersia) foton nol.


A. Menurut konsep Newton, Gerak revolusi planet-panet mengelilingi matahari disebabkan oleh gaya sentripetal (gaya tarik matahari terhadap planet yang arahnya menuju pusat matahari) dan diimbangi gaya sentrifugal (akibat revolusi bumi mengelilingi matahari yang besarnya sama dengan gaya sentripetal tetapi berlawanan arahnya).

B. Menurut Einstein, lintasan planet-planet mengelilingi matahari mengikuti kelengkungan medan ruang waktu yang ditimbulkan oleh benda sangat masif (matahari).

C. Konsep lebih lanjut: interaksi (istilahnya gaya) gravitasi disebabkan adanya pertukaran partikel-partikel (dinamakan graviton) diantara planet-planet dan matahari.


1. Persamaan medan Einstein dapat direduksi menjadi persamaan dinamika Newton dengan kondisi tertentu, yaitu pada medan gravitasi yang lemah dan kecepatan benda yang sangat kecil jika dibandingkan dengan kecepatan cahaya. Jadi, Teori Relativitas Umum (TRU) Einstein lebih umum dibandingkan dengan teori hukum Newton.

2. Friedmann (fisikawan Rusia) serta Robertson dan Walker (fisikawan AS dan matematikawan Inggris) berhasil memecahkan persamaan Einstein yang disebut model alam semesta Friedmann atau alam semesta Robertson-Walker yang meliputi model alam semesta tertutup & terbuka.


1. Model closed dan open universe ini sesuai dengan eksperimental, yaitu pengamatan pergeseran warna merah (redshift) dari bintang-bintang dan galaksi-galaksi , oleh Edwin Hubble (astronom Amerika) tahun 1929.

2. Penjelasan Redshift: Jika kita ada di stasiun kereta api, kereta api yang bergerak mendekati kita, akan terdengar bunyi dengan frekuensi yang lebih tinggi dibandingkan kereta bergerak menjauhi kita (efek Doppler).

3. Pada galaksi dan bintang-bintang. Jika pergeserannya kesisi warna merah (redshift), berarti bergeser ke frekuensi yang lebih rendah, berarti benda-benda langit bergerak menjauhi kita. Ketepatan pengamatan dari kecepatan pergeserannya cocok dgn prediksi Einstein.


1. Dari model closed dan open universe dapat juga disimpulkan bahwa ada suatu keadaan dimana jarak ruang-waktu diantara semua benda yang ada di jagat raya sama dengan nol. Hal ini terjadi pada waktu awal yang disebut singularitas atau lebih populer dengan keadaan sebelum dentuman besar (bigbang) yang terjadi sekitar 13 milyar tahun yang lalu.

2. Pada saat bigbang yang merupakan awal terbentuknya materi (bintang-bintang, galaksi, lubang hitam dsb.) & langit, mempunyai orde ukuran waktu, jarak & energi : t = 10-43 s, x = 10-25 m & E = 1019 GeV mulai muncul konstanta-konstanta alam semesta: kec. cahaya c, konstanta Planck h & konstanta gravitasi umum G.

3. Eksistensi keadaan singularitas (awal terjadinya alam semesta) dibuktikan dalam teorema singularitas oleh R. Penrose dan S.W. Hawking (1970)


1. Tak ada yang mengetahui apa yang terjadi sebelum bigbang (kecuali Allah Rabbulalamin). Karena pada saat itu tak ada ruang dan waktu. Tidak ada Hukum-hukum Fisika & matematika.

2. Dari model alam semesta tertutup (model alam semesta yang akan berhenti mengembang dan kemudian menciut), maka ada pula saat dimana ruang-waktu menuju ke satu titik, yang disebut big crunch. Model alam semesta terbuka adalah model alam semesta yang mengalami pengembangan terus tiada akhir.

3. Karl Schwarzchild (matematikawan Jerman), membuktikan dengan tepat melengkungnya ruang-waktu disekitar matahari dengan menggunakan teori Einstein. Melengkungnya ruang-waktu disekitar matahari dapat dilihat dari pengamatan bintang di ”dekat” matahari saat terjadinya gerhana matahari. Prediksi orbit Mercury yang anehpun dapat dijelaskan dari solusi ini.


Fisika Klasik

Fisika Kuantum

Teori Relativitas khusus

Kuantum Relativistik

h

v c

Gravitasi Newton Gravitasi Einstein

Prinsip Ekivalensi


1.Terdapat kesepakatan bahwa alam semesta mempunyai awal dan mempunyai akhir. Mengenai umurnya, memang masih bisa didiskusikan.

2. Pakar fisika teoritik berspekulasi pada saat bigbang tidak hanya satu alam semesta yang terbentuk, tetapi ada alam lain yang mempunyai ruang-waktu seperti disini. Alam semesta ini (kalau ada) disebut alam semesta paralel yang telah ditunjukkan keberadaannya oleh Martin Kruskal (fisikawan AS), ketika ia mencoba ”memetakan’ blackhole (lubang hitam).


1. Jika bintang kompak (sangat mampat & ukurannya jauh lebih kecil dibanding matahari) mempunyai massa < 1,4x Mʘ (massa matahari) disebut bintang katai putih. Jika massa bintang > 1,4x Mʘ (batas Chandrasekhar), bintang tersebut mengkerut menjadi bintang neutron. Tetapi jika massa bintang > 3x Mʘ, bintang mengkerut terus menjadi bintang lubang hitam,

2. Karena kerapatan massa tak berhingga, maka semua benda termasuk cahaya akan diserap semua oleh lubang hitam sehingga lubang hitam terlihat gelap (hitam).

3. Tahun 1975, dengan menimbang efek kuantum disekitar horison lubang hitam, S.W. Hawking merumuskan bahwa lubang hitam tidaklah hitam pekat, masih memancarkan informasi berupa sinar-x.

4. Bila massa katai putih sama dengan Mʘ maka ukurannya sebesar bumi dengan kerapatan beberapa ton/cm3. Jika massa bintang neutron lebih sedikit dari 1,4x Mʘ maka radiusnya hanya 10 km dengan kerapatan ratusan juta ton/cm3. Kerapatan black hole dalam orde miliaran ton/cm3 dengan ukuran jauh lebih kecil lagi.


1. Dalam membahas fenomena alam, tak dapat diabaikan keteraturannya. Salah satu keteraturan ini dituangkan dalam prinsip simetri. Misalkan, sebuah lingkaran dilipat pada garis tengahnya, maka didapat bentuk setengah lingkaran dari kedua sisi lipatan. Artinya lingkaran mempunyai simetri terhadap operasi pelipatan pada garis tengahnya.

2. Secara umum, suatu sistem dikatakan mempunyai simetri tertentu jika sistem itu tidak berubah (invarian atau kekal) terhadap operasi simetri tersebut.

3. Dalam fisika, konsekuensi dari invarian suatu sistem fisis terhadap suatu operasi simetri, ternyata memberikan implikasi yang menakjubkan. Hal ini pertama kali dituangkan oleh Emmy Noether (matematikawan Jerman) dalam suatu dalil yang dikenal sebagai dalil Noether,


Hukum-hukum kekekalan dapat dijelaskan oleh dalil Noether.

1. Hukum kekekalan energi misalnya, tiada lain akibat dari sistem tak berubah (simetri) terhadap pergeseran (translasi) waktu.

2. Hukum kekekalan momentum akibat simetri pergeseran ruang. Dan muatan kekal, karena sistem invarian terhadap operasi gauge.

3. Dari kesetaraan energi dan massa yang telah dirumuskan Einstein dan prinsip simetri diatas, dapat disimpulkan bahwa massa pun kekal. Dilain pihak, energi dapat dipertukarkan dengan waktu dan momentum dipertukarkan dengan ruang melalui transformasi Fourier (pakar matematika Perancis).

4. Dapat disimpulkan terdapatnya ruang-waktu karena terdapatnya energi/massa serta gerak benda-benda. Sebaliknyapun berlaku.


1. Sampai akhir abad ke 19, hukum newton dan hukum Maxwell mendominasi persoalan fisika. Formulasinya eksak dan jelas karena dinyatakan dalam suatu persamaan differensial linier dan menghasilakan prediksi yang akurat dengan hasil eksperimen. Jika diketahui posisi awal dan kecepatan awal sebuah benda, maka dapat diprediksi posisi dan kecepatannya akhirnya. Demikian pula pada kelistrikan dan kemagnetan.

2. Pada tahun 1900, saat Max Planck (fisikawan Jerman) coba menjelaskan fenomena radiasi benda hitam. Disitu ia mengamati bahwa antara hasil eksperimen dan teori tidak cocok. Supaya cocok, Planck mempostulatkan bahwa energi diradiasikan oleh gelombang elektromagnetik dalam bentuk kuanta (disebut foton).

3. Energi foton sebanding dengan bilangan bulat dikali frekuensi gelombang. Sehingga bersifat diskrit. Hal ini tidaklah lazim, karena orang hanya mengetahui bahwa energi bersifat kontinu, sesuai dengan hukum-hukum dalam fisika klasik.


1. Postulat Planck dapat menjelaskan eksperimen radiasi benda hitam dengan tepat. Dari sinilah, kemudian timbul mekanika baru, sebagai koreksi dari mekanika Newton yaitu Mekanika Kuantum yang berlaku untuk ukuran benda yang sangat kecil (orde mikron).

2. Menurut prinsip ketakpastian Heisenberg (Werner Heisenberg, seorang pakar fisika Jerman), pengukuran serentak posisi dan momentum tidak akan menghasilkan ketelitian yang sempurna. Contohnya jika posisi diukur dengan ketelitian sempurna, maka momentumnya menjadi tak teliti sempurna.

3. Pada mekanika kuantum, posisi dan momentum (ataupun kecepatan) tak dapat dipakai untuk mendeskripsikan sistem fisis, seperti pada mekanika klasik. Sebagai gantinya diambil fungsi gelombang yang memainkan peranan tersebut. Fungsi gelombang ini memenuhi persamaan Schroedinger (fisikawan Jerman).


1. Max Born (fisikawan Jerman) yang pertama menginterpretasikan bahwa kuadrat besar fungsi gelombang merupakan probabilitas untuk menemukan (posisi) partikel. Tapi Einstein tampaknya tak setuju dengan interpretasi ini karena menganggap bahwa alam tak mengenal sifat probabilistik. Dengan nada sinis ia mengatakan bahwa Tuhan tak bermain dadu dalam menciptakan hukum-hukum alam.

2. Menurut Einstein, alam bersifat deterministik. Probabilitas muncul karena kita tak lengkap dalam mendeskripsikan alam. Masih ada variabel tersembunyi yang belum ditemukan.

3. Walaupun fondasi fisika kuantum belumh sempurna, namun orang tetap menggunakan formalisme kuantum untuk menjelaskan fenomena yang berkaitan dengan partikel-partikel yang sangat kecil, karena prediksi-prediksinya sesuai dengan pengamatan. Misalkan dalam menghitung tingkat energi Fermi dalam suatu material.


Terdapat empat buah interaksi dialam semesta :1. Interaksi kuat (strong interaction). Interaksi ini bekerja pada

partikel quark, yang dipercaya sebagai partikel pembangun elektron, proton, netron dan partikel lainnya. Partikel ini tak pernah diamati dalam keadaan bebas, selalu dalam keadaan terikat. Muatannya bernilai pecahan, misalnya (-1/3), (+2/3), berbeda dengan partikel lain yang muatannya merupakan kelipatan bilangan bulat dari muatan elektron.

2. Interaksi lemah (weak interaction), pada peluruhan partikel beta. 3. Interaksi elektromagnetik (electromagnetic interaction). Interaksi

inilah yang berperan dalam kelistrikan dan kemagnetan (hukum maxwell).

4. Interaksi gravitasi (gravitation interaction). Interaksi ini timbul karena benda mempunyai massa.


1. Ketiga interaksi yang disebut pertama dapat dikuantisasi, artinya kita dapat membuat ketiga gaya tersebut kompatibel dengan aturan dalam kuantum. Tapi untuk interaksi gravitasi, sampai saat ini, belum ada yang sukses mengkuantisasinya. Problem pokoknya terletak pada kuantisasi kurvatur ruang-waktu pada teori itu. Sehingga kompatibilitas teori tersebut dengan teori kuantum, misalnya dalam waktu tertentu, kehilangan makna.

2. Teori tentang alam semesta masih banyak yang belum difahami, diantaranya alam semesta terdiri dari 4% atom (seperti bintang-bintang dan galaksi yang tampak), 23% materi gelap (seperti black hole) dan 73% energi gelap (yang masih dicari penyebabnya).

3. Banyak teori yang dicoba untuk menjelaskan fenomena alam semesta (terutama asal energi gelap) yang disebut Theory of Everything – TOE, seperti Superstring, M-Theory, Quantum Gravity dsb.

4. Teori String merumuskan bahwa bentuk partikel-partikel seperti elektron dsb, bukan berbentuk bola bulat tetapi berbentuk tali, sehingga disamping menyumbang energi yang kecil dari massanya juga akan menyumbang energi yang cukup besar dari tegangan tali string itu sendiri. Energi tegangan string ini dapat menghasilkan energi gelap alam semesta.


1. Tahun 1967, Abdus Salam, S. Weinberg dan S.L. Glashow, sukses dalam menyatukan interaksi lemah dan elektromagnetik dalam kerangka teori gauge. (Weinberg dan Glashow, fisikawan teoritik, AS. Ketiga-tiganya mendapat Nobel Fisika tahun 1979). Keberhasilan ini, setidaknya telah membuka harapan lama bahwa semua interaksi yang ada di alam, awalnya adalah satu. Kemudian terurai menjadi keempat interaksi diatas.

2. Tahun 1985, E. Witten dan kawan-kawan dari Princeton University, AS, menggabungkan keempat interaksi diatas dalam kerangka teori superstring. Walaupun secara matematis teori ini elegan, tapi verifikasi eksperimentalnya tidak jelas.

3. Orang yakin, jika keempat interaksi tersebut berhasil digabung, maka fisika akan menuju teori yang final. Teori yang dapat menggambarkan dan menjelaskan alam semesta dari awalnya sampai akhir (Theory of Everything – TOE).


Kelistrikan

Kemagnetan

Cahaya

Peluruhan Beta

Int. Neutrino

Proton

Neutron

Pions

Gravitasi

Mekanika (Newton)

Listrik Magnet

Interaksi Lemah

Interaksi Kuat

Gravitasi Universal

Geometri Ruang-Waktu

Interaksi Electroweak

Model Standar (GUT)

Supersimetri Supergravitasi

Teori Relativitas Umum (Einstein)

TOE

Salam-Glashow-Weinberg (Nobel Fisika 1979)

Superstring, M-Theory, Quantum Gravity

Documents

Kuliah Pendahuluan Fisika Dasar