Fisika Kuantum. Dua kata ini menimbulkan efek yang begitu luar biasa pada masyarakat. Kita hidup di dalam segala sesuatu yang berkaitan dengan fisika Kuantum. Tidak ada teknologi canggih pada jaman sekarang yang tidak dipengaruhi oleh Fisika Kuantum. Sebenarnya apakah Fisika Kuantum itu?
Sebenarnya sebelum munculnya Fisika Kuantum ada yang namanya Fisika Klasik. Apalagi sih ini? Fisika Klasik? Sebenarnya ada berapa sih Fisika itu? Fisika Klasik pada umumnya menuntut kepastian. Segala sesuatu pasti bisa diukur. Jika ada yang tidak bisa diukur, maka itu sudah seharusnyalah salah dan perlu diganti (ini yang sering dibilang sebagai ilmu pasti—segala sesuatu itu pasti). Tokoh Fisika Klasik banyak sekali—mulai dari jaman Archimedes, Galileo, Newton, sampai Maxwell. Dan karena yang mereka yakini itu nampak dalam kehidupan sehari-hari dan orang-orang mengalaminya, Fisika Klasik bertahan kuat sebegitu lama dan susah untuk ditentang dalam pengembangan Fisika Kuantum.
“Kalau sudah bisa menjelaskan kehidupan sehari-hari dengan Fisika Klasik, ngapain susah-susah berpikir tentang Kuantum segala?”
Ternyata ada segelintir orang yang masih belum puas dengan fakta-fakta yang telah diketahui dan masih berhasrat untuk mencari tahu lebih dalam tentang alam—tentang apakah sang penyusun materi itu sendiri (atom)? Bagaimana atom bekerja? Seperti apa bentuknya? Trus apakah cahaya termasuk atom juga? Kalau tidak, apa dong cahaya itu? Benda gaib? Apakah fisika juga bisa menjelaskan tentang sistematika dari Voodoo? Pertanyaan-pertanyaan demikian—juga seribu pertanyaan-pertanyaan lain—berusaha dijawab oleh para tokoh-tokoh Fisika Kuantum.
Masalah kuantum-kuantuman ini dimulai oleh yang namanya: Termodinamika.
“Oke, stop dulu—jelaskan apa itu termodinamika.”
Termo, suhu. Dinamika, perubahan. Termodinamika, perubahan suhu. Pokoknya apapun yang suhunya berubah-ubah, dan segala gejala yang ditimbulkannya, berkaitan dengan Termodinamika.
Kalau ngomongin termodinamika, berarti ngomongin suhu. Ngomongin suhu, pasti ada sangkut-pautnya dengan yang namanya panas. Panas itu kata para ilmuwan adalah suatu bentuk rata-rata dari penjumlahan seluruh energi kinetik dari masing-masing molekul.
“Apa lagi ini—ga ngerti saya.”
Oke, begini. Sebenarnya—sebenarnya lho—seluruh materi bergetar, meskipun oleh mata kita terlihat diam. Ya, benar, semua bergetar—dalam skala atomik. Kalau kita bisa mengecil menjadi sekecil atom dan bergabung ke dunia para atom-atom ini, kita akan melihat molekul-molekul itu bergerak ke sana kemari, ga bisa diam. Semakin giat mereka bergerak, semakin tinggi temperatur yang mereka hasilkan.
Contoh nyata yang bisa kita lihat dalam kehidupan sehari-hari adalah air di panci yang mau dimasak. Perhatikan pada saat belum ditaruh di atas kompor. Lihat, betapa ‘adem-ayem’nya mereka (padahal nun jauh di dalam sana molekul-molekul airnya sedang senang bergerak). Molekul-molekul air masih bergerak ke sana kemari dalam kondisi yang normal—tidak ada gerasak gerusuk—semua molekul bergerak dengan anggun. Nyalakan kompor—timbul api. Energi dari api menggerakkan molekul panci yang langsung bersentuhan dengan api tersebut—oh ya, panci dulu yang terkena panas. Molekul awal ini—yang mendapat energi langsung dari api—bergerak menumbuk molekul panci lain yang terdekat, atau kita sebut molekul nomor 2 (bayangkan saja seperti sebuah bola putih biliar yang menumbuk bola lain). Tumbukan itu merembet kemana-mana—molekul nomor 2 menumbuk molekul nomor 3, dst.—sampai mencapai molekul panci yang bersentuhan langsung dengan air. Molekul air pertama yang kena tumbuk menularkan ‘kebiasaan’ tersebut ke molekul-molekul air lainnya. Sambil mendapat energi tambahan yang terus-menerus dari api, air pun bertambah panas, sampai akhirnya mendidih dan berubah menjadi uap.
“Lho, tadi katanya rata-rata? Mananya yang rata-rata?”
Oke. Bayangkan saja molekul air pertama yang mendapat tumbukan dari molekul panci tadi melenting dengan kecepatan sekian (sambil bayangkan juga sebuah bola billiar yang bergerak dengan kecepatan tertentu). Kemudian si molekul ini menumbuk molekul terdekatnya—energi kinetik dari molekul awal diberikan sebagian kepada molekul berikutnya untuk ‘melanjutkan perjalanan’. Tentu energi kinetik yang dimiliki molekul air awal jadi berkurang. Padahal di saat yang bersamaan, ‘yang diberi energi’ sudah bergerak melebihi kecepatan ‘si pemberi energi’. Persis seperti bola putih billiar yang melambat setelah menumbuk bola nomor 1, sedangkan pada saat yang bersamaan bola nomor 1 tersebut bergerak dengan cepatnya. Situasi ini terjadi terus-menerus, merambat kemana-mana, bahkan ketika seluruh molekul air sudah mendapat energinya. Karena kecepatan yang berbeda dimiliki oleh setiap molekul (tapi tidak melepas kemungkinan kecepatan sebuah molekul di sudut panci kiri bisa sama dengan kecepatan sebuah molekul di sudut panci kanan), sedangkan yang mau kita ukur bukan satu energi kinetik molekul saja, tapi keseluruhan molekul—dalam hal ini air di dalam panci. Tapi bagaimana mau ngukur? Wong, semuanya punya kecepatan yang berbeda. Maka, untuk itu diambil istilah energi kinetik rata-rata. Pada detik tertentu ada yang kecepatannya tinggi, ada yang kecepatannya rendah, jadi diambillah rata-ratanya. Energi kinetik rata-rata itulah yang kemudian dinamakan temperatur.
“Tunggu. Energi kinetik, kecepatan… kecepatan, energi kinetik. Pusing saya, tapi tampaknya berhubungan. Tapi apa?”
Baiklah. Energi kinetik itu sendiri selalu berhubungan dengan benda yang bergerak—benda yang bergerak punya kecepatan. Nah. Menurut rumus dinyatakan bahwa (bagi yang tidak ingin lihat juga tidak apa-apa): Energi kinetik = 0,5 x massa materi x kecepatan kuadrat. Ya, energi kinetik dan kecepatan mempunyai hubungan yang senilai (kata ‘orang-orang sana’: berbanding lurus). Energi kinetik semakin gede, kecepatan so pasti gede. Kecepatan bertambah, so pasti energi kinetik bertambah.
“Oke, tapi adakah teori lain mengenai termodinamika? Hanya ini sajakah (berharap)?
Hukum Termodinamika ada 3. Yang pertama dicuatkan oleh si Hermann von Helmholtz—nama yang susah untuk diketik. Dia mengeluarkan hukum termodinamika yang pertama: ‘bertambah atau berkurangnya energi sistem selalu dapat dijelaskan sebagai akibat munculnya atau hilangnya suatu jenis energi di tempat lain’. Hukum ini juga disebut hukum kekekalan energi. Hukum ini adalah hukum dasar, tidak terusik oleh kehadiran Fisika Kuantum sekalipun. Contohnya bola biliar tadi. Munculnya energi gerak pada bola nomor 1, disertai hilangnya energi pada bola putih.
Hukum kedua dicuatkan oleh Rudolf Clausius—lebih gampang untuk diketik. Hukum kedua menyatakan bahwa tidak mungkin dalam sebuah sistem (atau mesin) untuk melakukan sebuah usaha tanpa kehilangan sebagian panasnya. Pasti ada panas yang lepas ke lingkungan sekitar ketika sebuah sistem sedang bekerja. Hukum kedua juga menyatakan bahwa dalam proses reversibel entropi selalu tetap, sedangkan dalam proses irreversibel, entropi selalu menaik.
“Tunggu, tunggu… tolong jelaskan yang pertama dulu.”
Contoh: lampu bohlam. Dalam upayanya menerangi kamar kita, lampu bohlam terpaksa memberikan sebagian energinya untuk satu bentuk: panas. Mulai dari memanasi kawat tembaga pada kabelnya, membakar filamen-filamennya sehingga berpijar (filamen-filamen itu menjadi panas), memanasi permukaan kaca bohlamnya, sampai membuat kita tidak bisa tidur karena kegerahan. Dalam berbagai mesin yang bekerja, bahkan energinya bisa terkuras sampai lebih dari 50% hanya untuk berubah menjadi panas.
“Sekarang entropi. Jelaskan.”
Entropi merupakan ukuran ketidakteraturan sistem. Pada sebuah upacara resmi, orang-orang berbaris dengan rapi, entropinya sangat rendah—mereka teratur sekali berbaris. Selesai upacara, orang-orang berseliweran ke sana kemari—entropinya menjadi tinggi. Contoh lain, air di panci tadi—lagi-lagi. Sebelum dimasak, air dalam keadaan entropi rendah, dalam keadaan yang tenang. Ketika mencapai titik didih di atas kompor, entropinya menjadi tinggi—airnya dengan seru menggelegak-gelegak.
Pertanyaan berikutnya yang mungkin adalah apakah entropi suatu sistem bisa turun? Untuk menjelaskan itu, pertama-tama harus mengerti dulu apa itu proses irreversibel dan reversibel. Proses irreversibel berarti proses yang tidak dapat dibalik lagi. Jika Anda menggesek sebuah balok di permukaan meja, maka akan timbul energi panas. Dengan kata lain, energi kinetik bisa menghasilkan energi panas. Akan tetapi, proses kebalikannya tidak pernah terjadi. Energi panas itu tidak bisa secara spontan menjadi energi kinetik sehingga membuat balok bergerak sepanjang meja sementara balok dan meja menjadi dingin. Contoh lain, misalkan kita menuang pasir hitam ke dalam sebuah guci dan menutupnya dengan selapis pasir putih. Jika kita kocok guci itu sekarang pasir akan tercampur. Namun, kita tidak dapat mengembalikan guci itu ke keadaan ‘tak terkocok’. Artinya, kita tidak dapat membalik pengocokan sehingga pasir hitam kembali berada di bawah pasir putih.
“Baik, sekarang tolong jelaskan proses reversibel.”
Bersambung...
