Pengertian Cahaya untuk Bocah

Cahaya memang banyak digunakan di berbagai bidang dan kegunaannya pun dapat dimanipulasi karena karakteristiknya yang istimewa. Komputer kuantum contohnya, menggunakan sifat probabilitas kuantumnya untuk meningkatkan kompleksitas sebuah komputer dengan ukuran kuantum. Contoh lainnya adalah ketika anak alay ngambil foto di tempat yang gelap dan, hmm, saya kira ga perlu dijelaskan. Tapi, apa itu cahaya?

Asal usul cahaya sudah menjadi perdebatan setengah panas para fisikawan dan filosofis jauh sebelum Nyonya Menir berdiri. Hingga saat ini, fisikawan setuju jika cahaya adalah sebuah gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang pada rentang spektrum visibel dan memiliki energi yang diskret yang dibawa oleh sesuatu yang disebut photon. Artinya, setiap photon memiliki energi tertentu dan energi ini tidak dibagi-bagi ke partikel yang lain seperti pada peluruhan beta, di mana energi diteruskan kepada neutrino atau anti-neutrino. Akan tetapi, photon tidak hanya membawa energi pada cahaya yang dapat kita lihat, tetapi juga dapat membawa energi pada spektrum elektromagnetik yang tidak dapat terdeteksi oleh mata manusia, seperti gelombang ultraviolet. Besar energi ini tergantung pada frekuensi oleh gelombang cahaya tersebut. Secara frekuensi berbanding terbalik dengan panjang gelombang, cahaya merah akan memiliki energi yang lebih kecil dibandingkan cahay ungu. Secara matematika, besar energi pada sebuah cahay diekspresikan melalui persamaan:

E=hf

Di mana E adalah energi, h adalah konstanta Plank, dan f adalah frekuensi gelombang tersebut. Konstanta Plank lah yang menunjukkan bahwa energi sebuah photon adalah diskret. Besar konstanta ini adalah 6.63x10^-34 J/Hz, mungkin salah satu konstanta terkecil di dalam duni fisika. Akan tetapi, pada saat Plank mempublikasikan penemuannya pada tahun 1901 ia menyatakan bahwa besar konstanta ini senilai 6.55x 10^-34 J/Hz. Nilai ini dapat diderivasikan melalui teori termodinamika dan entropi dengan aplikasi kalkulus, namun tidak akan saya perlihatkan di dalam post ini karena saya juga tidak mengerti. Akan tetapi melalui beberapa revisi dan beberapa konsiderasi tambahan, nilainya pun sedikit bergeser.

Jadi kesimpulannya, cahaya adalah energi yang dibawa oleh photon. Pada kondisi vacuum, photon ini memiliki kecepatan 3x10⁸ m/s. Besaran energi cahaya berbanding lurus dengan frekuensinya.

Teori Dasar Lubang Hitam Untuk Bocah

Dulu pas masih SMP (kali ini aku ga nyalahin guru SMP) pernah baca-baca tentang lubang hitam di buku, internet, dll. Semua pada dasarnya menyimpulkan hal yang sama dan kita semua tau: lubangnya hitam dan menyerap. Tapi hal yang paling buat aku penasaran adalah darimana asal mula lubang hitam dan apa hebatnya lubang hitam selain nyedot? Bahkan setelah belajar astrofisika di SMA selama berabad-abad, masih banyak pertanyaan yang enggak terjawab. Jadi kali ini aku jelaskan yang dasar saja.

https://www.pinterest.com/pin/516506650988949845/

Lubang hitam berasal dari bintang maha raksasa yang mati. (Allah masih lebih maha raksasa bro jadi jangan ganti agama ya) Ada suatu standar yang menentukan apakah sebuah bintang dapat menjadi lubang hitam atau tidak, dan hal ini ditentukan dari massa inti bintang tersebut. Jika inti bintang (bukan massa total) tersebut bisa melewati batasan Oppenheimer-Volkoff, maka ada dua kemungkinan nasib bintang tersebut: bintang neutron dan lubang hitam. Bintang neutron kita simpan buat post yang lain aja (juga aku ga capek ngetiknya). Besar batasan Oppenheimer-Volkoff ini sekitar 2.9-3 kali lipat massa matahari. 

Ketika kita melihat lubang hitam, yang sebenarnya kita lihat adalah event horizon atau horizon peristiwa. Ini adalah batasan teoretis, di mana sebuah objek yang bergerak melalui batas ini dengan jarak tertentu harus memiliki kecepatan lebih cepat dari cahaya agak tidak terhisap. Dengan kata lain: tidak mungkin. (mungkin bukan 'tidak', hanya 'belum' :D ) Daya hisap lubang hitam sendiri tergantung dengan massanya. Lubang hitam sebesar koin di dalam kantong lu bisa menyerap seluruh bagian badan lu sebelum lu sadar bahwa lu punya koin di kantong. Kalau lu engga fakir kuota dan masih kepo dengan kekuatan hisap lubang hitam, coba deh nonton video di bawah.

https://www.youtube.com/watch?v=8nHBGFKLHZQ

Gaya gravitasi yang dimiliki lubang hitam sangat besar. Di permukaan bumi, seseorang merasakan percepatan gravitasi sebesar 9.81 ms^-2. Percepatan gravitasi yang dirasakan oleh orang ini (kira-kira) sama pada bagian kaki dan kepalanya. Nah, jika orang tersebut berada di dekat lubang hitam, ia akan merasakan percepatan gravitasi yang lebih besar di kakinya (tergantung posisi) dibandingkan dengan kepalanya. 

Benda yang terserap ke dalam lubang hitam akan tertuju pada satu titik yang disebut singularity atau singularitas. Titik di mana semua materi dan energi terpusatkan pada satu titik tanpa dimensi sehingga matematika dan fisika pun tak dapat mendeskripsikan lebih jauh lagi tentang hal ini. Singularitas dapat dianalogikan seperti membagi sebuah nomor dengan 0. Setelah titik ini, belum ada jawaban pasti apa yang akan terjadi pada materi dan energi yang terhisap. Ada yang mengajukkan teori tentang keberadaan lubang putih yang memiliki karakteristik yang bertolak belakang dengan lubang hitam. Walaupun keberadaan lubang putih ini dapat dibuktikan dengan matematika, hingga saat ini belum ada bukti nyata yang kredibel untuk menentukan benar-tidaknya objek ini. 

Tak ada yang abadi. Lubang hitam juga tidak. Lubang hitam akan mengecil dan terus mengecil. Materi lubang hitam akan hilang menjadi energi melalui proses yang disebut radiasi Hawking. Akan tetapi, proses ini berlangsung sangat lama. Ketika lubang hitam pertama di alam semesta akan hilang karena radiasi ini, kehidupan di bumi mungkin tidak ada lagi. 

Akan tetapi, jika matahari kita saat ini diganti dengan lubang hitam, orbit semua planet digaransi tidak akan berubah. Hanya saja kehidupan di bumi akan punah karena tidak menerima energi dari matahari: baca post ini). Tapi jangan takut karena matahari kita tidak akan menjadi lubang hitam karena matahari kita hanya bintang kecil yang pada akhir hayatnya akan menjadi white dwarf. Perlu massa jutaan kali dari massanya yang sekarang untuk matahari mampu berubah menjadi lubang hitam dan secara matematika: tidak mungkin. 

Dampak dari Efek Rumah Kaca dan Keseimbangan Energi

Mungkin banyak yang beranggapan bahwa efek rumah kaca adalah biang kerok dari global warming. Tapi mungkin ga banyak yang sadar kalau efek rumah kaca ga terjadi di atmosfer, kehidupan di muka bumi mungkin ga akan secerah sekarang. Untuk memahami peran efek rumah kaca pada kehidupan di bumi, kita harus ngerti tentang keseimbangan energi dulu.

Bumi mendapat energi dari matahari. Daya yang diberikan matahari adalah sekitar 1400 Joule setiap detiknya. Nilai ini disebut solar constant. Jelas, nilai ini adalah rata-rata per tahun dan berubah setiap tahunnya tergantung pada aktifitas permukaan matahari dan posisi bumi relatif dengan matahari. Akan tetapi, bumi juga mengeluarkan radiasi yang kira-kira setara dengan energi yang diterimanya. Hal ini disebut keseimbangan energi, di mana energi masuk=energi keluar. Kata 'kira-kira' sengaja saya buat bold karena sebenarnya bumi memberikan radiasi lebih sedikit dari yang ia terima. Material di permukaan bumi menyerap sebagian radiasi dan juga memantulkan radiasi yang ia terima. Perbandingan antara radiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang diterima oleh suatu material disebut albedo. Nilai albedo bumi dalam satu tahun rata-rata adalah 30%. Akan tetapi, karena kita fokus dengan efek rumah kaca, kita asumsikan saja bahwa peran albedo di bumi tidak terlalu berpengaruh. Dengan kata lain, albedo=100%. 

Sekarang baru kita masuk pada dampak rumah kaca. Radiasi yang dipantulkan dan dipancarkan oleh bumi tidak seluruhnya keluar dari bumi. Sebagian dari mereka terpantulkan kembali ke bumi. Hal ini disebut efek rumah kaca. Hal ini terjadi melalui fenomena resonansi, yaitu bergetarnya sebuah benda yang memiliki frekuensi yang sama. Radiasi yang dipantulkan dari permukaan bumi, terutama pada spektrum infrared, memiliki frekuensi yang sama dengan gas rumah kaca. Sehingga, radiasi ini akan diserap oleh gas rumah kaca dan dipantulkan ke segala arah, termasuk ke permukaan bumi. Gas rumah kaca dapat berupa: CH4, uap air, CO2 dan N2O. Hal ini mengakibatkan bumi menerima radiasi lebih banyak dibandingkan dengan radiasi yang dipancarkan, dengan kata lain mengakibatkan gangguan pada keseimbangan energi. Karena inilah suhu pada permukaan bumi meningkat. 

http://www.solarlightaustralia.com.au/2013/02/21/calculating-greenhouse-emissions/

Akan tetapi, tanpa adanya efek rumah kaca, kehidupan di bumi akan membeku. Tanpa adanya efek rumah kaca, radiasi yang dipantulkan oleh material pada permukaan bumi ditambah dengan radiasi yang dihasilkan oleh bumi sendiri (radiasi alami dari material di bawah permukaan bumi) akan 100% meninggalkan bumi. Hal ini juga akan mengakibatkan ketidakseimbangan energi karena bumi akan memancarkan radiasi lebih banyak dari energi yang diterima bumi. Kehilangan energi akan membuat suhu bumi turun menjadi -18ºC (perhitungan para fisikawan gambut di NASA). Pada suhu yang sedingin hati mantan ini, rasanya sulit bagi kehidupan di bumi untuk bertahan lama. Suhu optimal tubuh sendiri adalah 36-37ºC. Berada pada lingkungan dengan suhu -18ºC, manusia akan mati secara termodinamis.

Jadi, efek rumah kaca pada satu sisi menyelamatkan kehidupan manusia. Pada sisi yang lain, efek rumah kaca yang berlebihan akan meningkatkan suhu bumi. Hal yang dapat kita lakukan adalah mengurangi konsentrasi gas rumah kaca untuk mengurangi dampak rumah kaca yang berlebihan. 

Jurus Tembus Dinding Bernama Quantum Tunneling

Ini teori yang menurut aku paling 'what the f*ck' banget. Pertama baca catatan dan dengarin guru jelasin tentang quantum tunneling temen-temen gua semua pada teriak "haaaa?!" Agak sulit sih jelasinnya karena teorinya ga sejalan dengan akal sehat manusia (aku ga bilang kalau fisikawan yang ajukin teori ini gila tapi, emang aneh teorinya). Teorinya gini nih; partikel dengan momentum tertentu bisa menembus sebuah halangan tanpa harus melewati halangan tersebut.

Bayangin aja gini. Ada sebuah bola di satu sisi dinding. Secara logika, gimana cara mindahin bola tersebut ke sisi yang lain? 

Salah satu jawabannya adalah dengan melempar bola tersebut melewati dinding. Itu logika klasik. Quantum tunneling analoginya berbeda. 

Menurut quantum tunneling, bola tersebut bisa berada di sisi yang lain tanpa perlu melangkahi dinding. Bola tersebut bisa dibilang 'tembus' melalui dinding. Jangan tanya kenapa, mereka mah gitu memang. Nah, ini cuma analogi. Secara fisika, benda yang kita sebut 'dinding' pada analogi ini disebut potential barrier yang dapat berupa apa saja seperti nucleus. Kemampuan sebuah partikel untuk men-tunnel-kan dirinya melalui sebuah potential barrier dipengaruhi oleh:

1. Besarnya potential barrier tersebut. Semakin besar, maka semakin kecil kemungkinan quantum tunneling untuk terjadi.

2. wave function (fungsi gelombang) akan partikel tersebut. Ini adalah fungsi yang menggambarkan gerak dan keberadaan sebuah partikel pada sebuah domain. Kemungkinan untuk menemukan keberadaan sebuah partikel pada waktu dan tempat tertentu adalah aplitudo kuadrat dari fungsi ini. Amplitudo fungsi ini berkurang pada bagian luar potential barrier. 

http://www.testandmeasurementtips.com/new-articles/quantum-tunneling-and-tunnel-diodes/

Akan tetapi, jangan coba-coba tabrak diri kalian ke dinding dan berharap kalian seketika tembus ke sisi yang lain, walaupun kemungkinannya memang ada. Tapi sangat kecil. Momentum manusia masih terlalu besar untuk itu. Quantum tunneling hanya berlaku pada artikel dengan skala kuantum seperti quark dan elektron yang memiliki massa cukup kecil sehingga memiliki momentum yang kecil. 

Model Atom

Kalau kalian disuruh gambar gimana bentuk atom, mungkin kebanyakan dari kalian bakalan ngegambar sesuatu yang mirip dengan gambar ini. Termasuk saya ketika SMP. Karena guru saya bilang kalau gambar di bawah ini adalah bentuk atom. 

Gambar ini adalah model atom yang diajukan oleh Bohr pada tahun 1915. 

Mengapa disebut 'model atom', bukan 'bentuk atom'? Karena gambar di atas bukanlah bentuk atom sebenarnya. Gambar di atas hanyalah representasi Bohr akan bagaimana bentuk atom, sesuai dengan teori dan kalkulasi yang telah terbukti dengan eksperimen. Bentuk atom yang benar absolut hanya Allah yang tahu. Model atom Bohr sendiri adalah modifikasi dari model atom yang dikemukakan oleh Rutherford. 

Bohr datang dengan teori, yang kemudian diinterpretasikan ke dalam diagram seperti di atas. Teori yang dikemukakan Bohr tentang model atomnya adalah (saya ringkas supaya ga ribet):

1. Elektron mengitari inti atom pada orbit tertentu.

2. Setiap orbit atom memiliki level energi masing-masing. 

3. Elektron yang mengitari orbitnya tidak akan kehilangan energi.

4. Elektron dapat berpindah dari satu level energi ke level energi yang lain. Perpindahan ini dapat mengakibatkan spektrum emisi dan spektrum penyerapan.

Akan tetapi, model atom terus berkembang. Sejalan dengan berkembangnya teori fisika kuantum, model atom pun mengalami perubahan yang dapat mengeliminasi kelemahan-kelemahan dari model sebelumnya. Model atom yang direvisi ini diajukkan oleh Schrödinger pada tahun 1926 dan kira-kira direpresentasikan seperti ini:

http://world.mathigon.org/Probability

Saya tidak akan menjelaskan secara detail mengenai model ini karena memang tidak mungkin. Siswa fisika yang mengambil jurusan fisika di universitas mungkin juga tidak bisa. Akan tetapi ada beberapa hal yang mencolok dari model ini. Namun (menurut saya) yang paling mencolok adalah dari sisi orbit elektron. Orbit elektron bukan berbentuk elipse atau lingkaran, tapi direpresentasikan oleh gelombang yang disebut wave function (opo iki?). Artinya, gerak elektron tidak mengelilingi orbit, namun eletron dapat berpindah dari satu posisi ke posisi yang lain di dalam cakupan gelombang tersebut secara tiba-tiba, suka-suka, wallahu'alam. Dan di sini, gerak elektron tidak dapat dijelaskan dengan hukum Newton. 

Model atom dapat berubah dari waktu ke waktu seiring dengan berkembangnya pengetahuan. Model atom yang diajarkan waktu saya SMP mungkin belum up-to-date. Tapi model atom Bohr saya anggap cukup untuk pengenalan atom kepada bocah. 

Gelombang Elektromagnetik

Gelombang adalah sebuah gerakan yang memenuhi beberapa syarat. Pertama, gaya pada gerakan tersebut harus selalu mengarah pada sebuah titik quilibrium dan gaya tersebut berbanding lurus dengan perpindahannya. Kedua, akselerasi gerakan tersebut harus berbanding lurus dengan nilai negatif dari perpindahannya. Ada beberapa cara mengelompokkan gelombang, mulai dari transversal vs longitudinal, bergerak vs tegak, dll. Ada dua gelombang yang sangat spesial. Pertama, gelombang cinta Bang Haji Roma kepada Ani. Kedua, gelombang elektromagnetik. 

giphy.com

Hal yang membedakan gelombang elektromagnetik dengan gelombang lainnya adalah jumlah axisnya. Gelombang lainnya seperti suara hanya bergerak pada satu aksis. Jika speaker diletakkan di sebelah kiri, maka resultan gerakan gelombangnya ke kanan dan sebaliknya. Akan tetapi, gelombang elektromagnetik bergerak pada dua aksis: medan listrik pada satu aksis dan medan magnet pada aksis yang lain. Lihat gambar gif di atas: garis biru dan hijau melambangkan kedua aksis tersebut. Gelombang elektromagnetik dibagi menjadi beberapa spektrum berdasarkan panjang gelombangnya. Lihat diagram di bawah.

http://www.immunolight.com/technology/

Panjang gelombang berbanding terbalik dengan frekuensi gelombang tersebut. Semakin pendek gelombangnya maka semakin tinggi frekuensinya. Frekuensi yang tinggi juga mengindikasikan energi yang tinggi (ekuasi E=hf). Gelombang gamma memiliki energi yang besar karena frekuensinya tinggi (panjang gelombangnya pendek). 

Mata manusia hanya dapat melihat spektrum visibel yang hanya sebagian kecil dari gelomang elektromagnetik. Apa sih kelebihan gelombang visibel ini sehingga bisa dilihat oleh manusia? Jawabannya: tidak ada. Mata manusialah yang sebenarnya tidak mampu menangkap gelombang yang lain.  

Gelombang elektromagnetik sangat berperan penting bagi peradaban fisika dan astrofisika. Ilmuwan mendeteksi jarak planet, bintang, dan benda luar angkasa lainnya dengan gelombang elektromagnetik. Ilmuwan membuktikan bukti ekspansi alam semesta juga dengan fenomena redshift yang dialami oleh gelombang elektromagnetik. Ilmuwan membuktikan peristiwa big bang (boleh percaya boleh tidak) juga melalui gelombang elektromagnetik yang berasal dari awal mula alam semesta.

Benda Berat dan Ringan, Yang Mana Akan Jatuh Duluan?

Ini asumsi mungkin sering kita dengar di kalangan anak SD atau SMP. Bahkan guru SD atau SMP mungkin juga percaya kalau benda lebih berat akan jatuh duluan. Hal ini secara filosofi disebut: straw man fallacy. Artinya orang-orang ini menyatakan pernyataan yang bukan bidang keahliannya sehingga kerebilitasannya dipertanyakan. Hal ini secara fisika disebut: salah. Bedakan fisikawan dengan filosofis. Fisikawan tidak mem-bullshit-kan jawaban terlalu banyak.  

 Jawabannya? Salah. Jika dua benda dengan massa yang sama dijatuhkan dari ketinggian yang sama, kedua benda tersebut tidak akan jatuh pada waktu yang bersamaan dengan syarat gaya gesek udara tidak berpengaruh banyak pada kedua benda tersebut. Alasannya adalah kedua benda tersebut mengalami akselerasi yang sama. Kalau dijatuhkan di permukaan bumi, kedua benda tersebut mengalami akselerasi sebesar 9.82 m/s^2. Dan akselerasi ini sama sekali tidak dipengaruhi oleh massa benda tersebut. Kedua benda tidak akan jatuh bersamaan dari ketinggian yang sama jika akselerasi gravitasi yang dialami kedua benda tersebut berbeda. Contohnya benda dengan massa 10kg dijatuhkan dari ketinggian 10m di permukaan bumi tidak akan jatuh bersamaan dengan benda 10kg dijatuhkan dengan ketinggian 10m di permukaan bulan, walaupun diatuhkan secara bersamaan. 

Kalau tidak percaya, boleh kalian coba jatuhkan pacar dengan bola voli secara bersamaan dari lantai 10. Disarankan sebelum dicoba, pacarnya diasuransikan dulu. Saya ga tanggung jawab.