sejarah teori kuantum garis waktu
TRANSCRIPT
23/08/2011
1
UNIVERSITAS AHMAD DAHLAN
Pendidikan Fisikahttp://pf.uad.ac.id
Kuliah Sejarah Fisika
Rachmad Resmiyantohttp://rachmadresmi.staff.uad.ac.id
Sejarah Teori Kuantum
Garis Waktu
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 2
1900: Max Planck
mengajukan teori
tentang radiasi
benda hitam
1918: Max Planck
dapat nobel
Fisika
1913:Niels Bohr
mengajukan teori
struktur atom
1921: •Nobel fisika
untuk efek
fotolistrik
1905:Albert Einstein menulis
makalah, "On a
Heuristic Viewpoint
Concerning the
Production and
Transformation of
Light“; mengajukan ide
kuanta energi untuk efek
fotolistrik
1922: Niels Bohr dapat
nobel fisika
Eksperimen Stern-
Gerlach
(pembuktian teori
kuantisasi ruang)
1924:•Louis De
Broglie
mempublikasika
n disertasinya
“Recherches sur
la théorie des
quanta”, yang
memperkenalkan
teori gelombang
elektron
1929: Louis De
Broglie dapat
nobel fisika
untuk
hipotesisnya
1933:•Otto Stern
mengukur
momen
magnetik untuk
proton
•Schrodinger
dapat nobel
1926: Persamaan
Schrodinger
1925:•Asas
ketidakpastian
Heisenberg
•Wolfgang Pauli
membangun
bilangan
kuantum
keempat, spin
1932: •Werner
Heisenberg
dapat Nobel
fisika
1943: •Otto Stern dapat
nobel fisika
1944: •Wolfgang
Pauli dapat
nobel fisika
1940: Pauli
membuktikan
teorema
statistik spin
23/08/2011
2
Apa itu Teori Kuantum?
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 3
Apa itu Teori Kuantum?
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 4
Teori kuantum
tidak terjangkau
intuisi dan
menentang
pikiran lazim
23/08/2011
3
Apa itu Teori Kuantum?
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 5
Konsepnya
disejajarkan
dengan filsafat
timur, malah
dipakai untuk
meneliti rahasia
kesadaran,
kehendak
bebas, dan
paranormal
Teori kuantum
tidak terjangkau
intuisi dan
menentang
pikiran lazim
Apa itu Teori Kuantum?
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 6
Konsepnya
disejajarkan
dengan filsafat
timur, malah
dipakai untuk
meneliti rahasia
kesadaran,
kehendak
bebas, dan
paranormal
Teori
kuantum tak
pernah gagal
Teori kuantum
tidak terjangkau
intuisi dan
menentang
pikiran lazim
23/08/2011
4
Apa itu Teori Kuantum?
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 7
Konsepnya
disejajarkan
dengan filsafat
timur, malah
dipakai untuk
meneliti rahasia
kesadaran,
kehendak
bebas, dan
paranormal
Teori
kuantum tak
pernah gagal
Teori ini
sangat
matematis
Teori kuantum
tidak terjangkau
intuisi dan
menentang
pikiran lazim
Apa itu Teori Kuantum?
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 8
Konsepnya
disejajarkan
dengan filsafat
timur, malah
dipakai untuk
meneliti rahasia
kesadaran,
kehendak
bebas, dan
paranormal
Teori
kuantum tak
pernah gagal
Teori ini
sangat
matematis
Gagasannya
sama sekali
mengubah
cara kita
memandang
realitas
Teori kuantum
tidak terjangkau
intuisi dan
menentang
pikiran lazim
23/08/2011
5
Apa itu Teori Kuantum?
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 9
Fisika Klasik vs Modern
Gagasan materi dan
radiasi dakam fisika
klasik diyakini sahih.
Maka gagasan baru yang
menentangnya selalu
akan diremehkan.
Formalisme matematika
Newton (1642-1727) &
Maxwell (1831-1879)
sangat cuanggih, tak
bercacat. Ramalannya
juga terbukti oleh banyak
percobaan
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 10
23/08/2011
6
Fisika klasik
• Fisika klasik: mekanika Newton dan elektromagnetisme
Maxwell abad ke-19
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 11
Fisika klasik
• Selama abad ke-18 dan ke-19 hukum gerak Newton
telah diuji dengan seksama
• Hukum gravitasi Newton mampu memprakirakan
gerakan planet dengan ketepatan tinggi
• Teori gelombang elektromagnetika Maxwell mampu
memperkirakan keberadaan gelombang cahaya tak
tampak 1865. ini terbukti 1888 ketika Heinrich Hertz
menemukan gelombang radio di Berlin.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 12
Gelombang radio memantul dan membias seperti cahaya,
Wow, Maxwell benar...
23/08/2011
7
Anggapan Dasar Fisika Klasik
1. Reduksionisme. Alam semesta mirip mesin raksasa dalam ruang-waktu
mutlaK. Gerakan rumit dipandang sebagai gerakan sederhana dari
bagian2 penyusunnya, sekalipun bagian-bagaian tersebut tidak bisa
dilukiskan.
2. Kausalitas. Hukum Newton menyimpulkan tiap gerak selalu punya sebab.
Jika suatu benda bergerak, kita selalu bisa mencari penyebabnya. Ini
sebab akibat yang tidak lagi dipertanyakan lagi.
3. Determinisme. Jika sekarang diketahui keadaan gerak suatu partikel,
maka gerakannya dapat diketahui juga pada sebarang titik di masa depan
dan masa lalu.
4. Cahaya sbg gelombang. Sifat-sifat cahaya bisa dilukiskan secara lengkap
dengan teori gelombang elektromagnetika Maxwell (dibuktikan Thomas
Young 1802, interferensi celah ganda)
5. Partikel vs gelombang. Energi yang bergerak dapat dilukiskan dalam 2
model: partikel, gelombang. Keduanya terpisah.
6. Pengukuran. Sifat sistem dapat diukur dengan ketelitian tak terbatas,
termasuk sistem atomik.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 13
Prasasti Runtuhnya Fisika Klasik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 14
Anggapan itu diyakini secara
MUTLAK.
Tapi, akhirnya anggapan itu
diragukan.
Awal mulanya adalah Hotel
Metropole Brussel, 24 Okt 1927
23/08/2011
8
Konferensi Solvay 1927
Ernest Solvay (1838-1922), industriawan Belgia,
mensponsori pertemuan perdana fisika internasional
untuk membahas gagasan kuantum di Brussel beberapa
tahun sebelum PD I.
Pesertanya dibatasi 30 orang, diminta berkonsentrasi pada
topik yang telah ditentukan.
5 pertemuan pertama (1911-1927) merupakan pertemuan
paling penting bagi perkembangan fisika abad ke-20.
Puncaknya, 1927, dihadiri 9 pentolan teori kuantum.
Semuanya dapat nobel.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 15
Konferensi Solvay 1927
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 16
23/08/2011
9
Konferensi Solvay 1927
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 17
Sepanjang sejarah sains, jarang sekali begitu banyak persoalan diselesaikan
segelintir orang dalam tempo yang singkat.
Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin
Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Howard Fowler,
Léon Brillouin,
Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac,
Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr,
Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles
Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans Richardson
Konferensi Solvay 1927
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 18
Hey.... Semuanya berawal
dari saya lho ya...
Ingat postulat saya 1900:
materi menyerap dan
memancarkan radiasi
elektromagnetik (cahaya)
dalam paket-paket nergi
(kuanta). Nilainya
sebanding dengan
frekuensi radiasi.
23/08/2011
10
Konferensi Solvay 1927
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 19
Saya menunjukan bahwa
cahaya selalu muncul
sebagai kuanta.
Ini menjelaskan mengapa
materi menyerap dan
memancarkan energi
seperti itu.
Sayang sekali, planck tak
pernah percaya saya.
Ya ampun Planck..Planck..
Gusti paringana
pangapura…
Konferensi Solvay 1927
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 20
Semua orang itu
sepakat dengan
tafsiran teori kuantum
saya kecuali satu orang
saja, ya siapa lagi
kalau bukan Einstein...
[..Insaflah Einstein...]
23/08/2011
11
Konferensi Solvay 1927
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 21
Sssttt....
Jangan berdebat
terus... Ini sesi foto..
Lihat, saya yang paling
flamboyan kan...
Jaket sporty, dasi
kupu-kupu...
Konferensi Solvay 1927
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 22
Brussel
23/08/2011
12
Konferensi Solvay 1927
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 23
De Broglie
(Paris)
Dirac
(Cambridge)
Heisenberg,
Bohr
(Copenhagen)
Einstein, Planck
Schrodinger
(Berlin)
Max Born (Goettingen)
Pauli
(Zurich)
Mereka pulang dengan memendam perdebatan bersejarah antara Einstein
dan Bohr, mengemban gagasan paling menakjubkan yang pernah dibuat
para ilmuwan.
Teori kuantum adalah sebuah kegilaan.
Konferensi Solvay 1927
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 24
Mari lihat Usia para pejuang fisika kita
A P, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger
(1887-1961: 44 th), J-ÉVerschaffelt, Wolfgang Pauli (1900-1958: 27 th), Werner Heisenberg
(1902-1976: 25 th), Ralph HF, Léon Brillouin,
Peter Debye, M Knudsen, William Lawrence Bragg, HA Kramers, Paul Dirac (1902-1984: 25 th),
Arthur Compton, Louis de Broglie (1892-1987: 35 th), Max Born (1882-1970: 45 th), Niels Bohr
(1885-1962: 42 th),
I Langmuir, Max Planck (1858-1947: 69 th), Marie Curie (1867-1934: 60 th), Hendrik Lorentz, Albert
Einstein (1879-1955: 48 th), Paul Langevin, CE Guye, CTR Wilson, O W Richardson
23/08/2011
13
Mulanya...
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 25
Landasan teori kuantum
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 26
Landasan teori kuantum:
23/08/2011
14
Termodinamika
Termodinamika = dinamika termo,
dinamika panas, aliran panas,
mengalir dari benda bersuhu tinggi ke
bersuhu rendah.
Aliran baru akan berhenti ketika suhu
keduanya sama, setimbang termal.
Model mekanika untuk menjelaskan
aliran panas dikembangkan pada
abad ke-19 di Inggris, dibnagun atas
jasa James Watt (1736-1819),
Skotlandia
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 27
Termodinamika
• James Prescott Joule (1818-
1889) menunjukkan bahwa
ternyata “panas dapat
disetarakan dengan suatu
kerja mekanik tertentu”
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 28
Kesetaraan mekanik panas merupakan cikal bakal kajian termodinamika
23/08/2011
15
Termodinamika
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 29
Muncul dugaan: “sebab panas dapat diubah menjadi kerja maka panas
merupakan suatu bentuk energi”
Kata “energy” (bhs Yunani) bermakna “mengandung kerja”
Termodinamika
Dugaan belum terbukti.
1847 Herman von
Helmholtz (1821-1894)
mengeluarkan hukum
kelestarian energi
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 30
Setiap kehilangan energi di satu
tempat pasti dihantikan dengan energi
yang sama di tempat yang lain dalam
sistem yang sama
23/08/2011
16
Termodinamika
Pada 1850, Rudolf Clausius (1822-1888) menyebut Hukum
Helmholtz sbg Hk I Termodinamika.
Clausius merumuskan Hk kedua Termodinamika: energi
total suatu sistem selalu menurun karena ada panas
yang hilang dalam proses termodinamika.
Di sini ia memperkenalkan konsep baru “entropi” (konsep
yg berkaitan dg aliran panas)
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 31
Entropi suatu sistem tertutup selalu naik & mencapai nilai maks pd
kesetimbangan termal
Eksistensi Atom
• Democritus (460-370 SM): penggagas pertama konsep
atom
• Aristoteles menyanggah Democritus, kemudian hanya
menjadi perdebatan.
• Pada masa Islam: atom asy’ariyah
• John Dalton (1766-1844), kimiawan Inggris,
menggunakan konsep ini untuk memperkirakan sifat-
sifat unsur & senyawa 1806, konsep atom masih belum
diterima. (ini abad ke-19)
• 100 tahun kemudian, “perhitungan Einstein” &
“percobaan Jean Perin (1870-1942)” menarik banyak
orang untuk menerima konsep atom ( ini abad ke-20)
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 32
Belum ada bukti selama abad ke-19, para teoretisi sudah menggunakan
konsep atom
23/08/2011
17
Eksistensi Atom
• JC Maxwell, fisikawan Scotlandia, bikin teori kinetik gas
1859. (Maxwell adalah penganut atom)
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 33
Ia menganggap gas sbg kumpulan molekul yg banyak sekali yang bergerak
secara acak, saling bertumbukan, juga dg dinding bejana.
Berdasarkan rerata
statistik, teorinya
Maxwell ingin
menunjukan bahwa
sifat makroskopik
bisa ditebak dari
model mikroskopik
molekul –molekul
gas
Eksistensi Atom
Asumsi Maxwell:
1. Molekul itu seperti bola pejal,
diameternya << jarak antar
molekul
2. Kelestarian energi berlaku pd
tumbukan antar molekul
3. Molekul bergerak lurus, laju
tetap, tidak berinteraksi satu
sama lain
4. Posisi dan kecepatan molekul
mula-mula bersifat acak
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 34
Asumsi ke-4 sangat
revolusioner
23/08/2011
18
Eksistensi Atom
• Dalam 1 mol gas ada 6 x 1023
partikel
• Bayangkan ada
600 000 000 000 000 000 000 000
Maka mustahil jika menghitung satu
demi satu partikel dengan hk
Newton.
Hebatnya, teori Maxwell bisa
mengaitkan kecepatan rata-rata
kuadrat molekul-molekul dengan
suhu
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 35
PANAS ada karena gerak acak atom yang terus menerus
Eksistensi Atom
Sumbangan penting Maxwell:
Tebakan distribusi kecepatan yg
mungkin dimiliki molekul-molekul.
Distribusi ini memberikan rentang
kecepatan yang mungkin.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 36
Ini kurva distribusi
Maxwell. Jadi
PELUANG
digunakan jika
PERHITUNGAN
YANG PASTI
mustahil
dilakukan
23/08/2011
19
Mekanika Statistik
• Teori Kinetik Maxwell mengilhami
Ludwig Boltzman (1855-1906), 1870-an.
Hukum Distribusi Kanonik, bisa diterapkan pd sebarang
kumpulan yg memiliki gerak bebas acak
Teorema ekopartisi tenaga, energi disebar
merata ke segenap tingkatan ketika sistem
mencapai kesetimbangan termal.
Tafsiran baru entropi, “peluang suatu susunan sistem
yang dipilih atom-atom pembentuknya”
Kalau Clausius 1850: entropi menunjukkan ketidakberaturan atom-
atom dalam sistem
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 37
Mekanika Statistik
• Tafsiran baru entropi,
“peluang suatu susunan sistem
yang dipilih atom-atom pembentuknya”
• Rumusan entropi,
S = k log WK = tetapan Boltzman
W = peluang suatu susunan atom yang bisa terjadi
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 38
23/08/2011
20
Mekanika Statistik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 39
Sebuah disiplin/metode baru yang dapat memprakirakan sifat-sifat
makroskopik suatu benda dari perilaku statistik bagian-bagian
mikroskopik penyusunnya
Mekanika Statistik
• Boltzmann beranggapan “perubahan sistem dari keadaan kurang
mungkin menuju keadaan lebih mungkin terjadi jika dirangsang oleh
panas atau getaran mekanis sampai tercapainya keseteimbangan
termal. Inilah keadaan yang paling mungkin & entropinya
maksimum”
• Meskipun mustahil menghitung gerakan milyaran partikel, metode
peluang dapat menyajikan jawaban keadaan mana yg paling
mungkin terjadi.
• Boltzmann juga memperkenalkan konsep fluktuasi. Ini kontroversial
kala itu.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 40
Tafsiran peluang entropi Boltzmann memeluangi terjadinya penggerombolan
semua molekul dalam sistem gas tertutup di salah satu pojok bejana. Inilah
yang disebut energi fluktuasi.
23/08/2011
21
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 41