Mengungkap Identitas Cahaya, Cahaya itu Partikel? Atau Gelombang?

Penelitian ilmiah secara mendalam mengenai cahaya dimulai pada abad ke 17. Isaac Newton (1643-1727), fisikawan jenius Inggris yang membuat Hukum Gerak Universal Newton I, II, III, dan hukum gravitasi universal, juga melakukan penelitian tentang cahaya. Newton melewatkan seberkas sinar matahari pada 2 buah prisma dan menemukan bahwa sinar matahari tadi terurai menjadi 7 sinar warna pelangi. Dari hasil percobaan tersebut, Newton berpikir bahwa sinar matahari adalah kumpulan partikel-partikel kecil yang mempunyai warna berbeda-beda.

Percobaan Newton Tentang Cahaya

Dari sejak itulah "cahaya adalah partikel" mulai dikenal banyak orang. Terciptanya bayangan saat sinar diarahkan ke suatu benda juga adalah bukti bahwa cahaya adalah partikel. Kalau "cahaya adalah gelombang", maka bila cahaya diarahkan ke suatu benda, cahaya akan mengalami difraksi, dan bayangan tidak mungkin terjadi. Tapi karena bayangan terjadi, maka bisa dikatakan "cahaya adalah gelombang" gugur.

Tapi tetap ada juga yang menyatakan "cahaya adalah gelombang". Dia adalah Christiaan Huygens, yang hidup di era yang hampir sama dengan Newton. Saat dia melakukan percobaan dengan menumbukkan dua buah berkas cahaya, dia mendapatkan hasil bahwa kedua cahaya itu saling menembus. Makanya Huygens berpikir cahaya adalah gelombang". Kalau "cahaya adalah partikel", maka seharusnya sinar akan bertabrakan, dan bergerak berlawanan arah.

Tapi, bagaimana menjelaskan fenomena bayangan pada benda? Untuk menjelaskan hal ini, kita menganggap ukuran benda jauh lebih besar daripada panjang gelombang. Karena panjang gelombangnya sangat kecil, maka saat bertumbukan dengan benda, difraksi hampir tidak terjadi, malahan gelombang cahaya terhalang sepenuhnya oleh benda. Oleh karena itu, bayangan terbentuk.

Penjelasan diatas adalah bukti bahwa cahaya adalah partikel sekaligus gelombang. Fakta yang tidak dapat dibantah bahkan hingga saat ini. Tapi, perlu diskusi dan debat sangat panjang untuk mencapai kesimpulan tersebut.

Bukti Krusial Cahaya Adalah Gelombang
Seperti yang sudah dituliskan sebelumnya, Newton telah memulai penelitian tentang cahaya sejak abad 17. Dengan percobaan dua buah prisma, dia mengajukan teori "cahaya adalah partikel". Tapi, diawal abad ke-19, Thomas Young menemukan fenomena interferensi cahaya lewat percobaan celah ganda-nya. Karena interferensi adalah fenomena khusus yang hanya ada pada gelombang, alhasil dalam sekejap teori "cahaya adalah gelombang" menjadi populer. Kalau "cahaya adalah partikel", maka berkas cahaya akan tampil sesuai dengan ukuran celah ganda tersebut. Teori "cahaya adalah partikel" tidak bisa menjelaskan hasil percobaan Young berupa spektrum garis hitam putih. Ini adalah bukti krusial "cahaya adalah gelombang".

Percobaan Celah Ganda oleh Thomas Young

Percobaan Celah Ganda oleh Thomas

Cahaya adalah Salah Satu Jenis Gelombang Elektromagnetik
Banyak percobaan yang dilakukan untuk membuktikan "cahaya adalah gelombang". Dan pada pertengahan abad-19, teori ini hampir selesai disusun. Dan perangkum semua teori itu adalah Fisikawan Inggris, James Clerk Maxwell (1831-1879). Dia mencetuskan istilah "gelombang elektromagnetik".

Satu-satunya bidang yang tidak ditekuni Newton adalah Listrik dan Kemagnetan. Tapi sejak pertengahan abad ke-18, penelitian mengenai listrik dan magnet berkembang pesat. Pada awal abad-19, hubungan sangat erat antara listrik dan magnet telah dipastikan. Listrik menghasilkan magnet, sebaliknya magnet pun dapat menghasilkan listrik.

Pada 1864 Maxwell mencetuskan ide mengenai medan dimana energi listrik atau magnet bekerja, atau juga biasa disebut medan listrik dan medan magnet. Kedua medan itu terbentuk karena getaran gelombang elektromagnetik yang merambat. Maxwell menemukan bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik itu identik dengan kecepatan cahaya. Oleh karena itu, dia menyimpulkan bahwa cahaya adalah salah satu gelombang elektromagnetik.

Dua Buah Misteri Cahaya
Kita sudah membaca perkembangan teori "cahaya adalah gelombang" hampir selesai disusun pada akhir abad 19. Tapi kalau "cahaya adalah gelombang", ada 2 misteri cahaya yang tersisa. Yang pertama, medium. Misalnya saja gelombang bunyi, mediumnya adalah udara. Dengan ikut bergetarnya partikel-partikel di udara, gelombang bunyi dapat merambat dan sampai di telinga. Kalau medium tidak ada, misalnya saja di luar angkasa, maka gelombang bunyi tidak dapat merambatdan didengarkan. Nah, bagaimana dengan gelombang cahaya? Cahaya menyebar di seluruh alam semesta, makanya medium gelombang cahaya adalah sesuatu yang melimpah di alam semesta. Tapi apakah itu? Bukankah alam semesta adalah ruang hampa?

Misteri kedua adalah karakteristik cahaya yang dihasilkan benda panas, sesuatu yang waktu itu tidak dapat dijelaskan para fisikawan. Dalam penelitiannya mengenai hal ini, Planck mengusulkan ide "energi kuantum", yang akhirnya bisa memecahkan misteri karakteristik cahaya. Bahkan pada perkembangannya, bisa menjawab misteri pertama, misteri medium gelombang cahaya (Nugroho,2015).

Dualisme Teori cahaya
Dualisme cahaya berkaitan dengan persamaan hukum pembiasan cahaya. Berdasarkan teori dualisme cahaya, penurunan hukum pembiasan yang diperoleh dari fisika klasik dapat pula diperoleh dari fisika kuantum yang menganggap cahaya sebagai partikel. Semakin besar intensitas cahaya maka semakin banyak pula elektron yang diemisikan. Kecepatan elektron yang diemisikan bergantung pada frekuensi, semakin besar f maka semakin besar pula kecepatan elektron yang di emisikan.

Cahaya memiliki sifat kembar (dualisme), pada kondisi tertentu cahaya dapat memiliki sifat partikel dan pada kondisi tertentu juga cahaya dapat memiliki sifat gelombang. Sebuah cahaya hanya dapat memiliki satu sifat, artinya walaupun cahaya bersifat dualisme tidak berarti cahaya bisa memiliki sifat keduanya secara bersamaan. Jika dalam suatu kondisi tertentu cahaya berupa partikel maka cahaya tersebut tidak akan memiliki sifat dualisme nya sebagai gelombang, cahaya memang memiliki kedua sifat tersebut tetapi kedua sifat tersebut tidak akan bisa muncul secara bersamaan.

Dualisme cahaya berasal dari teori Newton dan Huygens:
1. Teori Newton
a. Cahaya terdiri dari partikel
b. Gerak lurus
c. Dapat menjelaskan efek dari fotolistrik

2. Teori Huygens
a. Cahaya merupakan gelombang
b. Dapat menerangkan sifat interferensi.

Jika pada suatu tempat bertemu dua buah gelombang, maka resultan gelombang di tempat tersebut sama dengan jumlah dari kedua gelombang tersebut. Peristwa ini di sebut sebagai prinsipsuperposisi linear. Gelombang-gelombang yang terpadu akan mempengaruhi medium. Pngaruh yang ditimbulkan oleh gelombang-gelombang yang terpadu tersebut disebut interferensi gelombang.
Efek interferensi :
- Interferensi konstruktif adalah perpaduan dua gelombang atau lebih dengan frekuensi dan fasa yang sama tetapi amplitudo berbeda sehingga saling memperkuat.
- Interferensi destruktif adalah superposisi dua gelombang dengan frekuensi sama tetapi fasanya berlawanan.

Di dalam praktek, efek interferensi di dapatkan dari deret-deret gelombang yang berasal dari sumber yang sama tetapi yang mengikuti jalan yang berbeda ke titik interferensi. Perbedaan fase φ antara gelombang-gelombang yang sampai ke sebuah titik dapat di hitung dari perbedaan jalan yang di empuh oleh gelombang –gelombang tersebut dari sumber ke titik interferensi. Perbedaan jalan tersebut adalah(∅/2π)λ. Bila perbedaan jalan adalah 0,λ,2λ,3λ dan seterusnya, sehingga φ= 0,2λ, 4λ dan seterusnya maka ketiga gelombang tersebut berinterferensi secara konstruktif. Untuk perbedaan jalan sebesar 1/2 λ,3/2 λ, 5/2 λ, dan seterusnya, φ adalah π, 3π, 5π dan seterusnya serta gelombang-gelombang tersebut di katakan berinterferensi secara destruktif. Namun demikian teori cahaya sebagai gerak gelombang tak dapat menjelaskan gejala fotolistrik dari logam. Gejala terakhir ini harus diterangkan atas dasar teori cahaya dari Newton , yang menganggap cahaya sebagai aliran partikel. Jadi, cahaya dapat dianggap sebagai gerak gelombang, tetapi juga sebagai aliran partikel. Sifat cahaya yang demikian dikenal sebagai Dualisme Cahaya.