Heisenberg mengawali kuliahnya di Universitas Munich mengambil jurusan matematika. Beliau diperkenalkan oleh ayahnya–yang baru saja pensiun–kepada Ferdinand von Lindermann. Namun setelah diwawancara oleh Lindermann, Heisenberg dinyatakan gagal. Padahal subjek paling favoritnya adalah matematika.
Wawancara selanjutnya dengan Sommerfeld membuka jalan baru baginya. Heisenberg diterima di jurusan fisika teori di Universitas itu. Bersama Pauli, mereka memulai kuliahnya pada tahun 1920. Beliau langsung jatuh cinta dengan subjek barunya. Kemudian beliau berencana mengambil penelitian mengenai relativitas–topik yang sedang hangat-hangatnya saat itu. Rencana ini ternyata sudah keduluan oleh Pauli. Temannya itu menyarankan agar Heisenberg mengambil penelitian mengenai struktur atom. Menurut Pauli, penelitian mengenai struktur atom lebih membutuhkan pengembangan oleh orang seperti Heisenberg. Hal ini didasarkan pemikiran bahwa saat itu hasil penelitian dan pemikiran teori tentang subjek itu masih belum sesuai.
Subjek penelitian tentang struktur atomlah yang kemudian mempertemukan Heisenberg dengan Bohr. Pada tahun 1922, Heisenberg menghadiri kuliah Bohr di Universitas Gottingen. Saat kuliah itulah Heisenberg mengemukan pendapatnya yang membuat Bohr kebakaran jenggot. Menurutnya, karena elektron itu tidak akan pernah dapat dilihat oleh manusia maka kepastian dari keadaan elektron tersebut (posisi dan momentumnya) tidak akan pernah dapat dipastikan. Menurutnya lagi, “Kita tidak bisa menentukan apa yang akan terjadi karena kita tidak tahu sepenuhnya tentang masa kini!” Inilah cikal bakal dari prinsip ketidakpastian Heisenberg. Namun, karena pendapatnya itulah, Bohr memanggilnya. Bohr memang merasa ada kelemahan dari teorinya, salah satunya adalah tidak bisa menjelaskan dengan benar spektrum atom poli-elektron. Kemudian Heisenberg diajak berjalan-jalan di alam Jerman sambil menikmati pemandangan dan membicarakan tentang pendapatnya. Disitulah Bohr tahu bahwa anak muda ini bukan orang sembarangan.
Bohr mengajaknya ke Copenhagen, Denmark. Saat itu Copenhagen memang menjadi salah satu pusat penelitian fisika teori terkemuka, terlebih karena Bohr adalah orang Denmark. Di sana, Heisenberg bekerja bersama Max Born, Franck dan Hilbert mengkaji tentang model atom Bohr yang saat itu diterima sebagai model atom paling canggih. Heisenberg menyelesaikan disertasinya tentang turbulensi fluida pada tahun 1923, artinya beliau menyelesaikan studi S3-nya saat masih berumur 22 tahun!
Pada tahun 1925 Heisenberg kembali ke Gottingen. Tahun itu pula beliau menemukan matriks mekanik, versi pertama dari pengembangan mekanika kuantum. Beliau tidak menemukannya sebagai matriks aljabar, tapi memfokuskannya pada kuantisasi probabilitas amplitudo yang dibangun oleh aljabar non-komutatif. Max Born dan Pascual Jordan menkonversikannya ke bentuk matriks aljabar. Tahun 1926, Max Born menafsirkan fungsi gelombang dalam suku probabilitas. Ketika seseorang melakukan pengukuran lokasi elektron, probabilitas mendapatkannya di setiap posisi bergantung pada fungsi gelombang di sana. Interpretasi ini mengusulkan bahwa keacakan merupakan karakteristik atau sifat fundamental alam.
Pada tahun 1927 Heisenberg kembali ke Jerman dengan predikat profesor paling muda di negara itu. Dengan memanfaatkan temuan sebelumnya (yang sudah dikonversikan oleh Max Born), akhirnya pada tahun yang sama Heisenberg mengemukakan prinsipnya. Prinsip ketidakpastian mengemukakan bahwa posisi dan momentum suatu elektron tidak bisa ditentukan dalam waktu yang bersamaan. Prinsip ini bukan merupakan akibat dari keterbatasan ketelitian instrumen manusia, akan tetapi merupakan sifat yang inheren (melekat) di dunia subatomik. Heisenberg mengajukan suatu prinsip yang menjungkirbalikkan determinisme fisika klasik!
Pengukuran pertama dilakukan dengan mengukur posisi dari elektron, kemudian mengukur momentumnya. Posisi dilambangkan dengan x dan momentum dilambangkan dengan p. Jika dilakukan pengukuran beberapa kali maka setiap pengukuran akan memberikan hasil yang berbeda baik dari segi posisi ataupun momentumnya. Dengan kata lain, ada suatu ketidakpastian dalam pengukuran ini. Prinsip ketidakpastian Heisenberg memberikan hubungan kuantitatif antara ketidakpastian dari p dan x yang diukur dengan penyimpangan standar yang mengikuti hukum; jika pada pengukuran pertama kita memperoleh ∆x, lalu pengukuran kedua akan didapatkan distribusi harga ∆p yang proporsional dengan ∆x.
Hubungan ketidakpastian muncul antara dua kuantitas yang bisa diteliti yang dapat diartikan sebagai operator non-komutatif. Prinsip ketidakpastian dalam mekanika kuantum dijelaskan bahwa pengukuran posisi elektron akan mengganggu momentum elektron tersebut. Penggangguan dalam prinsip ketidakpastian ini dapat dilihat dari asumsi berikut: elektron disiapkan dalam keadaan mantap dan mengukur posisi lalu momentum, tapi tidak keduanya. Setelah percobaan diulangi berkali-kali, maka akan didapatkan distribusi probabilitas dari harga posisi-momentum, dan hubungan ketidakpastiannya akan tetap berkesesuaian untuk harga ∆p, ∆x. Hubungan ketidakpastian Heisenberg ini merupakan pengukuran yang sifatnya teoritis, oleh karena itu disebut juga pengukuran yang berada dalam keadaan ideal.
Berbeda dengan teori mekanika klasik yang menyebutkan bahwa momentum dan posisi elektron bisa ditentukan pada saat bersamaan sekalipun. Prinsip ketidakpastian menimbulkan efek yang aneh. Dengan prinsip ini, posisi dan momentum elektron tidak bisa ditentukan dengan teliti atau 100%. Jika benar-benar yakin, posisi elektron bisa ditentukan hanya dengan kebolehjadian sebanyak 99% berada di tempat tertentu, dan 1% berada di tempat lain. Bahkan meskipun kemungkinannya hanya 1%, posisi elektron itu bisa saja berada di seberang alam semesta. Ketidakpastian juga tidak hanya berlaku untuk pasangan posisi-momentum tapi juga pasangan besaran lainnya, seperti energi-waktu, waktu-frekuensi, dan dua komponen ortogonal dari momentum angular. Dengan ini teori-teori yang menjelaskan subjek-subjek tadi harus dikaji ulang semuanya.
Tentu saja hal ini menimbulkan pro dan kontra. Bohr termasuk orang yang pro karena bersamanyalah Heisenberg membangun prinsipnya itu. Einstein, sang penemu relativitas, adalah salah satu yang tidak setuju dengan prinsip ketidakpastian tersebut. Kemudian prinsip ini menjadi perdebatan dikalangan ilmuwan saat itu.
Einstein menawarkan sebuah eksperimen pikiran, kalau kita mengisi kotak (kotak sudah ditimbang terlebih dahulu) dengan suatu zat radioaktif yang siap meluruh kemudian kotak ditutup bersamaan dengan dijalankannya waktu. Dengan begitu bisa didapatkan waktu yang teliti dalam pengukuran peluruhan energi yang dipancarkan. Lalu massa kotak akhir ditimbang, kemudian masa awal dikurangi massa akhir, sehingga didapatkan nilai selisih massa yang berarti massa radioaktif yang meluruh. Dengan perumusan relativitas khusus yang ekivalen antara massa dan energi akan dapat diperoleh berapa tepatnya energi yang meluruh.
Bohr membantah pemikiran tersebut; memang dengan lepasnya energi maka massa kotak yang diukur akan menunjukkan skala yang lebih ringan. Namun penimbangan pada awal dan akhir eksperimen akan merubah posisi waktu menjadi lebih lama. Dengan menghitung kembali dengan relativitas khusus maka waktu dari sudut pandang kita dan sudut pandang peluruhan akan berbeda, inilah yang akan menyebabkan kesalahan yang tidak bisa dihindari. Faktanya, jika analisis dilakukan dengan hubungan Heisenberg maka kekeliruan itu akan bisa teramati dan didapatkan hasil yang tepat.
Diakhir perdebatan Einstein berkata, “Aku tidak percaya Tuhan bermain dadu untuk alam semesta.” Tapi Bohr dan Heisenberg menyanggahnya dengan berkata, “Jangan katakan apa yang harus Tuhan lakukan!”. Bahkan lebih maju lagi Stephen W. Hawking mengatakan, “Tuhan tidak hanya bermain lempar dadu tapi melemparkannya ke tempat yang tidak kita ketahui!”
Mungkin pandangan Copenhagen ini hanya sebagian kecil dari mekanika kuantum yang belum diketahui sampai kapan akan berakhir. Tapi prinsip ketidakpastian jelas menegaskan bahwa alam semesta yang diciptakan oleh Tuhan ini tidak berada dalam bentuk deterministik (bentuk yang dapat dipastikan), tapi hanya melahirkan berbagai kemungkinan.
Orang lain yang tidak setuju dengan prinsip ini adalah Schrodinger. Schrodinger mengajukan suatu teka-teki yang sampai saat ini sulit dijelaskan. Jika dalam suatu kotak ada zat radioaktif yang meluruh dan di dalamnya juga ada kucing yang akan mati kalau radioaktif tersebut meluruh, maka akan terjadi dua keadaan berbeda dalam waktu yang bersamaan. Jika mengikuti prinsip ketidakpastian, maka radioaktif tersebut akan berada dalam dua keadaan, yaitu meluruh dan tidak meluruh, dengan keadaan itu maka kucing di dalamnya juga akan berada dalam dua keadaan yaitu mati dan hidup dalam waktu yang bersamaan. Meskipun teka-teki ini belum terjawab tapi Schrodinger mengakui teori Heisenberg lebih baik dari yang sudah ada.
Dampak dari prinsip ketidakpastian bukan hanya mempengaruhi ilmu fisika secara keseluruhan, tapi bidang lainnya juga. Dalam bidang psikologi, prinsip ini menyerang teori yang digagas oleh Freud. Sigmund Freud adalah pendiri faham psikoanalisis yang terkenal dengan dengan analisis alam bawah sadarnya. Menurut Freud, manusia adalah sebuah ‘mesin biologis’, jika manusia dikondisikan pada kondisi tertentu maka perilaku selanjutnya akan dapat dipastikan–saat itu teori ini berhasil menyembuhkan banyak pasien sakit jiwa. Namun, karena otak manusia terdiri dari atom-atom yang tentu saja elektron berada di dalamnya, berarti sifatnya akan taat pada teori ketidakpastian Heisenberg, maka manusia tidak bisa 'dirobotkan'. Manusia memiliki sistem yang terlalu kompleks dan tidak dapat dipastikan tindakannya dimasa depan.
Di dunia kimia, prinsip ini membantu para ahli untuk menentukan bentuk dari orbital (ruang tempat kemungkinannya ditemukan elektron). Penemuan elektron dalam suatu atom hanya bisa diungkapkan dalam kebolehjadian. Berdasarkan prinsip ketidakpastian Heisenberg dan hipotesis De Broglie tentang ‘dualisme partikel’ (elektron yang bersifat sebagai gelombang dan partikel), maka Schrodinger membuat persamaan gelombang Schrodinger. Lalu dengan interpretasi Born (hasil yang dari mengkonversikan penemuan Heisenberg sebelumnya mengenai matriks mekanik) maka bisa didapatkan probabilitas menemukan elektron pada ruang 3 dimensi (x,y,z). Probabilitas penemuan elektron akan semakin besar bila fungsi gelombangnya memiliki nilai besar, model atom berdasarkan mekanika kuantum. Inilah teori paling canggih tentang struktur atom yang sampai saat ini disetujui. Menurut teori ini gerakan elektron dalam mengelilingi inti atom dikemukakan dalam bentuk kuadrat fungsi gelombang atau disebut juga orbital, yaitu kebolehjadian paling besar ditemukannya elektron dalam ruang.
Berawal dari prinsip ketidakpastian ini juga dunia subatomik semakin berkembang. Ditemukannya kembaran elektron yaitu positron, kemudian diprediksikannya antimateri. Lahirlah konsep yang menyatakan bahwa setiap materi di alam semesta mempunyai antimaterinya. Bila materi bertemu antimateri keduanya akan bereaksi dahsyat, dan berubah menjadi foton.
Tapi prinsip ketidakpastian Heisenberg hanyalah bagian dari sebuah teori. Teori yang lebih baik bisa saja menggantikannya kapanpun, tapi sampai hari ini prinsip ini masih diterima sebagai salah satu landasan fisika kuantum. Bahkan Richard Feynman, salah satu fisikawan terbaik yang pernah hidup membela prinsip ketidakpastian mengatakan, “Prinsip ketidakpastian adalah salah satu fondasi fisika kuantum. Jika runtuh, maka runtuhlah fisika kuantum!”. Pemahaman struktur atomik, sinar laser, black hole, dan superkonduktor hanyalah sedikit contoh dari penerapan prinsip indah sebuah ketidakpastian. Sudah jelas bahwa alam semesta dilingkupi berbagai ketidakpastian, bahkan ilmu kimia dan fisika yang disebut sebagai bagian dari ilmu pasti berdiri di atas fondasi yang menyatakan ketidakpastian. Sungguh kepastian hanya milik Sang Maha Pencipta.
Tahun 1928 Heisenberg mempublikasikan The Physical Principles of Quantum Theory. Setahun setelahnya Heisenberg pergi ke Amerika serikat, Jepang dan India untuk memberikan kuliah. Kemudian kembali pada tahun 1930 ke Jerman, bekerja sama dengan sahabatnya, Pauli, menggunakan realisasi kuantitas ruang angkasa dalam perhitungan. Heisenberg berharap persamaan matematika akan menunjukkan sisi fundamental dari alam dengan ‘panjang semesta’ sebagai satu-satunya yang konstan di alam semesta ini.
Dua tahun berikutnya, Heisenberg menulis tiga artikel yang menggambarkan model paling modern dari inti atom. Beliau menghubungkan berbagai unsur nuklir antara energi ikatan dan kestabilannya. Tiga artikel ini membuka jalan baru bagi teori kuantum untuk menjelaskan inti atom.
Tahun 1935, Nazi yang menguasai Jerman mengeluarkan kebijakan bahwa orang yang sudah berumur 65 ke atas diharuskan pensiun. Saat itu gurunya, Sommerfeld, sudah berumur 66 tahun dan menginginkan Heisenberg untuk menggantikan posisinya di Universitas Munich. Sayangnya, saat itu Nazi menginginkan agar matematikawan Jerman menggantikan matematikawan Yahudi, juga fisikawan Jerman menggantikan fisikawan Yahudi. Meskipun Heisenberg adalah asli orang Jerman tapi karena mempelajari subjek (relativitas dan teori kuantum) yang dikembangkan oleh orang Yahudi (Einstein salah satunya) maka rencana untuk menggantikan Sommerfeld di Universitas Munich langsung terhambat.
Tahun 1937 adalah tahun paling membahagiakannya. Heisenberg menikahi Elisabeth Schumacher, seorang pianis hebat. Heisenberg adalah peminat sejati musik klasik sehingga dia merasa pertemuan itu memang cocok baginya. Mereka bertemu di sebuah konser yang dihadirinya di rumah seorang teman. Elisabeth masih berusia 22 tahun ketika mereka bertemu dan Heisenberg berusia 36 tahun. Tiga bulan selanjutnya, tanggal 29 April 1937 mereka menikah. Heisenberg menunda keberangkatannya ke Munich karena pernikahan itu sampai tanggal 1 Agustus. Tapi kedatangan mereka di Munich dihambat lagi oleh Nazi. Dari pernikahan itu Elisabeth memberikan tujuh anak untuk Heisenberg.
Selama Perang Dunia II Heisenberg diangkat sebagai kepala proyek senjata nuklir Jerman, Uranverein. Bekerja sama dengan Otto Hahn, salah satu penemu fisi nuklir, mereka membangun sebuah reaktor nuklir tapi gagal membuat senjata nuklir yang efektif. Entah karena kekurangan sumber daya alam atau karena keengganan Heisenberg menciptakan senjata nuklir yang berbahaya berada di tangan Nazi.
Saat perang berakhir Heisenberg ditahan bersama beberapa ilmuwan Jerman lainnya selama enam bulan. Mereka ditahan di Fart Hall di Godmanchester, Huntingdonshire, Inggris. Sekembalinya ke Jerman tahun 1946, Heisenberg diangkat menjadi direktur di Institut Kaiser Wilhelm. Institut itu diganti namanya dengan Institut Max Planck untuk menghormati teman dan rekan kerjanya itu.
Tahun 1953 Heisenberg menjadi presiden untuk Yayasan Alexander von Humbolt. Di yayasan ini beliau banyak membuat kebijakan yang membuka jalan bagi ilmuwan-ilmuwan dari seluruh dunia untuk datang dan bekerja sama di Jerman. Tahun yang sama juga Heisenberg memfokuskan penelitiannya pada The Unified Field Theory untuk partikel dasar yang membuka pemahamannya tentang sifat fisika dari partikel dasar. Sepanjang musim dingin tahun 1956 Heisenberg memberikan kuliah tentang ‘Fisika dan Filosofinya’ di Universitas St Andrews.
Tahun 1957, Heisenberg tertarik pada masalah fisika plasma dan proses termonuklir. Kemudian beliau bekerja sama dengan International Institute of Atomic Physics di Jenewa (Institut ini saat ini–tahun 2003–sudah menemukan antimateri yang sudah diperdiksikan sejak dulu akibat pengembangan prinsip ketidakpastian Heisenberg). Setahun berikutnya, Institut Max Planck pindah ke Munich dan Heisenberg tetap menjadi direkturnya. Ketertarikannya pada dunia filsafat menghasilkan buku Physic and Philosophy pada tahun 1962 dan Physic and Beyond setahun setelah mengundurkan diri pada tahun 1970 dari Institut Max Planck.
Kontribusinya pada ilmu pengetahuan memberikannya banyak penghargaan dan medali termasuk Nobel Prize dalam bidang fisika tahun 1932 untuk topiknya tentang penemuan bentuk alotrof dari hidrogen, dan Copernicus Prize. Heisenberg menerima gelar doktor honoris causa dari Universitas Brussels, Universitas Teknologi Karlshure dan terakhir pada tahun 1964 dari Universitas Budapest. Beliau juga penerima The Order of Merif of Bavaria, The Grand Cross for Federal Service with Star (Germany). Beliau juga diterima sebagai anggota kehormatan di Royal Society of London and a Knight of the Order of Merit (Peace Class). Selain itu beliau tercatat sebagai anggota The Academies of Sciences of Göttingen, Bavaria, Saxony, Prussia, Sweden, Rumania, Norway, Spain, Netherlands, Rome (Pontificial), The German Akademie der Naturforscher Leopoldina (Halle), The Accademia dei Lincei (Rome), and The American Academy of Sciences. Selama tahun 1949-1951 beliau menjabat President of the Deutsche Forschungsrat (pusat penelitian Jerman).
Beliau meninggal pada tanggal 1 Februari tahun 1976 di Munich. Namanya mungkin tidak sepopuler Einstein, namun prinsip ketidakpastiannya telah mengubah wajah dunia menjadi seperti yang kita lihat saat ini.
Written by Afandy
We are Creative Blogger Theme Wavers which provides user friendly, effective and easy to use themes. Each support has free and providing HD support screen casting.
0 comments:
Post a Comment