Apakah Elektrodinamika itu? dan Bagaimana letaknya dalam Fisika?

download artikel lengkap

Empat jenis mekanika

Diagram dibawah ini merupakan gambaran dari empat jenis mekanika:

Mekanika Klasik (Newton)	Mekanika Kuantum (Bohr, Heisenberg, Schroedinger, dll)
Relativitas Khusus (Einstein)	Teori Medan Kuantum (Dirac, Pauli, Feynman, Schwinger, dll)

Mekanika Newton telah ditemukan di tahun tahun-tahun awal abad ini, teori Newton dengan sempurna dapat diaplikasikan pada kehidupan sehari-hari, tetapi untuk benda yang bergerak dengan kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya), teori ini tidak dapat diterapkan. Untuk kasus tersebut terdapat teori baru yang dapat digunakan yaitu teori relativitas khusus (diperkenalkan oleh Einstein pada tahun 1905), sedangkan untuk benda yang sangat kecil (mendekati ukuran atom) dapat digunakan teori mekanika kuantum (dikembangkan oleh Bohr, Schroedinger, Heisenberg, dan banyak ilmuan lainya, kebanyakan di abad 20-an). Untuk benda-benda yang bergerak sangat cepat dan memiliki ukuran yang kecil (yang sesuai dengan fisika partikel modern) maka menggunakan kombinasi dua buah teori yaitu teori relativitas yang dikombinasikan dengan prinsip-prinsip kuantum, ini adalah mekanika kuantum relativisik yang saat ini dikenal dengan nama teori medan kuantum, yang ditemukan pada tahun 30 dan 40-an, tetapi hingga saat ini teori tersebut belum bisa dianggap sebagai teori yang sempurna.

Empat Macam Gaya

Mekanika menceritakan kepada kita bagaimana sebuah sistem akan bereaksi ketika diberikan sebuah gaya. Terdapat empat macam gaya dasar yang dikenal hingga saat ini dalam ilmu fisika.  Di bawah ini merupakan daftar dari empat macam gaya yang ditulis berurutan mulai dari yang paling kuat hingga yang paling lemah:

1. Gaya kuat (strong forces)
2. Gaya elektromagnetik
3. Gaya lemah (weak forces)
4. Gaya gravitasi

Ringkasan dari daftar ini mungkin mengejutkan kita. Di manakah gaya friksi? Di manakah gaya normal yang membuat kita tetap menempel pada lantai? Di manakah gaya kimia yang mengikat unsur-unsur menjadi sebuah molekul saling yang berikatan? Di manakah gaya tumbukan yang terjadi diantara tumbukan diantara dua bola bilyard? Jawaban dari semua pertanyaan tersebut adalah gaya elektromagnetik. Termasuk dapat dikatakan secara kasar bahwa kita hidup di dunia elektromagnetik. Tampak nyata bahwa setiap gaya yang kita rasakan dalam kehidupan sehari-hari (selain gaya gravitasi) pada dasarnya adalah gaya elektromagentik.

Gaya kuat (strong forces), yang mengikat proton dan netron bersama di dalam inti atom memiliki jangkauan yang sangat pendek, oleh karena itu kita tidak bisa merasakan gaya ini, walaupun kenyataannya bahwa gaya ini seratus kali lebih kuat dari pada gaya listrik. Gaya lemah (weak forces) yang mencakup semua jenis gaya yang terjadi pada proses peluruhan radioaktif, gaya ini tidak hanya memiliki jangkauan  yang pendek, tetapi juga jauh lebih lemah dari pada gaya elektromagnetik. Untuk gaya gravitasi, gaya ini yang paling lemah (bila dibandingkan dengan gaya-gaya yang lain) dan gaya ini hanya akan tampak (terasa) pada konsentrasi massa yang sangat besar (seperti ukuran bumi dan matahari), mungkin hal ini tidak terlintas di pikiran kita. Gaya tolak diantara dua elektron adalah 10⁴² kali lebih besar dari pada gaya gravitasi yang dialami oleh elektron tersebut, dan jika atom mengalami gaya bersama dengan gaya graitasi (termasuk gaya listrik), atom hidrogen tunggal seharusnya tampak lebih besar dari pada yang kita tahu di alam.

Gaya elektromagnetik tidak hanya berperan dominan dalam kehidupan sehari-hari, tetapi juga merupakan gaya yang paling dipahami oleh para ilmuwan pada saat ini daripada gaya gaya yang lain. Di dalamnya terdapat teori klasik dari gaya berat (hukun newton untuk gravitasi universal) dan relativisik (relativitas umum Einstein), tak hanya itu, walaupun belum memuaskan sama sekali, teori gaya berat mekanika kuantum juga telah sedang dibangun (banyak ilmuwan yang bekerja dibidang ini). Pada saat ini, terdapat teori yang sangat sukses (walaupun tidak praktis) untuk interaksi lemah (weak interactions) dan juga terdapat kandidat lain yang mencolok (dinamakan kromodinamik) untuk interaksi kuat (strong interactions). Semua teori teori tersebut terinspirasi dari elektromanetik, tidak ada hasil hasil eksperimen yang menentang pernyataan ini. Jadi elektromagnetik merupakan teori yang sangat sukses dan sangat lengkap (hingga saat ini), yang menjadi salah satu paradigma dalam ilmu fisika, sebuah model ideal dimana banyak teori-teori yang lain yang berusaha untuk menandinginya.

Teori elektrodinamika klasik yang ditemukan secara terpisah oleh Franklin, Coulomb, Ampere, Faraday, dan banyak  lainya, tetapi ilmuwan yang telah menyelesaikan pekerjaanya dengan lengkap, dan memaketkanya kedalam bentuk yang rapi dan konsisten hingga saat ini, dialah James Clark Maxwell, teori yang sekarang ini berumur lebih dari seratus tahun.

Penyatuan Teori Fisika

Pada awal mulanya, listrik dan magnet adalah dua hal yang sama sekali terpisah. Salah satunya (listrik) berhubungan dengan batang gelas yang digosokkan pada bulu hewan, baterai, arus listrik, elektrolisis, dan pencahayaan. Yang lainya (magnet) berhubungan dengan batang magnet, penggosokan magnet pada besi, jarum kompas, dan kutub bumi. Tetapi pada tahun 1820, seorang ilmuwan yang bernama Oersted menyatakan bahwa arus listrik dapat menyimpangkan arah jarum kompas. Segera setelah itu, Ampere mempostulatkan bahwa semua fenomena magnetik adalah akibat dari gaya gerak listrik. Kemdian pada tahun 1831, Faraday menemukan bahwa magnet yang bergerak menimbulkan arus listrik. Hingga akhirnya, Maxwell dan Lorentz menggabungkan penemuan-penemuan tersebut menjadi satu kesatuan, listrik dan magnet adalah suatu jalinan yang tak dapat dipisahkan. Keduanya tak dapat berdiri sendiri, tetapi merupakan dua buah aspek yang menyatu ke dalam subyek tunggal: elektromagnetik.

Faraday menyatakan bahwa cahaya sebenarnya juga merupakan elektromagnetik. Teori Maxwell menyajikan kebenaran yang menakjubkan atas hipotesisnya, dan segera setelah itu, optik, ilmu yang mempelajari lensa, cermin, prisma, interferensi, dan difraksi, bergabung ke dalam elektromagnetik. Hertz, ilmuwan yang menyajikan konfirmasi eksperimen dari teori Maxwell pada tahun 1988, menyatakan: “Hubungan antara cahaya dan kini berdiri dengan mantap…Pada setiap nyala api, pada setiap partikel yang bercahaya, kita melihat proses listrik…Dengan demikian, ranah elektromagnetik tersebar di alam sesmesta. Elektromagnetik bahkan mempengaruhi diri kita sendiri: kita merasa bahwa sebenarnya kita adalah organ elektrik, mata misalnya.” Pada tahun 1900, tiga cabang utama fisika, listrik, magnet, dan optik, telah digabung ke dalam satu kesatuan teori. (dan tampak jelas bahwa cahaya tampak sebenarnya merupakan hanya celah sempit dalam spektrum radiasi elektromagnetik dari gelombang radio hingga gelombang mikro, inframerah, ultraviolet, hingga ke sinar-X dan sinar gamma.)

Einstein telah memimpikan penyatuan yang leih jauh, yang akan mengkombinasikan teori gravitasi dan elektromagnetik, dengan banyak cara yang sama seperti yang telah dilakukan pada listrik dan magnet pada awal abad ini. Tetapi pada tahun baru-baru ini, teori kesatuan medannya tidak begitu sukses. Namun, semangat yang sama seperti Einstein, dalam melakukan penyatuan teori-teori dalam fisika, dimulai pada awal tahun 1960-an dengan teori elektrolemah (elektroweak) oleh Glashow, Weinberg, dan Salam (yang mengabugkan antara gaya elektromagnetik dan gaya lemah), dan puncaknya pada tahu 1980-an dengan teori superstring (yang didukung oleh 4 komponen gaya yang ada di fisika, gaya kuat, gaya elektomegnetik, gaya lemah, gaya gravitasi), empat macam gaya tersebut digabung ke dalam satu teori, yaitu teori segala sesuatu (teory of everything). Pada setiap langkah heirarkinya juga disertai dengan kesulitan matematis yang semakin meningkat, dan juga terdapat celah yang lebar di antara teori dengan hasil eksperimen, tetapi bagaimanapun juga, dapat dikatakan dengan jelas bahwa ide penyatuan gaya-gaya ini berasal dari teori elektromagnetik yang menjadi bentuk utama dalam pengembangan ilmu fisika.

Formulasi medan dalam fisika

Permasalahan utama dalam teori elektromagnetik adalah berharap untuk menyelesaikan ini : saya memegang sekumpulan muatan listrik “disini” (dan mungkin mengkocoknya), apa yang terjadi pada beberapa muatan yang lain, “disana”? Solusi klasik yang diambil dari teori medan adalah: kita katakan bahwa ruang disekitar muatan listrik ditembus oleh medan listrik dan magnet (sumber dari medan magnet dan listrik adalah muatan tersebut). Muatan kedua (muatan yang lain) yang hadir ke dalam medan tersebut, mengalami gaya medan, kemudian bergerak dan mempengaruhi medan lainnya dengan kata lain muatan-muatan tersebut mengalami interaksi tak langsung.

Ketika muatan bergerak dan mengalami percepatan, medan-medan yang ditumbulkannya (listrik dan magnet) akan saling menciptakan dengan sendirinya dan bergerak dengan kecepatan cahaya, dengan membawa energi, momentum, dan momentum sudut. Hal inilah yang diamakan dengan “radiasi elektromagnetik.”

Muatan Listrik

1. Muatan terdiri dari dua jenis, yang dikenal dengan muatan “positif” dan “negatif”, karena efeknya yang saling menetralkan (jika terdapat muatan +q dan –q pada titik yang sama, secara elektrik, hal ini dapat dikatakan bahwa tidak ada muatan di titik tersebut). Tetapi bagaimana jika terdapat 8 atau 10 jenis muatan? (di dalam kromodinamik sebenarnya terdapat tiga jenis muatan listrik, salah satu diantaranya bisa positif atau negatif). Atau bagaimana jika kedua jenis muatan tersebut tidak saling menghilangkan? Fakta lain yang luar biasa adalah kedua muatan tersebut (positif dan negatif) memiliki besar nilai yang sama, dengan ukuran yang sangat presisi, dan muatan tersebut terdapat pada sebagian materi yang ada di alam. Jika dilihat dari akibatnya maka pastilah kedua muatan tersebut (positif dan negatif) saling menetralkan satu sama lain. Jika tidak demikian halnya, sebuah kentang akan meledak dengan keras jika tidak terjadi efek yang saling menghilangkan itu.
2. Muatan terkonservasi, bahwa muatan tidak dapat diciptakan atapun dimusnahkan, apa yang ada di alam ini jumlahnya tetap (muatan positif dapat “dihilangkan” oleh muatan negatif, tetapi muatan negatif tidak dapat hilang begitu saja dengan sendirinya). Jadi jumlah total muatan listrik yang ada di alam ini adalah tetap untuk setiap waktu. Hal ini dinamakan dengan konservasi global dari muatan. Sebenarnya saya bisa mengatakan sesuatu yang lebih ekstrim: konservasi global akan mengijinkan sebuah muatan untuk hilang di New York dan secara otomatis muncul kembali di San Fransisco (ini tidak akan mempengaruhi jumlah total muatan listrik) dan sebelumnya pastilah sebagaian besar dari kita tidak tahu kalau hal ini bisa terjadi. Jika muatan ingin berpindah dari New York menuju San Fransisco maka muatan tersebut tentunya harus memasuki beberapa bagian kontinyu dari tempat satu ke tempat yang lainnya secara langsung. Hal ini dinamakan dengan konservasi lokal dari muatan. Selanjutnya kita akan melihat formulasi matematika dalam mengekspresikan konservasi lokal dari muatan, inilah yang sering kita dengar dengan istilah persamaan kontinuitas.
3. Muatan terkuantisasi, Meskipun tidak ada dalam elektrodinamika klasik yang menyebutkan demikian, faktanya adalah muatan listrik besarnya merupaka suatu kelipatan bilangan bulat dari muatan unit. Jika disebutkan bahwa muatan proton adlah +e, maka elektron akan membawa muatan –e, inti karbon +6e, dan seterusnya (tidak akan pernah terjadi muatan yang besarnya 7,392e atau 1/2e). Besar muatan unit ini sangat kecil, sehingga untuk praktisnya diabaikan faktor kuantisasi. Sebagai contoh, air misalnya, air sebenarnya juga terdiri dari bagian-bagian yang diskret (molekul), tetapi jika kita berhubungan dengan suatu jumlahan yang sangat besar maka diskret akan bisa dianggap sebagai sesuatu yang kontinu.

download artikel lengkap

sumber : Intrduction to Electrodynamics by Griffith