Kronologis Fisika Kuantum

Mekanika klasik (Newton, Lagrange, Hamilton dll) sukses menjelaskan gerak dinamis benda-benda makroskopis. Cahaya sebagai gelombang (Fresnel, Maxwell, Hertz) sangat berhasil menjelaskan sifat-sifat cahaya. Pada akhir abad 19, teori-teori klasik di atas tidak mampu memberikan penjelasan yang memuaskan bagi sejumlah fenomena “berskala-kecil” seperti sifat radiasi dan interaksi radiasi-materi. Akibatnya, dasar-dasar fisika yang ada secara radikal diteliti-ulang lagi, dan dalam perempat pertama abad 20 muncul berbagai pengembangan teori seperti relativitas dan mekanika kuantum.

Di dalam suatu pertemuan para ahli fisika jerman pada tanggal 14 Desember 1900 Max Planck mengemukakan karya ilmiahnya yang berjudul “On the Theory of the energi Distribution Law of the Normal Spectrum”. Sekalipun karya ini pada mulanya tidak banyak menarik perhatian orang, namun disadari bahwa karya planck ini telah membawa perubahan besar dalam dunia fisika, sehingga tanggal pertemuan tersebut kini dianggap sebagai hari kelahiran fisika kuantum. Lahirnya teori kuantum yang disarankan oleh Planck karena teori klasik gagal menjelaskan distribusi tenaga dalam spectrum yang dipancarkan oleh benda hitam.

Muncunya teori kuantum memperluas jangkauan penyelidikan dunia fisika. Jika fisika klasik mempelajari fenomena fisika dalam dunia makroskopis, maka fisika kuantum mengkaji partikel-partikel elementer dan mencoba menemukan hukumhukum yang mengatur tingkah laku partikel-partikel ini.

1. Tahun 1803 (John Dalton)

John Dalton memperkenalkan ide atom ke kimia dan menyatakan bahwa merupakan materi yang terdiri dari jumlah atom-atom yang berbeda.

2. Tahun 1897

Pieter Zeeman menunjukkan bahwa cahaya dipancarkan oleh gerak partikel bermuatan dalam atom , dan Joseph John (JJ) Thomson menemukan elektron .

3. Tahun 1900 (max Plank)

Max Planck menjelaskan radiasi hitam dalam konteks emisi energi terkuantisasi : Quantum teori lahir. Pada tahun 1894 Planck mulai mengkaji masalah radiasi benda hitam. Dia telah ditugaskan oleh perusahaan-perusahaan listrik untuk membuat cahaya maksimum dari bola lampu dengan energi minimum. Masalah itu telah dinyatakan oleh Kirchhoff pada tahun 1859: "bagaimana intensitas radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda hitam (sebuah penyerap sempurna, juga dikenal sebagai rongga radiator) tergantung pada frekuensi dari radiasi (misalnya, warna cahaya) dan suhu tubuh?

Pertanyaan ini telah dieksplorasi secara eksperimental, tetapi ada penjelasan teoritis yang setuju dengan nilai-nilai eksperimental. Wilhelm Wien diusulkan hukum Wien , telah mempredksi dengan benar perilaku pada frekuensi tinggi, tetapi gagal pada frekuensi rendah. Hukum Rayleigh-Jeans, yang igunakan sebgai pendekatan lain untuk masalah ini, menciptakan apa yang kemudian dikenal sebagai " bencana ultraviolet ", tetapi bertentangan dengan banyak buku teks, sehingga ini bukanlah sebuah motivasi untuk Planck.

Solusi pertama yang diusulkan Planck terhadap masalah pada tahun 1899 diikuti dari yang disebut Planck sebagai "prinsip gangguan dasar", yang membuatnya memperoleh hukum Wien dari sejumlah asumsi tentang entropi dari suatu osilator yang ideal, menciptakan apa yang disebut sebagai hukum Wien-Planck. Segera ditemukan bahwa bukti eksperimental tidak menegaskan hukum yang sama sekali baru, untuk frustrasi Planck. Plank merevisi pendekatannya pafa versi pertama yang terkenal hukum radiasi benda hitam Planck, yang menggambarkan sebuah eksperimen tentang spektrum benda hitam dengan baik. Ini pertama kali diusulkan pada pertemuan DPG pada tanggal 19 Oktober 1900 dan diterbitkan pada tahun 1901.

Pada penurunan pertama ini tidak termasuk kuantisasi energi, dan tidak menggunakan mekanika statistik. November 1900, Pada bulan November 1900, Planck merevisi pendekatan pertamanya, dengan mengandalkan statistik Boltzmann dari hukum kedua termodinamika sebagai cara untuk mendapatkan pemahaman yang lebih mendasar tentang prinsip-prinsip di balik hukum radiasinya.

Akhir dari revisi ini di sampaikan pada tanggal 14 Desember 1900 kita kenal sebgai postulat plank energi  elektromagnetik yang bisa dipancarkan hanya dalam terkuantisasi bentuk, dengan kata lain, energi hanya bisa dari kelipatan sebuah E unit SD = ν h, dimana h adalah konstanta Planck , juga dikenal sebagai hukum kuantum Planck (diperkenalkan sudah di 1899), dan ν (yang nu huruf Yunani, bukan v huruf Romawi) adalah frekuensi radiasi.

4. Tahun 1905

Albert Einstein mengusulkan bahwa cahaya, yang memiliki sifat seperti gelombang, bersifat diskrit dan terkuantisasi dalam energi yang besar, yang kemudian disebut foton. Pada tahun 1905 Einstein meneliti efek fotolistrik. Efek fotolistrik adalah pelepasan elektron dari logam tertentu atau semikonduktor oleh aksi cahaya. Teori elektromagnetik cahaya memberikan hasil yang bertentangan dengan bukti-bukti eksperimental. Einstein mengusulkan teori kuantum cahaya untuk memecahkan kesulitan dan kemudian ia sadar bahwa Planck teori 'memanfaatkan implisit dari hipotesis kuantum cahaya. Pada 1906 Einstein telah benar menduga bahwa perubahan energi yang terjadi dalam osilator bahan kuantum. Einstein menerima Hadiah Nobel 1921 untuk Fisika, pada tahun 1922, untuk pekerjaan ini pada efek fotolistrik.

Hasil-hasil eksperimen interferensi dan difraksi membuktikan bahwa teori tentang cahaya sebagai gelombang telah mantap pada penghujung abad 19, terlebih lagi karena keberhasilan teori elektromagnetik Maxwell. Einstein (1905) menolak teori tersebut berdasarkan fenomena efek foto-listrik dimana permukaan logam melepaskan elektron jika disinari dengan cahaya berfrekuensi

ν ≥ W / h W

adalah fungsi kerja logam (=energi ikat elektron dipermukaan logam). Menurut Einstein, dalam fenomena tersebut cahaya harus dipandang sebagai kuanta yang disebut foton, yakni partikel cahaya dengan energi kuantum E=hν. Dalam teori relativitas khususnya (1905), hubungan energi dan momentum suatu partikel diungkapkan sebagai berikut:

p adalah momentum partikel, dan mo adalah massa diam partikel bersangkutan. Untuk foton, karena tidak mempunyai massa diam, sedangkan energinya E=hυ, maka momentum foton adalah

 

Adanya momentum inilah yang mencirikan sifat partikel dari cahaya.

5. Tahun 1911

Ernest Rutherford mengusulkan nuklir model atom .

6. Tahun 1913

Niels Bohr mengusulkan model atomnya, bersama dengan konsep keadaan energi stasioner , dan keterangan untuk spektrum hidrogen . 

7. Tahun 1914

James Franck dan Gustav Hertz mengkonfirmasi keberadaan keadaan stasioner melalui percobaan-hamburan elektron . 

8. Tahun 1923

Arthur Compton mengamati bahwa x-ray berperilaku seperti bola bilyar miniatur dalam interaksi mereka dengan elektron, sehingga memberikan bukti lebih lanjut untuk sifat partikel cahaya.

Seperti halnya dalam fototistik, dalam menjelaskan efek Compton, cahaya harus dianggap terdiri dari foton-foton yang energinya sebesar tetapan Planck dikalikan dengan frekuensinya. Dalam peristiwa ini foton sinar X menumbuk elektron yang berada dalam keadaan diam. Foton ini mengalami hamburan dari arahnya semula. sedangkan elektron yang tadinya diam menerima impluls dan mulai bergerak. Foton yang membawa energi kehilangan sebagian energinya dan terhambur dengan frekuensi yang berbeda dengan frekuensi semula. Kehilangan sejumlah energi tersebut sesungguhnya diterima oleh elektron dan dijadikan sebagai energi kinetik. Perbedaan panjang gelombang antara foton yang datang dan foton yang terhambur ternyata tidak bergantung pada panjang gelombang foton yang datang tetapi bergantung pada sudut hamburan. Dalam persamaan untuk menghitung panjang gelomgang tersebut, muncul faktor h/moc dimana mo menyatakan massa diam elektron, c kecepatan cahaya dan h tetapan Planck. Besaran h/moc ini disebut panjang gelombang Compton. Sekali lagi nampak bahwa dalam besaran ini tetapan Planck memainkan peranannya.

 

9. Tahun 1923

Louis de Broglie menyamaratakan Dualitas gelombang-partikel dengan menyarankan bahwa partikel materi juga seperti gelombang.

10. Tahun 1924

Satyendra Nath Bose dan Albert Einstein menemukan cara baru untuk menghitung partikel kuantum, kemudian disebut statistik Bose-Einstein , dan mereka memprediksi bahwa atom yang sangat dingin harus mengembun menjadi negara kuantum tunggal, kemudian dikenal sebagai kondensat Bose-Einstein. 

11. 1925  Tahun 

Werner Heisenberg , Max Born , dan Pascual Jordan mengembangkan mekanika matriks, versi pertama dari mekanika kuantum , dan membuat langkah awal dalam bidang teori kuantum .

Dalam fisika klasik terdapat anggapan bahwa setiap variabel dinamis dapat diukur dengan ketelitian sekehendak. Anggapan ini tidak menyadari bahwa pada prinsipnya terdapat suatu batas ketelitian dalam pengukuran. Werner Heisenberg pada tahun 1927 mengemukakan bahwa perkalian ketidak pastian kedudukan benda (Dx) pada suatu saat dengan ketidakpastian dalam pengukuran momentum D px (komponen ke arah x) pada saat itu, lebih besar atau sama dengan tetapan Planck dibagi dengan 4 p. Pernyataan ini dapat ditulis:

Dx Dpx ³ h/4 p

Ini berarti bahwa kedudukan benda dan momentumnya tidak dapat ditentukan secara sekehendak. Dengan kata lain fungsi distribusi untuk posisi dan momentum keduanya tidak dapat dibuat sesempit mungkin tetapi dibatasi oleh relasi seperti pada persamaan diatas.  Ketidakpastian ini bukan disebabkan oleh alat ukur atau masalah statistik, melainkan timbul dan sifat ketidakpastian alami yang disebabkan oleh sifat partikel dan gelombang dari materi dan cahaya. Tertihat bahwa dalam keterbatasan ketelitian inipun yang digambarkan oleh prinsip ketidakpastian, tetapan Planck memegang peranan yang penting.

12. Tahun 1926

Erwin Schrödinger mengembangkan keterangan kedua fisika kuantum yang disebut mekanika gelombang. Ini mencakup apa yang menjadi salah satu formula yang paling terkenal dari ilmu pengetahuan, yang kemudian dikenal sebagai persamaan Schrödinger .Persamaan Schrödinger untuk 1 partikel yang tidak bergantung waktu untuk suatu partikel adalah:

Bagaimana pandangan fisika kuantum?

Persamaan Schrödinger untuk suatu partikel berosilasi adalah:

Lakukan penyederhanaan:

Persamaan ini dapat diselesaikan dalam dua tahap. Tahap pertama: untuk z yang besar c dapat diabaikan: (appr. Asimtotik)

               

Persamaan Schrodinger menjadi:

Enrico Fermi dan Paul AM Dirac menemukan bahwa mekanika kuantum membutuhkan cara kedua untuk menghitung partikel, statistik Fermi-Dirac, membuka jalan untuk memahami fisika zat padat .

Dirac menerbitkan sebuah ulasan singkat tentang teori kuantum cahaya. 

13. Tahun 1927

Heisenberg dengan Prinsip Ketidakpastian menyatakan, bahwa tidak mungkin untuk mengukur secara tepat posisi dan momentum partikel pada saat yang sama.

14. Tahun 1928

Dirac menyajikan teori relativistik dari elektron yang meliputi prediksi antimateri. 

15. Tahun 1932

Carl David Anderson menemukan antimateri , antielektron yang disebut positron. Pada umumnya pada proses pemusnahan positron maupun elektron berada dalam keadaan tak bergerak. Oleh karena itu hukum kekekalan momentum linear mengharuskan terjadi sekurang-kurangnya 2 foton.

            e⁺ + e^- è v₁ + v₂

            Kekekalan energi relativistik total menghendaki :

            2 m₀c² = hv₁ + hv₂

            Tetapi hukum kekekalan momentum linear mempersyaratkan :

           

            sehingga diperoleh :

            v₁ = v₂

16. Tahun 1934

Hideki Yukawa mengusulkan bahwa kekuatan nuklir yang dimediasi oleh partikel besar yang disebut meson , yang analog dengan foton dalam mediasi kekuatan elektromagnetik. 

17. Tahun 1946-48 1946-1948

Percobaan oleh Isidor I. Rabi , Willis lamb , dan Polykarp Kusch mengungkapkan perbedaan dalam teori Dirac. 

18. Tahun 1948

Richard Feynman , Julian Schwinger , dan Sin-Itiro Tomonaga mengembangkan teori lengkap pertama dari interaksi foton dan elektron, elektrodinamika kuantum, yang menyebabkan perbedaan dalam teori Dirac.

19. Tahun 1957

John Bardeen , Leon Cooper, dan Robert Schrieffer menunjukkan bahwa elektron dapat membentuk pasangan yang sifat kuantumnya memungkinkan mereka untuk bepergian tanpa perlawanan, memberikan penjelasan atas hambatan listrik nol pada superkonduktor. Teori ini kemudian disebut sebagai teori BCS (merupakan inisial nama dari tiga ahli fisika ini). 

20. Tahun 1959

Yakir Aharonov dan David Bohm memprediksi bahwa medan magnet mempengaruhi sifat kuantum dari elektron dalam suatu cara yang dilarang oleh fisika klasik. Efek Aharonov-Bohm diamati pada tahun 1960 dan petunjuk pada kekayaan efek makroskopik tak terduga. 

21. Tahun 1960

Building on work by Charles Townes , Arthur Schawlow , and others, Theodore Maiman builds the first practical laser . Membangun kerjasama dengan Charles Townes , Arthur Schawlow , dan lain-lain, Theodore Maiman mendirikan praktek laser pertama .

22. Tahun 1964

John S. Bell mengusulkan uji eksperimental, "kesenjangan Bell," apakah mekanika kuantum memberikan gambaran yang mungkin paling lengkap dari suatu sistem. 

23. Tahun 1970

Dasar yang diletakkan untuk model standar dari fisika partikel , yang dalam hal dikatakan terbuat dari quark dan lepton yang berinteraksi melalui empat gaya fisik. 

24. Tahun 1982

Alain Aspect melakukan tes eksperimental dari pertidaksamaan Bell dan menegaskan kelengkapan mekanika kuantum. 

25. Tahun 1995

Eric Cornell, Carl Wieman, dan Wolfgang Ketterle awan perangkap dari atom logam didinginkan sampai kurang dari sepersejuta derajat di atas nol mutlak, memproduksi partikel Bose-Einstein, yang pertama kali diprediksi 70 tahun sebelumnya. Prestasi ini mengarah pada penciptaan laser atom dan gas superfluid.