Perkembangan Fisika
Secara sederhana pengertian fisika ialah ilmu pengetahuan atau sains tentang energi, transformasi energi, dan kaitannya dengan zat. Sebagaimana sains yang lain, fisika juga mengalani perkembangan yang pesat terutama sejak abad ke-19. Oleh karena itu orang membagi fisika dalam fisika klasik dan fisika modern. Fisika klasik merupakan akumulasi dari pengatahuan, teori-teori, hukum-hukum, tentang sifat zat dan energi yang sebelum tahun 1900 mengalami penyempurnaan. Adapun bidang-bidang yang menjadi bahasannya meliputi mekanika, akustik, termometri, termodinimika, listrik dan magnet, optika. Bidang bahasan ini tetap merupakan dasar dan kerekayasaan dan teknologi, serta merupakan awal pelajaran fisika. Sekitar tahun 1900 terjadi beberapa fenomena anomali dalam flsika klasik sehingga melahirkan fisika modern.
Fisika modern mempelajari struktur dasar suatu zat, yakni molekul, atom, inti serta partikel dasar. Teori relativitas menunjukkan bahwa dalam hal jarak yang amat besar serta kecepatan yang amat tinggi, teori fisika klasik kurang memadai. Sejak 1925 teori kuantum tentang zat serta teori relativitss dapat dikatakan mendominasi fisika.
Fisika modem juga memberikan dasar serta penjelasan yang umum kepada fisika klasik. Sebagai contoh fisika modem menunjukkan bahwa energi dan zat adalah dua hal yang dapat dipertukarkan, artinya energi dapat hilang dari sistem dan timbul kembali sebagai zat dan demikian pula sebaliknya. Tetapi ini bukan berarti bahwa hukum kekekalan energi dalam fisika klasik
Penemuan Newton yang dianggap paling penting ialah dalam bidang mekanika. Dikisahkan ketika dia sedang ada di kebunnya pada tahun 1665 ia melihat buah apel jatuh dari pohonnya. Peristiwa ini kemudian meninbulkan gagasan tentang gaya gravitasi bumi. Selanjutnya ia mengemukakan bahwa besarnyn gaya tarik antara dua benda berbanding terbalik dengan jarak dua benda pangkat dua.
Selain itu hasil karyanya yang besar pada tahun 1678 adalah tulisannya yang berjudul “Philosophiae naturalis principia mathematica” atau yang biasa disebut “Pnincipia” saja. Dalam tulisan tersebut ia mengemukakan tiap hukum yang berhubungan dengan gerakan, yakni:
1) suatu benda akan tetap bergerak pada kecepatan yang sama sepanjang garis lurus atau tetap diam, bila tidak ada gaya yang mempengaruhinya,
2) perubahan gerak sebanding dengan besarnya gaya yang dikenakan pada benda tersebut, dan
3) pada setiap aksi selalu timbul reaksi yang sama.
Ketiga hukum ini disebut hukum Newton. Ketiga hukum Newton dan hukum gravitasi telah mampu memecahkan persoalan astronomi, yakni menentukan posisi yang tepat serta gerakan planet-planet. Karenanya ia sering disebut sebagai astronom besar di abad itu. Newton juga memberiltan sumbangan pemikiran dalam bidang termodinamika dan akustik.
Pada abad ke-19 telah terjadi perkembangan dalam bidang akustik yaitu telah dibuktikannya bahwa suara itu berupa gelombang melalui sifat-sifat gelombang seperti refleksi, refraksi dan interferensi. Gelombang suara itu ada yang terdengar oleh telinga biasa, dan ada yang tak terdengar oleh telinga biasa atau yang disebut gelombang ultrasonik. Kemajuan dalam bidang listrik dan elektronika sejak awal abad ke-20 memungkinkan kita untuk memproduksi, mengontrol dan mengukur gelombang suara, baik yang terdengar maupun yang tidak. Sekarang pengertian akustik meliputi suara yang terdengar dan yang tak terdengar atau ultrasonik. Gelombang ultrasonik telah dipergunakan di berbagai bidang antara lain dalam bidang kedokteran
Perkembangan fisika dalam bidang kalor atau panas meliputi pengukuran kalor atau kalorimetri, pemindahan kalor, dan termodinamika. Hingga saat ini satuan untuk kalor masih bermacam-macam, misalnya BTU, kalori, dan juga erg maupun joule. Satuan joule diambil dari nama orang yakni James Precot Joule (1818-1889). Ia adalah seorang ahli fisika bangsa Inggnis. Ia bekerja melakukan penelitian di laboratoniumnya sendini dan juga tidak menjabat apapun di perguruan tiuggi. Oleh karenanya teori yang dikemukakannya mula-mula kurang mendapat perhatian dari para ahli fisika.
Pada tahun 1860 ia menemukan hukum yang berhubungan dengan kalor yang terjadi pada konduktor listrik. Menumut Joule panas atau kalor yang tejadi pada konduktor listrik itu sebanding dengan tahanan kali arus pangkat dua. Dengan penemuan ini yang kemudian dikenal sebagai hukum Joule ia memperoleh penghargaan akademik. Hasil penelitian yang ia lakukan dikemukakannya dalam makalah yang berjudul “On the Caloric Effects of Magnetic Electricity and the Mechanical Value of Hear pada tahun 1843. Teori yang dikemukakannya ternyata kurang menimbulkan minat para ahli. Baru pada tahun 1847 ketika ia menjelaskan hal mi kepada Lord Kelvin ia mendapat pujian. Lord Kelvin adalah seorang ahli fisika dan ahli matematika bangsa Skotlandia yang terkenal dengan gagasannya tentang suhu absolut atan suhu Kelvin.
Termodinamika mempelajari transformasi energi menjadi panas atau kalor dan juga sebaliknya dari kalor menjadi energi. Dua hukum dasan dalam termodinamika ialah:
(1) energi alam semesta itu tetap dan (2) entropi alam semesta cenderung bertambah.
Teori tentang termodinamika telah dikemukakan oleh Carnot yang telah melakukan penelitian tentang mesin uap. Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796-1832) adalah seorang ilmuwan sains bangsa Perancis. Dari penelitiannya ia dapat mengemukakan teori tentang mesin uap yang kemudian disebut teori Cannot yang tertulis
dalam bukunya “Reflexions sur la puissance motive du feu” yang diterbitkan pada tahun 1840 setelah penulisnya meninggal. Dalam buku mi iìa menjelaskan bahwa usaha yang dapat diperoleh pada mesin ideal hanya tergantnng pada sumber panas dan penampung panas, sehingga efisiensi dapat dthitung. Hingga duapuluh tahun lamanya buku ini tidak menanik perhatian orang. Setelah ditemukan kembali oleh William Thomson (kemudian menjadi Lord Kelvin) dan digunakan untuk menentukan sifat-sifat zat, teori Carnot mulai
diketahui dan mendapat perhatian para ilmuwan fisika.
Ilmu tentang listrik dan magnet mula-mula dipelajari orang secara terpisah, namun sejak tahun 1830 orang menyadari bahwa keduanya sangat erat hubungannya sehingga listnik dan magnet merupakan satu pokok bahasan dalam ilmu fisika. Beberapa orang yang memberikan sumbangan pemikiran dalam bidang ini antara lain ialah Ohm, Maxwell dan Hertz.
Georg Simon Ohm (1787-1854) adalah seorang ahil fisika bangsa Jerman. Sumbangaanya terhadap perkembangan fisika berupa hukum yang menjelaskan hubungan antara tahanan listrik dengan selisih atau beda potensial dan arus listnik. Hukum itu dinamakan hukum Ohm yang ditulis sebagai: E =IR, dimana E ialah beda atau selisih potensial, I ialah intensitas arus listrik dan R adalah tahanan.listrik. Nama Ohm dipakai sebagal satuan tahanan listrik.
James Clerk Maxwell (1831-1879) adalah seorang ahli fisika Skotlandia yang sejak tahun 1871 menjabat sebagai guru besar fisika eksperimental pada universitas Cambridge. Tahun 1856 ia menulis makalah tentang cincin Saturnus yang berjudul: “On the Stability of Motion of Saturn’s Ring”. Tulisannya ini merupakan langkah menuju teori kinetik dan dinamika gas-gas. Dia mengemukakan teori elektromagnetik untuk cahaya sekitar tahun 1865. Teori ini mengantarkannya kepada penemuan gelombang elektromagnetik dan ia pun dapat menunjukkan bahwa kecepatan cahaya yang diketahui orang pada waktu itu sama dengan kecepatan gelombang elektromagnetik. Oleh karenanya ia mengambil kesimpulan bahwa cahaya terdiri atas gelombang elektromagnetik yang tampak oleh mata. Gelombang etektromagnetik yang tidak tampak oleh mata, misalnya sinar X, sinar gamma, sinar ultraviolet telah digunakan di kemudian hari untuk keperluan komunikasi tanpa kabel, seperti radio, televisi dart lain-lainnya.
Bukunya yang berjudul “Treatise on Electricity and Magnetism” diterbitkan pada tahun 18Th, namun teori yang dikemukakannya tidak memperoleh perhatian. Baru pada tahun 1888 teori tersebut diungkap kembali oleh Hertz, yang juga melakukan penelitian tentang sinar ektromagnetik. Hertz menyatakan bahwa gelombang elektrornagnetik lebih panjang daripada gelombang cahaya.
Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) adalah seorang ahli fisika bangsa Jerman yang pertama-tama memperkuat pendapat Maxwell tentang radiasi elektromagnetik. Pada tahun 1888 ia menulis makalah tentang energi kinetik dan aliran listnik. Dan penelitian-penelitian yang dilakukan antara tahun 1886-1889 ia menarik kesimpulan bahwa gelombang elektromagnetik mengikuti hukum refraksi dan polarisasi dan bahwa gelombang elektromagnetik itu berbeda dengan gelombang cahaya hanya pada panjang gelombangnya. Dengan demikian ia memperkuat pendapat Maxwell bahwa cahaya adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik
Seorang ahli matematika bangsa Belanda Willebrod van Roijen Sneil (1591-1626) yang nama Latinnya Sneilius, telah memberikan sumbangan besar dalam bidang optika. Dalam eksperimen yang ia lakukan, ia memperoleh suatu hukum yang berhubungan dengan refraksi cahaya dari satu medium transparan ke medium transparan yang lain, misalnya dari udara ke gelas, maka sinus sudut datang cahaya dan sinus sudut refraksi cahaya merupakan perbandingan yang tetap.
Teori tentang cahaya dan penglihatan telah dikemukakan orang pada zaman Yunani purba yaitu bahiwa apabila seseorang melihat suatu benda maka sinar datang dari mata dan mengenai benda. Hal ini dibantah kemudian oleh ilmuwan muslim Al-Haytsam (965-1039) yang mengatakan bahwa sinar cahaya bergerak dari obyek menuju mata. Artinya benda akan terlihat apabila ia memantulkan sinar kepada mata. Pendapat Haytsam ini sesuai dengan pendapat atau teori yang sekanang kita ikuti.
Sebelum tahun 1800 orang mengikuti apa yang dikemukakan oleh Newton yaitu bahwa cahaya itu terdiri atas partikel-partikel yang bergerak dengan kecepatan yang amat tinggi, yakni sekitar 186.000 mil per detik. Kemudian setelah tahun 1800 banyak bukti bahwa sinar cahaya itu berupa gelombang yang bergerak, seperti bunyi atau suara meskipun tidak samua betul. Teori ini juga diterima oleh banyak orang, sebelum Maxwell menjelaskan tentang teori gelombang elektromagnetik. Perkembangan fisika selanjutnya termasuk dalam fisika modern.
Perkembangan fisika yang berjalan dengan bailk pada abad ke19, ternyata menghadapi beberapa hal yang tidak sesuai dengan hukum-hukum fisika kiasik. Sebagai contoh pada tahun 1885 ketika mencoba mendemonstrasikan gelombang elektromagnetik, Hertz menemukan efek fotoelektrik, yakni adanya muatan negatif yang keluar dari permukaan logam apabila dikenai cahaya.
Pada waktu yang hampir bersamaan Thomas Alfa Edison (1847-193l) menemukan adanya muatan negatif yang terlepas dari filamen lampu yang membara. Di kemudian hari penemuan semacam inil merupakan awal ditemukannya sel fotoelektrik dan tahung vakum termionik, yakni alat-alat yang amat diperlukan dalam sains modern dan teknologi.
Beberapa orang yang telah melakukan ekspenimen dengan aliran listrik dalam tabung bertekanan rendah ialah Crookes, Thomson dan Rontgen. Selanjutnya penemuan-penemuan oleh Becquerel, suami isteri Curie melengkapi perkembangan fisika modern, menuju pada teori kuantum, teori relativitas dan fisika inti.
Sir William Crookes (1832-1919) adalah seorang ahli kimia dan ahli fisika bangsa Inggris. Pada tahun 1879 Crookes melakukan ekspenimen tentang radiasi yang terjadi pada tabung berisi udara bertekanan sangat rendah, yang sekarang disebut tabung Crookes. Tabung in terdini atas tabung gelas yang di dalamnya terdapat dua buah elektroda, yakni katoda dan anoda. Udara yang terdapat dalam tabung dipompa keluar hingga tingkat kehampaan yang maksimal yang dapat dicapal pada waktu itu. Bila kedua elektroda dihubungkan dengan sumber listnik yang bertegangan tinggi maka dari katoda terpancar sinar yang lurus menuju anoda. Crookes juga mengamati bahwa sinar ini dapat dibelokkan oleh medan magnet. Berdasarkan hasil penelitiannya ia mengemukakan bahwa sinar katoda itu berupa partikel-partikel yang bermuatan listrik negatif dan bergerak dengan kecepatan yang tinggi. Pendapat Crookes ini belum dapat diterima oleh sebagian besar para ahli fisika pada waktu itu sehingga tidak ada penelitian lebih lanjut dalam kurun waktu yang cukup lama, sampai ditemukannya sinar X oleh Rontgen.
Wilhelm Konrad Rontgen (1845-1923) adalah seorang ahli fisika bangsa Jerman yang menjadi guru besar fisika di beberapa universitas di Jerman. Pada tahun 1895 ia melakukan eksperimen dengan tabung Crookes yang telah dikurangi tekanan udaranya dengan pompa udara. Ia menemukan sesaatu kejadian yang tidak diduganya. Kristal barium platino sianida yang terletak di dekat tempat ia melakukan eksperimen ternyata bersinar dengan terang. Kejadian lain yang ia temukan ialah bahwa lempeng fotografi yang tersimpan di dekatnya juga seperti telah dikenai oleh cahaya. Ia mencari sumber cahaya yang telah mengenai kristal barium platino sianida dan yang telah membuat lempeng fotografi terkena cahaya. Ternyata cahaya tersebut datang dari tabung vakum yang ia gunakan dalam eksperimen tersebut. Atas dasar penemuannya pada tanggal 8 November 1895 ia mengemukakan pendapatnya bahwa sinar katoda yang terjadi dalam tabung vakum itu telah mengenai anoda yang terbuat dan logam dan mengakibatkan terjadinya sinar yang memancar keluar dan tabung vakum itu. Sinar yang ditemukannya dinamai sinar X. Sekarang sinar ini kita kenal dengan nama sinar Rontgen yang sangat besar manfaatnya dalam bidang fisika dan kedokteran. Atas dasar penemuan sinar-X inii Rontgen memperoleh modali Rumford pada tahnn 1896 dan pada tahun 1901 ia memperoleh Hadiah Nobel untuk fisika.
Sementara itu Thomson juga melakukan penelitian dengan menggunakan tabung vakum, seperti yang dilakukan oleh Crookes. Joseph John Thomson (1845-1923) adalali seorang ahli fisika bangsa Inggris yang menjabat guru besar di beberapa perguruan tinggi di Inggnis. Selama beberapa tahun ia melakukan eksperimen tentang konduksi listrik melalui gas-gas dalam tabung Crookes. Dalam tahun 1897 ia mengemukakan pendapatnya bahwa sinar katoda itu terdini atas partike.l-partikel yang amat kecil dan bermuatan listnik negatif. Dengan ditemukannya sinar-X oleh Rontgen pada tahun 1895, Thomson melakukan pengukuran terhadap partikel negatif inii yang ia katakan sebagai bagian dari semua jenis atom dan ia menyebutnya dengan istilah “corpuscles” yang sekarang kita sebut elektron. Istilah elektron untuk partikel sinar katoda diperkenalkan oleb George Johnstone Stoney seorang ahli fisika matematik bangsa Irlandia. Selanjutnya istilah elektron digunakan untuk menunjukkan partikel negatif yang terdapat pada setiap atom.
Thomson merupakan orang pertama yang memperkenalkan fisika atom sehingga ia dapat dikatakan sebagai bapak fisika atom dan juga merupakan pendiri laboratorium penelitian Cavendish. Di bawah kepemimpinannya laboratorium Cavendish ini menjadi terkenal di seluruh dunia, sehingga banyak ahli fisika yang terkenal melakukan penelitian di sana. Atas jasanya di bidang fisika atom ini Thomson mendapat Hadiah Nobel untuk fisika pada tahun 1906 dan kemudian mendapat gelar bangsawan dari kerajaan Inggris pada tahun 1908. Penemuan elektron ini telah memberikan sumbangan yang berharga bagi perkembangan teori tentang struktur atom. Di samping melakukan penelitian Thomson juga menulis buku—buku antara lain berjudul “Applications of Dynamics to Physics and Chemistry’ (1888); “The Conduction of Electricity through Gases” (1903); “Rays of Positivc Electricity and their Application to Chemical Analysis” (1913); dan “The Electron in Chemistry” (1923).
Selain dari ditemukannya elektron, sumbangan bagi perkembangan teori tentang struktur atom diberikan pula.oleh adanya sifat radioaktif pada beberapa unsur kimia. Beberapa orang yang berjasa dalam penemuai sifat radioaktif ini antara lain ialah Becquerel dan suami isteri Pierre dan Maria Curie.
Antoine Henri Becquerel adalah seorang ahli fisika bangsa Perancis yang menjabat sebagi guru besar fisika pada Ecole Polytechnique di Perancis. Penemuan Becquerel sebenaraya dipicu oleh penemuan sinar-X oleh Rontgen pada tahun 1895. ketika Becquerel mendengar tentang penemuan sinar-X yang berasal dan tabung vakum dan dapat menembus pembungkus lempeng fotografi serta benda lain di dekatnya, maka ia berpikir bahwa benda atau material lain yang berfluoresensi atan berfosforesensi tentu dapat memancarkan sinar yang serupa dengan sinar-X. untuk menguji gagasannya, ia membungkus lempeng fotografi dengan kertas hitam agar tidak terkena sinar matahari, kemudian ia menempatkan sebuah kristal material yang benfosforesensi di atas kertas pembungkus dan meletakkannya diluar agar kena sinar matahari. Apabila material yang berfosforesensi itu memancarkan. sinar yang dapat menembus kertas pembungkus maka sinar tersebut akan mengenai lempeng fotografi. Dengan demikian apabila lempeng fotografi itu diproses, akan terbentuk bayangan kristal. Apabila gambaran bayangan ini terjadi, Becquerel dapat menyimpulkan bahwa hasil eksperimennya membenarkan hipotesisnya yakni bahwa material itu benar-benar memancarkan sinar-X ketika berfosforesensi.
Peristiwa yang dialami sungguh berbeda dengan apa yang diharapkan. Ketika ia membawa kristal itu keluar ternyata cuaca di luar berawan dan sinar matahari hanya tampak sedikit. Hal ini amat mengecewakan Becquere, karenanya ia menyimpan kembali kristal dan lempeng fotografi yang masih terbungkus itu ke dalam laci yang gelap. Ia tidak berharap bahwa sinar matahari tadi dapat membuat kristal berfosforesensi. Dengan demikian kristal itu tidak akan mernancarkan sinar yang dapat menembus dan mengenai lempeng fotografi.
Selanjutnya ia mempersiapkan eksperimen yang serupa dengan menggunakan lempeng fotografi yang baru untuk menghindari kekeliruan apabila lempeng yang lama itu telah dikenai cahaya meskipun sedikit. Setelah eksperimennya selesai dilakukan ia memproses lempeng fotografi yang lama bersama-sama dengan yang baru. Suatu hal yang mengejutkan ialah bahwa pada lempeng yang lama terdapat bayangan kristal dengan intensitas yang tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa dalam keadaan gelap kristal tersebut memancarkan sinar yang dapat menembus kertas pernbungkus hingga mengenai lempeng fotografi. Dengan demikian jelaslah bahwa pancaran sinar ini tidak ada hubungannya dengan sifat fosforesensi kristal sebagaimana diasumsikan sebelumnya. Kenyataan ini mendorong Becquerel untuk meneliti sumber sinar yang dapat menembus kertas pembungkus lempeng fotografi. Akhirnya ia mengetahui bahwa sinar tersebut berasal dan unsur uranium, karena secara kebetulan kristal yang digunakan dalam eksperimennya itu mangandung uranium. Dalam penelitian lebih lanjut Becquerel menggunakan berbagai senyawa uranium dan mengetahui bahwa intensitas sinar yang dipancarkau kristai itu sebanding dengan prosentase uranium yang terdapat dalam mineral tersebut. Becquerel menemukan adanya sifat radioaktif pada uranium ini pada tahun 1896 dan pada tahun 1903 Becquerel bersama dengan Pierre dan Maria Curie memperoleh Hadiah Nobel untuk fisika atas hasil penelitian mereka mengenai sifat radioaktif dalam uranium.
Maria Sklodowska Curie (1867-1934) adalah seorang ahli kimia dan ahli fisika bangsa Polandia, sedangkan Pierre Curie (1859-1906) adalah seorang ahli fisika dan ahli kimia bangsa Perancis. Keduanya adalah sepasang suami isteri. Maria Curie atau yang sering dikenal sebagai Madame Curie melakukan penelitian tentang uranium bersama Pierre Curie. Setelah melakukan analisis terhadap bijih uranium, mereka mengetahui adanya unsur lain yang juga mempunyai sifat radioaktif lebih besar daripada uraium. Unsur pertama yang ditemukan dinamakan polonium untuk mengenang tanah air Maria. Unsur ini belum dapat diperoleh dalam keadaan murni. Pada tahun 1898 Maria menemukan unsur yang memiliki sifat radioaktif sangat tinggi dan diberi nama radium, namun belum diperoleh secara murni. Baru pada tahun 1910 Maria dapat memperoleh logam radium murni. Pada tahun 1911 Maria Curie memperoleh Hadiah Nobel untuk kimia atas keberhasilannya mengisolasi unsur radium. Sayang Pierre Curie tidak dapat ikut merasakan kebahagiaan menerima Hadiah Nobel ini karena dia telah meninggal pada tahun 1906 karena keeelakaan lahj hntas di kota Paris.
Seorang ahli fisika yang berjasa dalam mengembangkan teori atom ialah Rutherford seorang ahli fisika bangsa Inggris. Ernest Rutherford (1871-1937) menemukan sinar radioaktif yang dinamainya sinar alfa, sinar beta dan sinar gamma setelah melakukan penelitian tentang penguraian radioaktif bersama Frederick Soddy selama hampir 10 tahun. Soddy adalah seorang ahli kimia dan ahli fisika bangsa lnggris. Di samping itu ia juga melakukan penelitian tentang transformasi radioaktif beberapa unsur dan menyatakan bahwa peluang terjadinya disintegrasi atom tidak tergantung dan unsur atom itu. Pada tahun 1911 ia melakukan ekspeniman menggunakan sinar alfa yang berkecepatan tiuggi yang dilalukan sebuah lubang kecil pada logam tembaga dan menabrak lempeng emas yang sangat tipis. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa banyak partikel sinar alfa yang mengalami deviasi atau penyimpangan kurang dari 1 derajat setelah melewati lempeng emas. Ada pula partikel yang mengalami penyimpangan yang cukup besar, bahkan ada sebagian kecil yang terpantul kembali. Atas dasar hasil ekspeimen itu ia menyimpulkan bahwa muatan positif dalam atom itu terpusat pada suatu inti kecil di pusat atom, sehingga intensitas listriknya mampu mendefleksi bahkan memantulkan kembali beberapa partikel alfa. Dengan demikian model atom menurut Rutherford terdiri atas inti atom yang bermuatan positif dan masif dan dikelilingi pada jarak yang relatif besar oleh elektron-elektron yang senantiasa bergerak dalam orbit tertentu. Hipotesis Rutherford ternyata masih mengalami masalah. Menurut teori fisika, muatan listrik yang dipercepat akan mengeluarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik Demikian pula dengan elektron yaig bergerak di sekeliling inti atom. Berdasarkan teori elektron akan memancarkan gelombang elektromagnetik secara terus menerus dan kemudian akan menuju ke inti atom. Kenyataan menunjukkan bahwa tumbukan antara elektron dengan inti itu tidak pernah terjadi. Jadi di sini ada kontradiksi antara teori elektromagnetik dengan kenyataan bahwa atom itu tetap stabil. Alasan sementara yang dapat dikemukakan ialah bahwa hukum fisika yang berlaku dalam dunia makroskopik itu tidak berlaku dalam dunia mikroskopik atom. Namun demikian atas dasar hipotesis Rutherford ini Bohr pada tahun 1913 mengembangkan teori tentang struktur atom selanjutnya. Pada tahun 1917 Rutherford berhasil mengubah atom nitrogen menjadi atom oksigen dengan jalan menembak atom-atom nitrogen dengan partikel alfa. Dengan demikian ia adalah orang pertama yang mengubah suatu unsur menjadi unsur lain.
Sumbangan pemikiran Bohr tentang struktur atom merupakan kelanjutan dan teori Rutherford. Niels Henrik David Bohr (1885- 1962) atau yang biasa disebut Niels Bohr adalah ahli fisika bangsa Denmark. Pada tahun 1913 Bohr mengemukakan teori tentang struktur atom yang dapat menerangkan adanya spectrum garis serta kestabilan atom. Dengan melakukan beberapa eksperimen Bohr mengemukakan pendapatnya bahwa electron dalam atom berada pada tingkat energi tertentu. Hal ini berarti bahwa elektron tidak mungkin mengeluarkan energi secara kontinyu. Dinyatakan pula bahwa elektron dapat berubah energinya dengan cara berpindah dan satu tingkat energi ke tingkat energi lain tetapi tidak secara gradual, melainkan dengan satu lompatan. Elektron akan mengeluarkan energi yang besarnya tertentu apabila ia pindah dari tingkat energi yang tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah.
Pendapat Bohr ini sekaligus menjadi dasar mekanika kuantum, yaitu suatu studi tentang hukum-hukum gerakan yang melibatkan partikel yang amat kecil. Partikel yang amat kecil, misalnya elektron, ternyata tidak mengikuti Hukum Newton tentang gerakan dan juga Hukum Elektrodinamika yang menjelaskan tentang interaksi antara muatan-muatan hstrik yang bergerak. Hal mi kemudian diperjelas oleh Planck antara tahun 1900-1905.
Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) atau yang biasa dikenal dengan nama Max Planek, adalah seorang ahli fisika Jerman. Pada usia 21 tahun ia memperoleh gelar doktor dalam ilmu fisika dengan predikat summa cum laude, kemudian menjadi guru besar fisika pada tahun 1889 di Berlin. Dalam bulan Desember 1900 Planck mengemukakan hipotesis atau pendapatnya yang amat berarti. Dia menyatakan bahwa energi gelombang cahaya itu tidak mengalir secara kontinyu tetapi dalam unit-unit yang terpisah. Unit-unit energi ini disebut kuantum. Ia memberikan penjelasan pula tentang radiasi yang timbul dari benda padat yang panas dengan menggunakan teori kuantum, yaitu bahwa energi yang terpancar itu haruslah dalam bentuk kuantum. Tiap kuantum mengandung sejumlah energi tertentu yang sebanding dengan frekuensi gelombang. Konstanta atau tetapan perbandingannya disebut konstanta Planck dengan simbol h, yang merupakan faktor penting di kemudian bari. Teori kuantum dari Planck inin digunakan oleh Einstein pada tahun 1905 untuk menjelaskan efek fotoelektrik.
Atas hasil pemikiran dan penemuannya, Planek memperoleh hadiah Nobel pada tabun 1918, setelah teorinya ternyata benar dan memiliki arti penting dan fundamental dalam perkembangan teori fisika. Buku yang ditulisnya antara tahun 1916-1930 berjudul “Ninfuhrung in die theoretische Physik” dan pada tahun 1933 “Wege Zur physkalischen Erkenntnis”. Planek disebut sebagai bapak mekanika kuantum. Teori kuantum Planck ini dikembangkan lebih 1anjut oleh Broglie dan para ahli yang lain.
Louis Victor de Broglie adalah seorang ahli fisika bangsa Perancis. Ia tertarik pada pendapat Planck dan penjelasan Einstein tentang efek fotoelektrik. Pada tahun 1923 ia mengemukakan pendapatnya tentang sifat ganda dari cahaya yakni sebagai gelombang dan juga sebagai partikel. Gerakan suatu partikel dengan massa tertentu dan kecepatan tertentu menimbulkan sifat-sifat gelombang. Hipotesis Broglie yaitu aspek gelombang pada emisi partikel ternyata kurang mendapat perhatian para ahli fisika. Pada tahun 1927 hipotesis ini mendapat pembuktian dan hasil eksperimen yang dilakukan oleh ahli fisika Amenika yakni Clinton Davisson dan Lester Germer, ketika mereka menemukan adanya difraksi gerakan elektron. Sejak itu mekanika gelombang memperoleh perhatian dari ahli-ahli fisika. Pada tahun 1929 Broglie memperoleh Hadiah Nobel untuk fisika.
Sejarah perkembangan sains tidak menunjukkan suatu garis lengkung yang rata. Sebaliknya, garis sejarah tersebut memperlihatkan empat tahap dengan empat loncatan berbeda. Setiap loncatan membuka era baru yang erat pula hubungannya dengan alam pikiran umat mausia dari masa itu. Dalam sejarah ilmu pengetahuan empat loncatan itu disebut revolusi ilmu fisika seperti yang dikemukakan Hoyle dalam Zen (1982: 17-19). Dan perkembangan empat revolusi itu adalah sebagi berikut:
1. Revolusi Pertama
Revolusi ini membuka erat bagi penelitian mendalam mengenai gaya gravitasi, dan penelitian mengenai gerakan benda-benda. Hasil-hasil yang dicapai dalam era ini, ialah suatu pembuktian bahwa sifat alam dapat “dilukiskan” dalah artian diletakkan dalam suatu deskripsi yang jelas dan pasti, oleh karena itu dapat diramalkan secara amat teliti. Gerak-gerik benda angkasa, peredaran bintang, munculnya komet dan sebagainya, serta sifat dan tingkah laku benda-benda di bumi dapat dinyatakan dalam rumus-rumus matematika. Sebagaiman diketahui era ini dirilis oleh Isaac Newton. Perkembangan selanjutnya dari era ini mengahsilkan nama-nama seperti: Bernoulli, Euler, Legrange dan Laplace. Namun demikian, betapapun besar hasil-hasil yang dicapai oleh sarjana era ini, ia mulai kehilangan momentum menjelang pertengahan abad ke-19. Para ahli mulai merasakan bahwa untuk dapat berkembang lebih lanjut sains memerlukan arah pemikiran baru. Dengan demikian secara lambat laun sains memasuki era revolusi kedua.
2. Revolusi Kedua
Era ini lebih memusatkan pada sifat-sifat kelistrikan dan kemagnetan benda sebagai keseluruhan, dan juga mengenai sifat-sifat radiasi. Perkembangan sains dari era ini dipelopori oleh sarjana-sarjana besar seperti Faraday, sedangkan deskripsi teoritis mengenai kemagnetan dan kelistrikan dikembangkan oleh Maxwell. Revolusi fisika di era inilahyang benar-benar menghantarkan manusia ke jaman listrik dan industri modern, sedangkan ilmu pengetahuan modern dalam bidang elektronika juga lahir dalam era ini. Perkembangan-perkembangan dari era ini banyak sekali mempengaruhi kehidupan manusia modern. Di jaman ini pul dikembangkan pengetahuan tentang radiasi.
Yang disebut radiasi, ialah satuan-satuan individu yang yang disebut kuanta. Jika terdapat kuanta dalam jumlah yang cukup besar maka kuanta tersebut akan mengatur diri ke dalam pola gelombang. Setiap pola memiliki panjang gelombang, dan radiasi dilukiskan dalam panjang gelombang tersebut. Pengetahuan dalam hal ini memungkinkan telekomunikasi modern seperti yang kita kenal saat ini.
3. Revolusi Ketiga
Era yang dibuka oleh revolusi kedua belum lagi mengendur lajunya, tetapi dunia fisika telah mulai merintis pula kea rah pembukaan era baru yang dibawakan oleh revolusi ketiga. Era ini dimulai pada awal abad ini dengan ditemukannya sifat kuantum cahaya oleh Max Plack. Era ini membawa revolusi secara menyeluruh dalam pemikiran mausia tentang zat, tetapi juga tentang jagad raya.
Perlu diingat bahwa pada fase awal ilmu fisika sangat banyak bergerak dalam duania astronomi, tetapi di fase-fase berikut manusia lebih banyak mengarahkan perhatian pada kejadian-kejadian dan eksperimen-eksperimen yang dilakukan di laboratorium. Di era ketiga kembali manusia mengarahkan pandangan dan perhatian ke langit yakni ke dunia astronomi, tetapi melalui pengetahuan dan pengertian yang dipeoleh dari eksperimen di laboratorium. Dapat dipastikan bahwa tidak mungkin astronomi mencapai apa yang didapat saat ini jika tetap tinggal dalam alam pikiran era Newton dari era revolusi pertama. Kecemerlangan era ini dibawa oleh: Einstein yang merumuskan Teori Relativitas; Rutherford mengenai atom; Bohr mengenai kuantum serta nama-nama yang berkaitan dengan teori kuantum baru seperti Schrödinger, Heisenberg dan Dirac.
Perkembangan-perkembangan era ini memungkinkan mausia menyelan sedalam-dalamnya ke inti rahasia benda yang dianggap paling kecil sperti atom, dan mengarungi menjelajahi samudra jagad raya yang semula diperkirakan tak terbatas. Diperkirakan dengan dibentuknya era ini pada dasarnya semua sudah dikemukakan. Yang perlu dikerjakan hanyalah penyempurnaan disana-sini. Namun, tidak demikian halnya.
4. Revolusi Keempat
Revolusi fisika keempat dimulai pada tahun 1938 dengan ditemukannya sebuah tipe materi baru yang disebut partikel oleh Anderson. Dulu diperkirakan atom merupakan benda terkecil yang tidak mungkin dipecah-belah lagi. Kini dengan dipelopori penemuan Anderson dan dengan pertolongan peralatan-peralatan besar seperti siklotron, aselerator dan sebagainya. Menjelang akhir dasawarsa limapuluhan tidak kurang dari 30 partikel baru ditemukan. Hal ini pada dasarnya sangat mengejutkan karena hal ini membuat manusia bertanya apa yang mungkin dan apa yang tidak mungkin. Ternyata apabila manusia menelaah hal ikhwal dari yang ultra kecil pengetahuannya menjadi samara-samar, tetapi demikan pula apabila ia hendak menelaah hal-hal yang menyangkut sesuatu dengan ukuran ultra besar. Apa yang dimaksud dengan untra-kecil dan ultra-besar?
Kita ketahui bahwa atom adalah bagian zat amat kecil: jika dijejerkan secara berdekatan maka 10.000.000.000 (sepuluh milyar) atom-ataom itu baru mencapai panjang tubuh manusia; dan dalam tubuh orang dewasa terdapat 7.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (7 x 1027) buah atom.
Jika mausia membicarakan masalah penyebaran materi di jagad raya, manusia berada dalam wilayah ukuran ultra-besar. Dibandingkan dengan ukuran ultra-kecil, ukuran uktra-besar secara fisis tidak terjangkau oleh daya pikiran manusia.Ukuran ultra-besar melampaui ukuran ultra-kecil dengan angka 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (1037). Jarak inilah yang harus dijangkau oleh sains.
