Fisika adalah ilmu yang mempelajari interaksi antara konstituen dasar alam semesta yang terlihat. Dari perspektif yang lebih luas, fisika berurusan dengan setiap aspek alam pada tingkat makroskopis maupun mikroskopis. Cakupan kajiannya meliputi perilaku benda-benda di bawah penerapan suatu gaya serta asal-usul dan sifat dari semua gaya fundamental di alam. Tujuan utamanya adalah pengembangan beberapa prinsip yang ringkas dan menyeluruh yang secara efektif dan efisien menjelaskan setiap fenomena yang kontras. Dalam tulisan ini kita akan membahas secara umum perkembangan dunia fisika.
Perkembangan Dunia Fisika: Bagaimana?
Para filsuf Yunani Kuno berjasa dalam pengembangan pendekatan teoretis dan metodologis terhadap prinsip-prinsip berbasis fisika. Pada masa itu, tidak ada perbedaan yang jelas antara fisika dan disiplin ilmu lainnya. Teologi dan filsafat bercampur aduk dengan fakta-fakta ilmiah yang telah diketahui. Dengan demikian, banyak kejadian yang tumpang tindih dalam sejarah ilmu fisika pada masa itu.
Fisika di Yunani Kuno
Menurut catatan yang kredibel, Thales adalah fisikawan Yunani pertama. Teori-teorinya memberikan nama yang unik pada subjek ini. Dia membangun postulat dengan keyakinan bahwa setiap materi terbuat dari satu elemen, ‘air’. Dalam bahasa Yunani kuno, air disebut ‘Physis’. Sekitar tahun 500 SM, Heraclitus telah menyatakan bahwa satu-satunya hukum fundamental yang mengendalikan alam semesta adalah prinsip perubahan. Dia menganjurkan bahwa tidak ada yang tetap berada dalam kondisi yang sama selamanya.
Aristoteles dianggap sebagai bapak ilmu pengetahuan. Dia memelopori studi tentang alam dengan empirisme dan metodologinya. Di sisi lain, dia secara tidak sadar melumpuhkan perkembangan fisika selama berabad-abad. Aristoteles mencampurkan konsep analitisnya tentang gravitasi dan gerak dengan postulat elemennya. Dia juga mencoba menggabungkan sifat mekanik sebuah benda dengan alkimia kuno.
Archimedes muncul dengan ide tentang daya apung dan kepadatan. Dia menyusun prinsip-prinsip teoritis dan matematis untuk merancang alat-alat mekanik yang berguna yang masih lazim digunakan hingga saat ini. Archimedes menemukan prinsip-prinsip dasar di balik cara kerja tuas. Dia menciptakan sistem katrol yang luas untuk memindahkan benda-benda besar dengan usaha yang relatif lebih sedikit. Sebagian besar kasus, Archimedes tidak menciptakan alat-alat tersebut. Sebaliknya, dia memodifikasi alat yang sudah ada dan membuka jalan untuk pengembangan sistem mekanik yang kompleks. Dia juga bertanggung jawab dalam mengembangkan konsep yang berkaitan dengan pusat gravitasi dan kondisi keseimbangan. Menariknya, Issac Newton, Galileo dan banyak cendekiawan Arab sangat dipengaruhi oleh Archimedes.
Fisika di India Kuno
India Kuno merupakan tempat berkembangnya banyak kemajuan ilmiah, termasuk mekanika, astronomi, matematika, metalurgi, dan kedokteran. Sekitar tahun 200 SM, Maharshi Kanada secara sistematis menyimpulkan sebuah teori yang berhubungan dengan atomisme. Teori ini dikembangkan lebih lanjut selama milenium pertama Masehi oleh Dignāga dan Dharmakirti. Filsuf India lainnya, Pakudha Kaccayana juga mengemukakan konsep tentang sifat atom dari dunia fisik.
Sebagian besar filsuf India percaya bahwa setiap elemen (tidak termasuk eter) berwujud secara fisik. Oleh karena itu, mereka berpikir bahwa elemen-elemen tersebut juga terdiri dari partikel-partikel fisik yang sangat kecil. Partikel terkecil yang tidak dapat dihancurkan lebih lanjut disebut parmanu. Para filsuf aliran Vaisheshika menganggap atom sebagai titik kecil di ruang angkasa. Mereka juga merupakan yang pertama kali menggambarkan hubungan antara gaya yang diterapkan dan gerak. Sebagian besar teori India tentang ‘parmanu’ atau atom sebagian besar bersifat abstrak, yang sangat terkait dengan filosofi kontemporer. Gagasan-gagasan tersebut didasarkan pada logika murni. Mereka sama sekali tidak didasarkan pada eksperimen atau pengalaman individu, karena tidak ada metode untuk membedah materi yang terlihat menjadi komponen-komponen dasar.
India adalah rumah bagi banyak astronom kuno yang luar biasa. India kuno memiliki sistem astronomi yang paling rumit dan akurat untuk memprediksi pergerakan benda-benda langit. Sekitar tahun 500 Masehi, Aryabhata, melalui bukunya Aryabhatiyam, mengusulkan bahwa pergerakan bintang-bintang ke arah barat yang terlihat jelas disebabkan oleh perputaran Bumi yang berbentuk bola (dia menyebutnya sebagai ‘gol’) pada porosnya. Ia mampu menganalisis fenomena langit seperti itu secara efektif karena pemahamannya yang sempurna tentang trigonometri dan geometri. Nilakantha Somayaji datang dengan konsep semi-heliosentris yang mirip dengan sistem Tychonic.
Fisika di Tiongkok Kuno
Tiongkok Kuno terkenal dengan penemuan-penemuan tekniknya. Penemuan paling awal adalah jam matahari, lentera Kongming, dan sempoa. Kompas, pembuatan kertas, percetakan, dan mesiu adalah empat penemuan besar yang berasal dari Tiongkok kuno. Faktanya, semua itu baru diketahui dunia barat sekitar seribu tahun kemudian. Kaliper geser dikembangkan di Cina 2.000 tahun yang lalu. Mereka adalah peradaban pertama yang melakukan eksperimen penerbangan yang sukses dengan lentera dan peralatan Kongming (perangkat terbang pertama).
Analisis tentang magnetisme di Tiongkok sudah ada sejak abad keempat. Shen Kuo memberikan kontribusi utama yang signifikan dalam bidang ini. Dia adalah orang pertama yang menjelaskan kompas jarum magnet yang digunakan untuk navigasi. Dia juga secara mandiri menciptakan kamera obscura.
Fisika di Timur Tengah Kuno
Selama periode antara abad ke-7 dan ke-15, kemajuan ilmiah yang luar biasa terjadi di dunia Arab. Sebagian besar karya klasik penting dalam bahasa Yunani, India, Persia, dan Asyur banyak diterjemahkan ke dalam bahasa Arab. Terdapat perkembangan besar dalam bidang optik, matematika, dan kedokteran. Ibnu al-Haytham dianggap sebagai pendiri optik modern. Dia membuang teori cahaya berorientasi objek dari Aristoteles dan Ptolemeus. Dia mengusulkan bahwa cahaya bergerak ke mata sebagai sinar dari berbagai titik pada tubuh. Penemuan Abū Rayhān Bīrūnī dan Ibn al-Haytham kemudian diteruskan kepada para sarjana Eropa seperti Witelo dan Roger Bacon.
Awal Revolusi Ilmiah
Abad keenam belas menandai dimulainya revolusi dalam studi hukum fisika. Kelemahan dari pendekatan filosofis yang lebih tua terlihat jelas selama periode ini. Karena semakin banyak hasil observasi yang bertentangan dengan teori-teori yang didominasi oleh filosofis, banyak peneliti zaman baru mulai menyanggah pendekatan yang ada. Hal ini beresonansi di setiap subbidang fisika. Revolusi dimulai ketika para cendekiawan yang memberontak mulai mengkritik metode filosofis skolastik tanpa henti. Di sisi lain, para pemberontak mengusulkan bahwa metodologi matematika deskriptif benar-benar dapat menghasilkan penjelasan yang baik secara universal tentang gerak dan fenomena mekanis.
Pada tahun 1543, lompatan kuantum pertama dalam astronomi dibuat oleh Nicolaus Copernicus. Dia secara ilmiah mengusulkan postulat yang valid untuk model heliosentris Tata Surya. Dalam teori heliosentris, Bumi berputar mengelilingi Matahari bersama dengan semua benda langit lainnya di galaksi Bumi. Ini adalah konsep yang revolusioner ketika kita membandingkannya dengan model Ptolemeus (abad kedua Masehi). Ia mengusulkan bahwa Bumi adalah pusat alam semesta dan segala sesuatu berputar mengelilingi Bumi. Ia percaya bahwa segala sesuatu di alam semesta diciptakan untuk kesejahteraan Bumi. Faktanya, model ini telah diterima sebagai kebenaran selama lebih dari 1.400 tahun. Johannes Kepler semakin memperkuat model heliosentris melalui hukum-hukumnya tentang gerak planet. Ia secara efisien menjelaskan gerak sebagian besar planet di Tata Surya.
Galileo Galilei meneliti jatuh bebas, gravitasi, prinsip relativitas, inersia, kecepatan, kelajuan, dan gerak proyektil. Dia juga memberikan kontribusi yang signifikan dalam bidang sains dan teknologi terapan. Dia merancang termoskop dan berbagai kompas militer. Dia menggunakan teleskop untuk mengamati benda-benda langit. Dia adalah orang pertama yang mengamati cincin Saturnus. Dia juga merupakan pendukung setia model heliosentris Copernicus. Eksperimen empiris, penggunaan teleskop, dan penemuan astronomi yang dilakukannya memberikan dasar bagi model heliosentris. Ia menemukan bahwa benda-benda tidak jatuh dengan kecepatan yang sebanding dengan bobotnya. Dia merumuskan relativitas Galilean. Ia menyatakan bahwa hukum gerak adalah sama di setiap kerangka inersia.
Awal dari Fisika Klasik
Mekanika
Selama akhir abad ketujuh belas dan awal abad kedelapan belas, Sir Issac Newton menemukan beberapa hukum terobosan mengenai gravitasi dan gerak. Newton secara matematis menggambarkan gaya gravitasi. Dia menurunkan hukum gravitasi universal. Pentingnya hukum gravitasi adalah bahwa hukum ini membantu menjelaskan pergerakan planet-planet di sekitar Matahari, pergerakan bulan di sekitar planet-planet, dan pergerakan satelit buatan manusia di sekitar Bumi. Newton menemukan tiga hukum gerak yang konkret, yang merumuskan hubungan timbal balik antara gerak dan benda yang digerakkan. Newton secara mandiri menemukan cabang matematika baru yang disebut kalkulus. Dia membangun hukum gerak dan gravitasi di bawah kerangka kerja alat matematika dinamis ini. Kalkulus kemudian menjadi salah satu alat penting dalam ilmu fisika. Prinsip-prinsip Newton secara langsung mendapat sorotan dari para filsuf kontemporer yang tidak puas dengan ketidakmampuan hukum-hukum ini untuk menjelaskan sisi metafisik.
Ketika fisika mekanik berkembang di bawah fondasi matematika, penerapan hukum fisika mulai tumbuh dalam bentuk alat mekanik. Pendahulu mesin mekanik dikembangkan oleh Otto von Guericke. Pada tahun 1650, dia membangun pompa vakum pertama di dunia (percobaan belahan Magdeburg). Dia mencoba untuk membantah postulat Aristoteles (alam membenci ruang hampa) dengan menciptakan ruang hampa. Pada tahun 1656, Robert Boyle (menggunakan desain Guericke), dengan bantuan Robert Hooke, membuat pompa udara. Dengan menggunakan alat mekanis ini, Boyle dan Hooke mengamati hubungan tekanan-volume untuk gas PV = k, di mana ‘P’ berarti tekanan, ‘V’ berarti volume, dan ‘k’ berarti konstanta.
Seiring dengan semakin banyaknya ilmuwan yang memahami kalkulus dan mekanika yang dikembangkan oleh Newton, penemuan dan aplikasi baru dibuat di bidang mekanika. Selama abad kedelapan belas, studi tentang analisis matematis gerak disebut mekanika rasional atau matematika campuran. Kemudian dinamakan mekanika klasik.
Dengan menyebarnya konsep kerja-energi, teori konservasi juga mulai berkembang. Julius Robert von Mayer, pada tahun 1841, menerbitkan sebuah makalah tentang gagasan konservasi energi. Sayangnya, kurangnya pendidikan akademisnya menyebabkan dia ditolak oleh komunitas ilmiah. Hermann von Helmholtz secara formal menjelaskan prinsip konservasi energi.
Elektromagnetisme
Pada tahun 1800, baterai listrik (tumpukan volta) ditemukan oleh Alessandro Volta. Thomas Young, setahun kemudian, menunjukkan karakteristik gelombang cahaya yang sangat didukung oleh karya Augustin-Jean Fresnel. Pada tahun 1820, sebuah penemuan besar terjadi; Hans Christian Ørsted mengamati bahwa konduktor pembawa arus menghasilkan gaya magnet yang menyelimutinya. Menariknya, dalam beberapa hari setelah penemuan ini, André-Marie Ampère menemukan bahwa dua arus yang bergerak dalam orientasi paralel akan memberikan gaya satu sama lain. Pada tahun berikutnya, Michael Faraday menciptakan motor yang digerakkan oleh listrik. Pada tahun 1826, Georg Ohm mengusulkan hukum hambatan listrik, yang menggambarkan korelasi antara hambatan, arus, dan tegangan dalam rangkaian listrik. Faraday menemukan prinsip efek balik dan induksi elektromagnetik pada tahun 1831. Produksi arus listrik atau potensial listrik melalui magnet disebut induksi elektromagnetik. Kedua prinsip ini adalah dasar dari generator listrik dan motor listrik.
Léon Foucault dan Hippolyte Fizeau menghitung kecepatan cahaya di dalam air dan menemukan bahwa kecepatannya jauh lebih lambat daripada di udara. Hal ini menjadi dukungan kuat untuk model gelombang cahaya.
James Clerk Maxwell mengembangkan hukum distribusi kecepatan molekul pada tahun 1859. Maxwell menggambarkan bahwa sepasang medan listrik dan medan magnet bergerak ke arah luar dari sumbernya yang unik dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan cahaya. Cahaya adalah salah satu dari banyak jenis radiasi elektromagnetik. Radiasi EM hanya dibedakan menurut panjang gelombang dan frekuensinya. Maxwell merilis makalah penelitiannya tentang teori dinamis medan elektromagnetik pada tahun 1864. Melalui Risalah Listrik dan Magnet, pada tahun 1873, Maxwell mendeskripsikan cahaya sebagai fenomena elektromagnetik yang eksklusif. Temuan ini secara langsung terinspirasi dan disimpulkan dari karya-karya Wilhelm Weber dan Carl Friedrich Gauss. Dimasukkannya gaya elektromagnetik dalam mekanika Newton dan panas dalam gerakan partikulat menciptakan landasan kerja teoritis yang sangat kuat untuk pengamatan dan eksperimen fisik.
John Dalton mengusulkan teori atom pada awal abad kesembilan belas. Dalam konteks hukum termodinamika, teori atom menjadi salah satu dalil teori kinetik gas yang dibangun oleh Maxwell dan Clausis.
Hukum Termodinamika
Hubungan antara energi mekanik dan panas ditetapkan secara ilmiah oleh James Prescott Joule dan Julius Robert von Mayer. Pada tahun 1840, mereka menghitung kesetaraan mekanis dari panas. Hubungan antara energi dan panas sangat penting untuk pengembangan mesin panas (mesin uap). Pada tahun 1824, Sadi Carnot mempublikasikan karya teoritis dan eksperimentalnya tentang mesin panas. Dia memasukkan beberapa konsep termodinamika dalam deskripsinya tentang mesin yang ideal. Karyanya memberikan dasar bagi pengembangan hukum pertama termodinamika, yang merupakan pernyataan ulang dari hukum kekekalan energi (diusulkan oleh William Thomson sekitar tahun 1850). Claudia dan Kelvin menyatakan hukum kedua dalam termodinamika. Hukum ini awalnya dikembangkan dalam hal kasus dimana panas secara impulsif berpindah dari daerah yang lebih dingin ke daerah yang lebih panas. Kelvin merumuskan implikasi langsung yang penting dari hukum tersebut. Hukum kedua adalah konsep bahwa gas terbentuk dari molekul-molekul yang bergerak. Pada tahun 1738, konsep ini banyak dianalisis dan didiskusikan oleh Daniel Bernoulli. Namun, konsep ini segera hilang dari opini populer. Setelah lebih dari satu abad, konsep ini kembali menjadi pusat perhatian oleh Clausius.
Fisika Modern
Fisika modern mulai berkembang pada awal abad ke-20 dengan diperkenalkannya teori relativitas dan mekanika kuantum. Fisika klasik umumnya berurusan dengan skenario normal di mana kecepatannya lebih rendah dari kecepatan cahaya. Objek-objeknya jauh lebih besar daripada ukuran atom, dan energinya relatif rendah. Sebaliknya, fisika modern berurusan dengan kondisi oktan tinggi dan energik. Fisika modern berkaitan dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya, energi tinggi (relativitas), dan jarak yang sangat kecil yang sebanding dengan jari-jari atom (mekanika kuantum). Efek relativistik dan kuantum dianggap ada pada semua skala fisik, tetapi efek tersebut dapat diabaikan pada skala manusia (yang didominasi oleh fisika klasik). Secara umum, fisika kuantum kompatibel dengan relativitas khusus. Di sisi lain, relativitas umum tidak cocok dengan mekanika kuantum. Saat ini, hukum gravitasi dan hukum kuantum tidak memiliki titik temu.
Model Standar
Sejak tahun 1920-an, penemuan dan dalil-dalil fisikawan yang tak terhitung jumlahnya telah memuncak pada wawasan yang luar biasa tentang sifat dasar alam semesta yang terlihat. Setiap entitas fisik di alam semesta terdiri dari blok-blok penyusun dasar yang dikenal sebagai partikel-partikel fundamental. Empat kekuatan dasar alam mengendalikannya secara ketat. Model standar adalah rangkuman dari postulat dan temuan tentang bagaimana partikel-partikel dasar dan tiga gaya dasar (tidak termasuk gravitasi) saling terhubung satu sama lain. Model ini mulai berkembang pada awal tahun 1970-an; model ini memiliki rekam jejak yang luar biasa dalam memprediksi fenomena baru dan menjelaskan hampir semua hasil eksperimen. Seiring berjalannya waktu, dengan bantuan berbagai eksperimen (terutama eksperimen akselerator partikel), model Standar telah menjadi cabang fisika yang dieksperimenkan secara menyeluruh.
Menurut fisika modern, gaya gravitasi, gaya elektromagnetik, gaya lemah, dan gaya kuat adalah empat gaya fundamental di alam semesta. Meskipun model Standar dapat menjelaskan hampir semua fenomena, model ini masih belum dapat memasukkan gaya gravitasi ke dalam domainnya. Gravitasi memiliki jangkauan yang tak terbatas, tetapi hampir tidak mungkin dideteksi pada skala kuantum (gaya terlemah). Inilah sebabnya mengapa model standar tidak dapat menyertakan gravitasi. Di sisi lain, gaya elektromagnetik dan gaya nuklir lemah dan kuat berkali-kali lipat lebih kuat daripada gravitasi pada tingkat sub-atom. Gaya nuklir kuat adalah yang terkuat di antara semua gaya fundamental.
Model standar adalah bidang terpanas saat ini dalam fisika. Model ini mendorong sejumlah besar penemuan dan teori tentang alam semesta. Fisika modern secara harfiah berada di pundak model ini. Ada banyak sekali penemuan dan penemuan penting yang dipelopori oleh model Standar. Di antara sekian banyak penemuan, pendeteksian Higgs Boson adalah yang paling penting di antara semua hasil lainnya. CMS dan ATLAS at Large Hadron Collider (CERN) mengumumkan bahwa mereka telah mendeteksi partikel baru dengan nilai 126 GeV. Partikel eksotis ini konsisten dengan Higgs Boson yang diprediksi oleh model Standar.
Cakrawala fisika saat ini terhalang karena mekanika kuantum tidak sesuai dengan gravitasi. Fase fisika berikutnya akan dimulai ketika kita mampu mengembangkan teori medan terpadu yang menggabungkan model Standar dengan setiap aspek relativitas umum.
Soda Gembira 