Fisika
, ensiklopedia bebas
Fisika (
bahasa Yunani:
φυσικός (
fysikós), "alamiah", dan
φύσις (
fýsis), "alam") adalah sains atau ilmu tentang
alam dalam makna yang terluas. Fisika mempelajari gejala alam yang tidak hidup atau
materi dalam lingkup
ruang dan
waktu. Para
fisikawan
atau ahli fisika mempelajari perilaku dan sifat materi dalam bidang
yang sangat beragam, mulai dari partikel submikroskopis yang membentuk
segala materi (fisika partikel) hingga perilaku materi alam semesta
sebagai satu kesatuan
kosmos.
Beberapa sifat yang dipelajari dalam fisika merupakan sifat yang ada dalam semua sistem materi yang ada, seperti hukum
kekekalan energi. Sifat semacam ini sering disebut sebagai
hukum fisika. Fisika sering disebut sebagai "ilmu paling mendasar", karena setiap ilmu alam lainnya (
biologi,
kimia,
geologi, dan lain-lain) mempelajari jenis sistem materi tertentu yang mematuhi hukum fisika. Misalnya, kimia adalah ilmu tentang
molekul
dan zat kimia yang dibentuknya. Sifat suatu zat kimia ditentukan oleh
sifat molekul yang membentuknya, yang dapat dijelaskan oleh ilmu fisika
seperti
mekanika kuantum,
termodinamika, dan
elektromagnetika.
Fisika juga berkaitan erat dengan
matematika.
Teori
fisika banyak dinyatakan dalam notasi matematis, dan matematika yang
digunakan biasanya lebih rumit daripada matematika yang digunakan dalam
bidang sains lainnya. Perbedaan antara fisika dan matematika adalah:
fisika berkaitan dengan pemerian dunia material, sedangkan matematika
berkaitan dengan pola-pola abstrak yang tak selalu berhubungan dengan
dunia material. Namun, perbedaan ini tidak selalu tampak jelas. Ada
wilayah luas penelitan yang beririsan antara fisika dan matematika,
yakni fisika matematis, yang mengembangkan struktur matematis bagi
teori-teori fisika.
Sekilas tentang riset Fisika
Fisika teoretis dan eksperimental
Budaya penelitian fisika berbeda dengan ilmu lainnya karena adanya pemisahan
teori dan
eksperimen. Sejak abad kedua puluh, kebanyakan fisikawan perseorangan mengkhususkan diri meneliti dalam
fisika teoretis atau
fisika eksperimental
saja, dan pada abad kedua puluh, sedikit saja yang berhasil dalam kedua
bidang tersebut. Sebaliknya, hampir semua teoris dalam biologi dan
kimia juga merupakan eksperimentalis yang sukses.
Gampangnya, teoris berusaha mengembangkan teori yang dapat
menjelaskan hasil eksperimen yang telah dicoba dan dapat memperkirakan
hasil eksperimen yang akan datang. Sementara itu, eksperimentalis
menyusun dan melaksanakan eksperimen untuk menguji perkiraan teoretis.
Meskipun teori dan eksperimen dikembangkan secara terpisah, mereka
saling bergantung. Kemajuan dalam fisika biasanya muncul ketika
eksperimentalis membuat penemuan yang tak dapat dijelaskan dari teori
yang ada, sehingga mengharuskan dirumuskannya teori-teori baru. Tanpa
eksperimen, penelitian teoretis sering berjalan ke arah yang salah;
salah satu contohnya adalah
teori-M, teori populer dalam fisika energi-tinggi, karena eksperimen untuk mengujinya belum pernah disusun.
Teori fisika utama
Meskipun fisika membahas beraneka ragam sistem, ada beberapa teori
yang digunakan secara keseluruhan dalam fisika, bukan di satu bidang
saja. Setiap teori ini diyakini benar adanya, dalam wilayah kesahihan
tertentu. Contohnya, teori
mekanika klasik
dapat menjelaskan pergerakan benda dengan tepat, asalkan benda ini
lebih besar daripada atom dan bergerak dengan kecepatan jauh lebih
lambat daripada
kecepatan cahaya.
Teori-teori ini masih terus diteliti; contohnya, aspek mengagumkan dari mekanika klasik yang dikenal sebagai
teori chaos ditemukan pada abad kedua puluh, tiga abad setelah dirumuskan oleh
Isaac Newton.
Namun, hanya sedikit fisikawan yang menganggap teori-teori dasar ini
menyimpang. Oleh karena itu, teori-teori tersebut digunakan sebagai
dasar penelitian menuju topik yang lebih khusus, dan semua pelaku
fisika, apa pun spesialisasinya, diharapkan memahami teori-teori
tersebut.
| Teori |
Subtopik utama |
Konsep |
| Mekanika klasik |
Hukum gerak Newton, Mekanika Lagrangian, Mekanika Hamiltonian, Teori chaos, Dinamika fluida, Mekanika kontinuum |
Dimensi, Ruang, Waktu, Gerak, Panjang, Kecepatan, Massa, Momentum, Gaya, Energi, Momentum sudut, Torsi, Hukum kekekalan, Oscilator harmonis, Gelombang, Usaha, Daya |
| Elektromagnetik |
Elektrostatik, Listrik, Magnetisitas, Persamaan Maxwell |
Muatan listrik, Arus, Medan listrik, Medan magnet, Medan elektromagnetik, Radiasi elektromagnetis, Monopol magnetik |
| Termodinamika dan Mekanika statistik |
Mesin panas, Teori kinetis |
Konstanta Boltzmann, Entropi, Energi bebas, Panas, Fungsi partisi, Suhu |
| Mekanika kuantum |
Path integral formulation, Persamaan Schrödinger, Teori medan kuantum |
Hamiltonian, Partikel identik Konstanta Planck, Pengikatan kuantum, Oscilator harmonik kuantum, Fungsi gelombang, Energi titik-nol |
| Teori relativitas |
Relativitas khusus, Relativitas umum |
Prinsip ekuivalensi, Empat-momentum, Kerangka referensi, Waktu-ruang, Kecepatan cahaya |
Bidang utama dalam fisika
Riset dalam fisika dibagi beberapa bidang yang mempelajari aspek yang berbeda dari dunia materi.
Fisika benda kondensi, diperkirakan sebagai bidang fisika terbesar, mempelajari properti benda besar, seperti
benda padat dan
cairan yang kita temui setiap hari, yang berasal dari properti dan interaksi mutual dari
atom.
Bidang
Fisika atomik, molekul, dan optik berhadapan dengan individual atom dan molekul, dan cara mereka menyerap dan mengeluarkan
cahaya. Bidang
Fisika partikel,
juga dikenal sebagai "Fisika energi-tinggi", mempelajari properti
partikel super kecil yang jauh lebih kecil dari atom, termasuk
partikel dasar yang membentuk benda lainnya.
Terakhir, bidang
Astrofisika menerapkan hukum fisika untuk menjelaskan fenomena
astronomi, berkisar dari
matahari dan objek lainnya dalam
tata surya ke jagad raya secara keseluruhan.
| Bidang |
Sub-bidang |
Teori utama |
Konsep |
| Astrofisika |
Kosmologi, Ilmu planet, Fisika plasma |
Big Bang, Inflasi kosmik, Relativitas umum, Hukum gravitasi universal |
Lubang hitam, Latar belakang radiasi kosmik, Galaksi, Gravitasi, Radiasi Gravitasi, Planet, Tata surya, Bintang |
| Fisika atomik, molekul, dan optik |
Fisika atom, Fisika molekul, optik, Photonik |
Optik quantum |
Difraksi, Radiasi elektromagnetik, Laser, Polarisasi, Garis spectral |
| Fisika partikel |
Fisika akselerator, Fisika nuklir |
Model standar, Teori penyatuan besar, teori-M |
Gaya Fundamental (gravitasi, elektromagnetik, lemah, kuat), Partikel elemen, Antimatter, Putar, Pengereman simetri spontan, Teori keseluruhan Energi vakum |
| Fisika benda kondensi |
Fisika benda padat, Fisika material, Fisika polimer, Material butiran |
Teori BCS, Gelombang Bloch, Gas Fermi, Cairan Fermi, Teori banyak-tubuh |
Fase (gas, cair, padat, Kondensat Bose-Einstein, superkonduktor, superfluid), Konduksi listrik, Magnetism, Pengorganisasian sendiri, Putar, Pengereman simetri spontan |
Bidang yang berhubungan
Ada banyak area riset yang mencampur fisika dengan bidang lainnya. Contohnya, bidang
biofisika yang mengkhususkan ke peranan prinsip fisika dalam sistem biologi, dan bidang
kimia kuantum
yang mempelajari bagaimana teori kuantum mekanik memberi peningkatan
terhadap sifat kimia dari atom dan molekul. Beberapa didata di bawah:
Akustik -
Astronomi -
Biofisika -
Fisika penghitungan -
Elektronik -
Teknik -
Geofisika -
Ilmu material -
Fisika matematika -
Fisika medis -
Kimia Fisika -
Dinamika kendaraan -
Fisika Pendidikan
Teori palsu
Fusi dingin -
Teori gravitasi dinamik -
Luminiferous aether -
Energi orgone -
Teori bentuk tetap
Sejarah
Artikel utama: Sejarah fisika. Lihat juga Fisikawan terkenal dan Penghargaan Nobel dalam Fisika.
Sejak zaman purbakala, orang telah mencoba untuk mengerti sifat dari
benda: mengapa objek yang tidak ditopang jatuh ke tanah, mengapa
material yang berbeda memiliki properti yang berbeda, dan seterusnya. Lainnya adalah sifat dari
jagad raya, seperti bentuk
Bumi dan sifat dari objek celestial seperti
Matahari dan
Bulan.
Jauh sebelum rakyat Yunani mengagumi Fisika, orang-orang dari Mesir
terlebih dahulu melakukan kajian Fisika yang mendalam hingga bisa
melahirkan ilmu-ilmu praktis tentang bidang miring untuk melakukan
perpindahan benda dengan keuntungan mekanis yang besar lewat pembuatan
Piramida. Disini para ahli-ahli Fisika Firaun menerapkan teori-teori
tentang gaya, energi, dan perpindahan dengan sangat brilian.
Beberapa teori diusulkan dan banyak yang salah. Teori tersebut banyak tergantung dari istilah
filosofi, dan tidak pernah dipastikan oleh eksperimen sistematik seperti yang populer sekarang ini. Ada pengecualian dan
anakronisme: contohnya, pemikir
Yunani Archimedes menurunkan banyak deskripsi kuantitatif yang benar dari
mekanik dan
hidrostatik.
Pada awal
abad 17,
Galileo membuka penggunaan eksperimen untuk memastikan kebenaran teori fisika, yang merupakan kunci dari
metode sains. Galileo memformulasikan dan berhasil mengetes beberapa hasil dari
dinamika mekanik, terutama Hukum
Inert.
Pada
1687,
Isaac Newton menerbitkan
Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ("prinsip matematika dari filsafat alam", dikenal sebagai
Principia), memberikan penjelasan yang jelas dan teori fisika yang sukses.
Hukum gerak Newton, yang merupakan sumber
mekanika klasik; dan
Hukum Gravitasi Newton, yang menjelaskan
gaya dasar gravitasi. Kedua teori ini cocok dalam eksperimen.
Principia juga memuat beberapa teori
dinamika fluida.
Mekanika klasik dikembangkan besar-besaran oleh
Joseph-Louis de Lagrange,
William Rowan Hamilton, dan lainnya, yang menciptakan formula, prinsip, dan hasil baru. Hukum Gravitasi memulai bidang
astrofisika, yang menggambarkan fenomena
astronomi menggunakan teori fisika.
Dari sejak
abad 18 dan seterusnya,
termodinamika dikembangkan oleh
Robert Boyle,
Thomas Young, dan banyak lainnya. Pada
1733,
Daniel Bernoulli menggunakan argumen statistika dalam mekanika klasik untuk menurunkan hasil termodinamika, memulai bidang
mekanika statistik.
Pada
1798,
Benjamin Thompson mempertunjukkan konversi kerja mekanika ke dalam panas, dan pada
1847 James Joule menyatakan hukum konservasi
energi, dalam bentuk panasa juga dalam energi mekanika.
Sifat
listrik dan
magnetisme dipelajari oleh
Michael Faraday,
George Simon Ohm, dan lainnya. Pada
1855,
James Clerk Maxwell menyatukan kedua fenomena menjadi satu teori
elektromagnetisme, dijelaskan oleh
persamaan Maxwell. Perkiraan dari teori ini adalah
cahaya adalah
gelombang elektromagnetik.
Arah masa depan
Riset fisika mengalami kemajuan konstan dalam banyak bidang, dan masih akan tetap begitu jauh di masa depan.
Dalam
fisika benda kondensi, masalah teoritis tak terpecahkan terbesar adalah penjelasan
superkonduktivitas suhu-tinggi. Banyak usaha dilakukan untuk membuat
spintronik dan
komputer kuantum bekerja.
Dalam
fisika partikel, potongan pertama dari bukti eksperimen untuk fisika di luar
Model Standar telah mulai menghasilkan. Yang paling terkenal adalah penunjukan bahwa
neutrino memiliki
massa bukan-nol. Hasil eksperimen ini nampaknya telah menyelesaikan
masalah solar neutrino yang telah berdiri-lama dalam fisika matahari.
Fisika neutrino besar merupakan area riset eksperimen dan teori yang aktif. Dalam beberapa tahun ke depan,
pemercepat partikel akan mulai meneliti skala energi dalam jangkauan
TeV, yang di mana para eksperimentalis berharap untuk menemukan bukti untuk
Higgs boson dan
partikel supersimetri.
Para teori juga mencoba untuk menyatukan
mekanika kuantum dan
relativitas umum menjadi satu teori
gravitasi kuantum, sebuah program yang telah berjalan selama setengah abad, dan masih belum menghasilkan buah. Kandidat atas berikutnya adalah
Teori-M,
teori superstring, dan
gravitasi kuantum loop.
Banyak fenomena
astronomikal dan
kosmologikal belum dijelaskan secara memuaskan, termasuk keberadaan
sinar kosmik energi ultra-tinggi,
asimetri baryon,
pemercepatan alam semesta dan
percepatan putaran anomali galaksi.
Meskipun banyak kemajuan telah dibuat dalam energi-tinggi, kuantum,
dan fisika astronomikal, banyak fenomena sehari-hari lainnya, menyangkut
sistem kompleks,
chaos, atau
turbulens
masih dimengerti sedikit saja. Masalah rumit yang sepertinya dapat
dipecahkan oleh aplikasi pandai dari dinamika dan mekanika, seperti
pembentukan tumpukan pasir, "node" dalam air "trickling",
teori katastrof, atau pengurutan-sendiri dalam koleksi heterogen yang bergetar masih tak terpecahkan.
Fenomena rumit ini telah menerima perhatian yang semakin banyak sejak
1970-an untuk beberapa alasan, tidak lain dikarenakan kurangnya metode
matematika modern dan
komputer yang dapat menghitung
sistem kompleks untuk dapat dimodelkan dengan cara baru.
Hubungan antar disiplin dari fisika kompleks juga telah meningkat, seperti dalam pelajaran
turbulens dalam
aerodinamika atau
pengamatan pola pembentukan dalam sistem
biologi. Pada 1932,
Horrace Lamb meramalkan:
| “ |
Saya sudah tua sekarang,
dan ketika saya meninggal dan pergi ke surga ada dua hal yang saya harap
dapat diterangkan. Satu adalah elektrodinamika kuantum, dan satu lagi
adalah gerakan turbulens dari fluida. Dan saya lebih optimis terhadap
yang pertama. |
” |
Lihat pula
Artikel utama untuk bagian ini adalah: 
