Planck Mengkuantakan Tenaga

0
220
views

Dalam tulisan lepas, kita telah berkenalan dengan Electromagnetic Wave, yang merupakan gelombang elektromagnet yang boleh diklasifikasikan kepada beberapa jenis berdasarkan tenaga dan frekuensi mereka, iaitu Gelombang Inframerah, Gelombang Radio, Cahaya Nampak, Gelombang Ultralembayung (Ultraviolet), Sinar X dan Sinaran Gamma.

Selain itu, penulis juga turut menceritakan serba sedikit berkenaan permasalahan jasad hitam, salah satu kisah paling penting apabila anda mula mengenali Fizik Kuantum. Salah satu implikasi paling besar dalam permasalahan jasad hitam adalah apabila Max Planck menyatakan bahawa tenaga adalah terkuanta, dan ini bertentangan dengan konsep tenaga dalam fizik klasik.

Sifat Tenaga Menurut Fizik Klasik

Untuk memahami perkara berkaitan tenaga, adalah penting untuk kita berkenalan dahulu dengan bahan binaan asas bagi alam. Ahli falsafah purba Greek berpandangan bahawa setiap benda yang wujud dalam dunia ini mampu dipecahkan menjadi entiti paling kecil. Pandangan ini dipanggil sebagai atomism, salah satu cabang falsafah lama dalam sains. Menurut pandangan ini, entiti yang paling kecil, dipanggil atom, wujud dan sentiasa bergerak dalam suatu ruang kosong yang dipanggil void. Maka, menurut teori atomism ini, tenaga boleh diubah dari satu keadaan ke keadaan yang lain apabila tenaga antara atom-atom ini saling bertukar antara satu sama lain. Antara saintis yang terkenal memegang pegangan ini adalah Galileo Galilei.

Melawan teori atomism ini adalah ideologi energiticists, golongan saintis yang berpandangan bahawa alam tidak memerlukan atom untuk berfungsi. Sebaliknya, tenaga berubah tanpa keperluan terhadap atom, sepertimana yang mampu difahami berdasarkan hukum-hukum Termodinamik. Kebanyakan saintis yang memegang pegangan energiticists ini juga adalah ahli dalam bidang Termodinamik, seperti Wilhelm Ostwald dan Max Planck sendiri.

Titik persamaan yang boleh kita lihat berdasarkan pegangan atomism dan energitism adalah tenaga sentiasa berubah dalam keadaan berterusan.  Apa yang kita maksudkan sebagai berterusan? Berterusan di sini maksudnya tenaga akan bertukar dari satu entiti kepada entiti yang lain secara terus (direct).

Antara contoh mudah bagi tenaga yang bertukar secara berterusan adalah makanan yang kita makan. Setiap makanan yang kita makan akan mempunyai nilai tenaga yang tersendiri berdasarkan komposisi kimia bahan makanan kita, dan selalunya nilai ini akan diambil sebagai kalori atau Joule. Maka apabila kita makan, kita akan mengatakan bahawa tenaga akan berpindah, dari tenaga kimia makanan kita, kemudian diserap oleh badan kita. Dalam situasi ini, kita akan mengatakan bahawa tenaga berubah dalam bentuk yang berterusan (continuous).

Rajah 2: Antara contoh tenaga adalah makanan (membekalkan tenaga kepada manusia). Tenaga akan berubah dari komposisi kimia bahan makanan kita, kemudian diserap oleh badan kita.

Revolusi Planck

Waqaf Saham

Salah satu masalah yang memeningkan ahli sains pada zaman Planck adalah berkenaan tenaga, dan lebih spesifik lagi adalah berkenaan dengan tenaga bagi jasad hitam (rujuk artikel sebelum ini). Secara mudahnya, jasad hitam, menurut hukum termodinamik, akan membebaskan tenaga berupa gelombang elektromagnet. Beberapa orang saintis telah mencuba untuk membuat formulasi bagi menerangkan permasalahan jasad hitam ini, dan antara saintis yang terkenal adalah Lord Rayleigh dan Wilhelm Wien.

Masalahnya adalah ini – kedua-dua formulasi yang dibuat oleh Lord Rayleigh (Rayleigh-Jeans Law) dan Wien (Wien’s Displacement Law) ini hanyalah berguna dalam anggaran tertentu. Sebagai contoh, Rayleigh-Jeans Law ini hanyalah berguna untuk anggaran wavelength gelombang elektromagnet yang tinggi, namun ia tidak mampu menerangkan keadaan bagi jasad hitam yang menghasilkan wavelength yang rendah. Hal ini memeningkan saintis, kerana menurut hukum Rayleigh-Jeans, kalau wavelength gelombang tersebut tinggi, itu menandakan bahawa jasad hitam tersebut mengeluarkan tenaga yang menghampiri nilai infiniti.

Gila!

Rajah 3: Teori klasik boleh digunakan bagi menggambarkan keadaan jasad hitam yang mengeluarkan radiasi pada wavelength yang tinggi, namun menunjukkan nilai infiniti bagi wavelength rendah.

Masalah yang dibawa oleh Hukum Rayleigh-Jeans ini kini dikenali sebagai Ultraviolet Catastrophe, kerana ia gagal untuk menerangkan aspek fizikal bagi gelombang elektromagnet pada wavelength yang rendah, misalnya gelombang ultralembayung (ultraviolet). Justeru, idea baru perlu dibina, dan disinilah Max Planck datang membantu.

Revolusi Planck terhasil apabila Max Planck, dalam usaha beliau menerangkan permasalahan jasad hitam ini, beliau mengambil jalan yang agak radikal, kerana beliau mengkuantakan tenaga. Maksud kuanta ini adalah bertentangan dengan maksud continuous yang kita bincangkan di atas, kerana continuous itu merujuk kepada keadaan di mana tenaga tersebut bertukar secara berterusan, namun dalam kes kuanta, tenaga dianggap mempunyai nilai-nilai spesifik.

Antara analogi mudah untuk memahami pembaharuan yang dibuat oleh Planck adalah seperti berikut – katakan kau ada satu bukit. Untuk bergerak menaiki bukit tersebut, kau perlu melalui satu cerun yang menghubungkan bahagian bawah ke bahagian atas bukit. Bukit ini kita panggil sebagai bukit yang continuous.

Keunikan yang dibawa oleh Planck adalah apabila dia tidak menganggap bahawa dari bawah ke atas bukit tersebut sebagai satu jalan yang landai, sebaliknya, dia menganggap bahawa terdapat ‘tangga’ yang memisahkan setiap tingkat dari bawah bukit ke atas bukit. Untuk menaiki bukit tersebut, kita akan memerlukan nilai tenaga yang spesifik, nilai yang tidak lagi continuous, sebaliknya adalah nilai yang discrete, nilai yang boleh dikira secara satu persatu.

Rajah 4: Beza antara continuous dan quantized. Continuous merujuk kepada keadaan yang berterusan, manakala quantized merujuk kepada keadaan yang boleh dikira (countable).

Teori Planck ini, yang turut dipanggil sebagai Planck Hypothesis, memperkenalkan salah satu universal constant yang diberi nama sebagai Planck’s Constant. Namun begitu, teori Planck ini pada awalnya dipandang sepi oleh saintis lain, kerana mereka merasakan bahawa idea Planck ini gila dan tidak masuk akal, kerana tenaga, sepertimana yang diketahui dalam Fizik Klasik, sentiasa berada dalam keadaan berterusan. Teori ini kemudiannya mendapat perhatian daripada seorang bintang sains yang baru bersinar pada waktu itu, Albert Einstein.

Rujukan

Berryman, “Ancient Atomism”, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2008 Edition).

Helge Kragh (2000). “Max Planck: The Reluctant Revolutionary.” Physics World, pp 31-35.