MEDAN DALAM FISIKA

Medan dalam ilmu fisika adalah kehadiran besaran fisika di setiap titik dalam ruang (atau, secara lebih umum, ruang-waktu). Kekuatan medan biasanya berubah-ubah dalam suatu wilayah.

Medan biasanya direpresentasikan secara matematis oleh medan skalar, vektor atau tensor. Sebagai contoh kita dapat memodelkan medan gravitasi menggunakan medan vektor. Pada medan ini suatu vektor melambangkan percepatan yang akan didapat titik massa pada tiap titik di dalam ruang. Contoh lain adalah medan temperatur atau medan tekanan udara, yang kerap diilustrasikan dalam laporan cuaca sebagai isoterm dan isobar, dengan menghubungkan titik-titik yang memiliki suhu atau tekanan yang sama.

Teori Medan

Teori Medan biasanya mengacu pada konstruksi dinamika suatu medan, yaitu spesifikasi bagaimana suatu medan berubah terhadap waktu atau terhadap komponen lain dari medan tersebut. Biasanya ini dilakukan dengan menulis Lagrangian atau Hamiltonian dari medan tersebut, dan memperlakukannya sebagai sistem mekanika klasik atau kuantum dengan jumlah derajat kebebasan tak terhingga. Teori medan yang dihasilkan disebut sebagai teori medan klasik atau teori medan kuantum.

Dalam fisika modern, medan yang paling sering dipelajari adalah model empat gaya fundamental yang pada suatu hari mungkin menghasilkan Teori Medan Terpadu

Medan klasik

Terdapat beberapa contoh medan klasik. Dinamika suatu medan klasik biasanya dispesifikasikan oleh kerapatan Lagrange dalam komponen medan. Dinamika tersebut dapat diperoleh menggunakan prinsip Aksi.

Michael Faraday pertama kali menyadari pentingnya medan sebagai objek fisika, selama penyelidikannya tentang magnetisme. Dia menyadari bahwa medan listrik dan medan magnet tidak hanya medan gaya yang menentukan gerakan partikel, tetapi juga memiliki realitas fisika sendiri, karena mereka mengandung energi.

Gagasan ini pada akhirnya berujung pada penciptaan teori medan terpadu pertama oleh James Clerk Maxwell, dengan diperkenalkannya persamaan untuk medan elektromagnetik. Versi modern persamaan ini disebut sebagai Persamaan Maxwell. Pada akhir abad ke-19, medan elektromagnetik dipahami sebagai kumpulan dua medan vektor dalam ruang. Saat ini, para fisikawan merumuskannya sebagai medan tensor tunggal asimetris orde-2 dalam ruang-waktu.

Teori gravitasi Einstein, teori relativitas umum, adalah contoh lain teori medan. Di sini medan utama adalah tensor metrik, medan tensor orde-2 simetris dalam ruang-waktu.

Medan kuantum

Saat ini para fisikawan percaya bahwa mekanika kuantum semestinya mendasari semua fenomena fisis, sehingga suatu teori medan klasik, paling tidak dalam prinsipnya, dapat dirumuskan dalam bentuk mekanika kuantum. Keberhasilan kuantisasi ini menghasilkan teori medan kuantum yang terkait. Sebagai contoh kuantisasi elektrodinamika klasik menghasilkan elektrodinamika kuantum. Elektrodinamika kuantum dapat disebut sebagai teori ilmiah paling berhasil. Data percobaan mengkonfirmasi ramalannya dengan kecermatan lebih tinggi daripada teori lain manapun. Dua teori medan kuantum dasar lainnya adalah kromodinamika kuantum dan teori elektrolemah. Ketiga teori medan kuantum ini dapat diturunkan sebagai kasus khusus model standar fisika partikel. Teori Relativitas Umum, teori medan gravitasi klasik, sampai saat ini belum berhasil dikuantisasi.

Teori medan klasik masih bermanfaat pada keadaan sifat-sifat kuantum tidak muncul, dan dapat menjadi wilayah penelitian aktif. Elastisitas bahan, dinamika fluida, dan persamaan Maxwell merupakan contoh-contohnya.

Medan acak kontinu

Medan klasik seperti disebut di atas, seperti medan elektromagnetik, biasanya merupakan fungsi yang dapat diturunkan (diferensiabel), namun pada setiap kasus medan-medan tersebut hampir selalu dapat diturunkan dua kali. Namun fungsi tergeneralisasi tidaklah kontinu. Ketika berurusan dengan medan klasik pada temperatur terhingga, metode matematika medan acak kontinu mesti dipakai, karena medan klasik yang berfluktuasi secara termal tidak dapat diferensiasikan di mana pun (nowhere differentiable).

Simetri Medan

Cara yang mudah menggolongkan medan (klasik atau kuantum) adalah melalui kesetangkupan (simetri) yang dimilikinya. Biasanya ada dua jenis simetri fisis:

 Simetri ruang-waktu

Medan kerap kali diklasifikasikan dalam kelakuan mereka terhadap transformasi simetri ruang-waktu. Istilah yang digunakan dalam klasifikasi ini adalah:

Medan skalar (seperti temperatur), yang nilai-nilainya diberikan oleh variabel tunggal pada tiap titik dalam ruang. Nilai ini tidak berubah dengan transformasi ruang.

Medan vektor (seperti besar dan arah gaya pada tiap titik dalam medan magnet yang diberikan dengan menempatkan vektor pada tiap titik dalam ruang. Komponen-komponen vektor ini bertransformasi seperti biasa dalam rotasi dalam ruang.

Medan tensor (seperti tensor tegangan kristal) diberikan oleh tensor pada tiap titik ruang. Komponen tensor ini bertransformasi seperti biasa dalam rotasi dalam ruang.

Medan spinor berguna dalam teori medan kuantum

Pada teori relativitas penggolongan yang mirip berlaku, dengan perkecualian skalar, vektor, dan tensor didefinisikan terhadap simetri Poincaré dari ruang-waktu.

Simetri internal

Medan boleh jadi memiliki simetri internal selain simetri ruang-waktu. Dalam banyak keadaan bisa muncul keperluan terhadap medan yang merupakan senarai skalar ruang-waktu: (φ₁,φ₂...φ_N). Sebagai contoh, dalam ramalan cuaca skalar-skalar tersebut adalah suhu, tekanan, kelembapan, dan sebagainya. Dalam fisika partikel, simetri muatan warna interaksi quark adalah contoh simetri internal interaksi kuat, seperti juga simetri isospin atau flavor.

Bila ada simetri suatu masalah yang tidak melibatkan ruang-waktu, yang didalamnya komponen-komponen ini bertransformasi ke dalam satu sama lain, maka himpunan simetri ini dinamakan simetri internal. Klasifikasi muatan medan dapat juga dibuat di bawah simetri internal

EINSTEIN DAN TEORI RELATIVITAS

          Albert Einstein (lahir di Ulm, Kerajaan Württemberg, Kerajaan Jerman, 14 Maret 1879 – meninggal di Princeton, New Jersey, Amerika Serikat, 18 April 1955 pada umur 76 tahun) adalah seorang ilmuwan fisika teoretis yang dipandang luas sebagai ilmuwan terbesar dalam abad ke-20. Dia mengemukakan teori relativitas dan juga banyak menyumbang bagi pengembangan mekanika kuantum, mekanika statistika, dan kosmologi. Dia dianugerahi Penghargaan Nobel dalam Fisika pada tahun 1921 untuk penjelasannya tentang efek fotolistrik dan "pengabdiannya bagi Fisika Teoretis".

• Einstein dan relativitas

          
          Tak salah lagi, ia adalah salah satu ilmuwan terhebat abad ke-20. Cendekiawan tak ada tandingannya sepanjang jaman. Termasuk karena teori "relativitas"-nya. Sebenarnya teori ini merupakan dua teori yang bertautan satu sama lain: teori khusus "relativitas" yang dirumuskannya tahun 1905 dan teori umum "relativitas" yang dirumuskannya tahun 1915, lebih terkenal dengan hukum gaya berat Einstein. Kedua teori ini teramat rumitnya, karena itu bukan tempatnya di sini menjelaskan sebagaimana adanya, namun uraian ala kadarnya tentang soal relativitas khusus ada disinggung sedikit. Pepatah bilang, "semuanya adalah relatif." Teori Einstein bukanlah sekedar mengunyah-ngunyah ungkapan yang nyaris menjemukan itu. Yang dimaksudkannya adalah suatu pendapat matematik yang pasti tentang kaidah-kaidah ilmiah yang sebetulnya relatif. Hakikatnya, penilaian subyektif terhadap waktu dan ruang tergantung pada si penganut. Sebelum Einstein, umumnya orang senantiasa percaya bahwa dibalik kesan subyektif terdapat ruang dan waktu yang absolut yang bisa diukur dengan peralatan secara obyektif. Teori Einstein menjungkir-balikkan secara revolusioner pemikiran ilmiah dengan cara menolak adanya sang waktu yang absolut. Contoh berikut ini dapat menggambarkan betapa radikal teorinya, betapa tegasnya dia merombak pendapat kita tentang ruang dan waktu.
          Bayangkanlah sebuah pesawat ruang angkasa --sebutlah namanya X--meluncur laju menjauhi bumi dengan kecepatan 100.000 kilometer per detik. Kecepatan diukur oleh pengamat, baik yang berada di pesawat ruang angkasa X maupun di bumi, dan pengukuran mereka bersamaan. Sementara itu, sebuah pesawat ruang angkasa lain yang bernama Y meluncur laju pada arah yang sama dengan pesawat ruang angkasa X tetapi dengan kecepatan yang berlebih. Apabila pengamat di bumi mengukur kecepatan pesawat ruang angkasa Y, mereka mengetahui bahwa pesawat itu melaju menjauhi bumi pada kecepatan 180.000 kilometer per detik. Pengamat di atas pesawat ruang angkasa Y akan berkesimpulan serupa.
          Nah, karena kedua pesawat ruang angkasa itu melaju pada arah yang bersamaan, akan tampak bahwa beda kecepatan antara kedua pesawat itu 80.000 kilometer per detik dan pesawat yang lebih cepat tak bisa tidak akan bergerak menjauhi pesawat yang lebih lambat pada kadar kecepatan ini.
          Tetapi, teori Einstein memperhitungkan, jika pengamatan dilakukan dari kedua pesawat ruang angkasa, mereka akan bersepakat bahwa jarak antara keduanya bertambah pada tingkat ukuran 100.000 kilometer per detik, bukannya 80.000 kilometer per detik.
          Kelihatannya hal ini mustahil dan seperti seperti olok-olok. Pembaca menduga seakan ada bau-bau tipu. Menduga jangan-jangan ada perincian yang disembunyikan. Padahal, sama sekali tidak! Hasil ini tidak ada hubungannya dengan tenaga yang digunakan untuk mendorong mereka.
          Tak ada keliru pengamatan. Walhasil, tak ada apa pun yang kurang, alat rusak atau kabel melintir. Mulus, polos, tak mengecoh. Menurut Einstein, hasil kesimpulan yang tersebut di atas tadi semata-mata sebagai akibat dari sifat dasar alamiah ruang dan waktu yang sudah bisa diperhitungkan lewat rumus ihwal komposisi kecepatannya.
          Tampaknya merupakan kedahsyatan teoritis, dan memang bertahun-tahun orang menjauhi "teori relativitas" bagaikan menjauhi hipotesa "menara gading," seolah-olah teori itu tak punya arti penting samasekali. Tak seorang pun --tentu saja tidak-- membuat kekeliruan hingga tahun 1945 tatkala bom atom menyapu Hiroshima dan Nagasaki. Salah satu kesimpulan "teori relativitas" Einstein adalah benda dan energi berada dalam arti yang berimbangan dan hubungan antara keduanya dirumuskan sebagai E = mc². E menunjukkan energi dan m menunjukkan massa benda, sedangkan c merupakan kecepatan cahaya. Nah, karena c adalah sama dengan 180.000 kilometer per detik (artinya merupakan jumlah angka amat besar) dengan sendirinya c2 (yang artinya c x c) karuan saja tak tepermanai besar jumlahnya. Dengan demikian berarti, meskipun pengubahan sebagian kecil dari benda mampu mengeluarkan jumlah energi luar biasa besarnya.

• Relativitas khusus dan umum

          "Teori relativitas khusus" mengundang beda pendapat yang hangat, tetapi dalam satu segi semua sepakat, teori itu merupakan pemikiran yang paling meragukan yang pernah dirumuskan manusia. Tetapi, tiap orang ternyata terkecoh karena "teori relativitas umum" Einstein merupakan titik tolak pikiran lain bahwa pengaruh gaya berat bukanlah lantaran kekuatan fisik dalam makna yang biasa, melainkan akibat dari bentuk lengkung angkasa luar sendiri, suatu pendapat yang amat mencengangkan!
          Bagaimana bisa orang mengukur bentuk lengkung ruang angkasa?
Einstein bukan sekedar mengembangkan secara teoritis, melainkan dituangkannya ke dalam rumusan matematik yang jernih dan jelas sehingga orang bisa melakukan ramalan yang nyata dan hipotesanya bisa diuji. Pengamatan berikutnya --dan ini yang paling cemerlang karena dilakukan tatkala gerhana matahari total-- telah berulang kali diyakini kebenarannya karena bersamaan benar dengan apa yang dikatakan Einstein.
          Teori umum tentang relativitas berdiri terpisah dalam beberapa hal dengan semua hukum-hukum ilmiah. Pertama, Einstein merumuskan teorinya tidak atas dasar percobaan-percobaan, melainkan atas dasar-dasar kehalusan simetri dan matematik. Pendeknya berpijak diatas dasar rasional seperti lazimnya kebiasaan para filosof Yunani dan para cendekiawan abad tengah perbuat. Ini berarti, Einstein berbeda cara dengan metode ilmuwan modern yang berpandangan empiris. Tetapi, bedanya ada juga: pemikir Yunani dalam hal pendambaan keindahan dan simetri tak pernah berhasil mengelola dan menemukan teori yang mekanik yang mampu bertahan menghadapi percobaan pengujian yang rumit-rumit, sedangkan Einstein dapat bertahan dengan sukses terhadap tiap-tiap percobaan. Salah satu hasil dari pendekatan Einstein adalah bahwa teori umum relativitasnya dianggap suatu yang amat indah, bergaya, teguh dan secara intelektual memuaskan semua teori ilmiah.
          Teori relativitas umum juga dalam beberapa hal berdiri secara terpisah. Kebanyakan hukum-hukum ilmiah lain hanya kira-kira saja berlaku. Ada yang kena dalam banyak hal, tetapi tidak semua. Sedangkan mengenai teori umum relativitas, sepanjang pengetahuan, sepenuhnya diterima tanpa kecuali. Tak ada keadaan yang tak diketahui, baik dalam kaitan teoritis atau percobaan praktek yang menunjukkan bahwa ramalan-ramalan teori umum relativitas hanya berlaku secara kira-kira. Bisa saja percobaan-percobaan di masa depan merusak nama baik hasil sempurna yang pernah dicapai oleh sesuatu teori, tetapi sepanjang menyangkut teori umum relativitas, jelas tetap merupakan pendekatan yang paling diandalkan bagi setiap ilmuwan dalam usahanya menuju kebenaran terakhir.
          Meskipun Einstein teramat terkenal dengan "teori relativitas"-nya, keberhasilan karyanya di bidang ilmiah lain juga membuatnya tersohor selaku ilmuwan dalam setiap segi. Nyatanya, Einstein peroleh Hadiah Nobel untuk bidang fisika terutama lantaran buah pikiran tertulisnya membeberkan efek-efek foto elektrik, sebuah fenomena penting yang sebelumnya merupakan teka-teki para cerdik pandai. Dalam karya tulisan ilmiah itu Einstein membuktikan eksistensi photon, atau partikel cahaya.
          Anggapan lama lewat percobaan yang tersendat-sendat mengatakan bahwa cahaya itu terdiri dari gelombang elektro magnit, dan gelombang serta partikel merupakan konsep yang berlawanan. Sedangkan hipotesa Einstein menunjukkan suatu perbedaan yang radikal dan amat bertentangan dengan teori-teori klasik. Bukan saja hukum foto elektriknya terbukti punya arti penting dalam penggunaan, tetapi hipotesanya tentang photon punya pengaruh besar dalam perkembangan teori kuantum (hipotesa bahwa dalam radiasi, energi elektron dikeluarkan tidak kontinyu melainkan dalam jumlah tertentu) yang saat ini merupakan bagian tak terpisahkan dari teori itu.
          Dalam hal menilai arti penting Einstein, suatu perbandingan dengan Isaac Newton merupakan hal menyolok. Teori Newton pada dasarnya mudah dipahami, dan kegeniusannya sudah tampak pada awal mula perkembangan. Sedangkan "teori relativitas" Einstein teramat sulit dipahami biarpun lewat penjelasan yang cermat dan hati-hati. Lebih-Lebih rumit lagi jika mengikhtisarkan aslinya! Tatkala beberapa gagasan Newton mengalami benturan dengan gagasan ilmiah pada jamannya, teorinya tak pernah tampak luntur atau goyah dengan pendiriannya. Sebaliknya, "teori relativitas" penuh dengan hal yang saling bertentangan. Ini merupakan bagian dari kegeniusan Einstein bahwa pada saat permulaan, ketika gagasannya masih merupakan hipotesa yang belum diuji yang dikemukakannya selaku orang muda belasan tahun yang samasekali tidak dikenal, dia tak pernah membiarkan kontradiksi yang nyata-nyata ada ini dan mencampakkan teorinya. Sebaliknya malahan dia dengan sangat cermat dan hati-hati merenungkan terus hingga ia mampu menunjukkan bahwa kontradiksi ini hanya pada lahirnya saja sedangkan sebenarnya tiap masalah selalu tersedia untuk memecahkan kontradiksi itu dengan cara yang halus namun cerdik dan tegas.

Albert Einstein "Tokoh Abad Ini"

Albert Einstein (lahir di Ulm, Kerajaan Württemberg, Kerajaan Jerman, 14 Maret 1879 – meninggal di Princeton, New Jersey, Amerika Serikat, 18 April 1955 pada umur 76 tahun) adalah seorang ilmuwan fisika teoretis yang dipandang luas sebagai ilmuwan terbesar dalam abad ke-20. Dia mengemukakan teori relativitas dan juga banyak menyumbang bagi pengembangan mekanika kuantum, mekanika statistika, dan kosmologi. Dia dianugerahi Penghargaan Nobel dalam Fisika pada tahun 1921 untuk penjelasannya tentang efek fotolistrik dan "pengabdiannya bagi Fisika Teoretis".

Setelah teori relativitas umum dirumuskan, Einstein menjadi terkenal ke seluruh dunia, pencapaian yang tidak biasa bagi seorang ilmuwan. Di masa tuanya, keterkenalannya melampaui ketenaran semua ilmuwan dalam sejarah, dan dalam budaya populer, kata Einstein dianggap bersinonim dengan kecerdasan atau bahkan genius. Wajahnya merupakan salah satu yang paling dikenal di seluruh dunia.

Albert Einstein, Tokoh Abad Ini (Person of the Century)

Pada tahun 1999, Einstein dinamakan "Tokoh Abad Ini" oleh majalah Time.

Untuk menghargainya, sebuah satuan dalam fotokimia dinamai einstein, sebuah unsur kimia dinamai einsteinium, dan sebuah asteroid dinamai 2001 Einstein.

Rumus Einstein yang paling terkenal adalah E=mc²