Err..foton (cahaya) ini sebenarnya zarah atau gelombang??

Sejak sekian lama, cahaya telah dianggap sebagai gelombang, tetapi hanya pada tahun 1905, Albert Einstein telah memperkenalkan idea bahawa "Cahaya juga terdiri daripada unit terkecil tenaga yang tidak boleh dibahagi-bahagi lagi (zarah) dikenali sebagai foton". Andaian ini merupakan antara perkembangan terpenting dalam pemahaman manusia tentang cahaya. Cahaya bukan sahaja merupakan gelombang, tetapi juga merupakan zarah.

Adakah foton itu sesuatu yang menyerupai bola tenis di alam mikro?

Tidak. Sebiji foton bukanlah hanya sebiji zarah, bukan juga hanya sebuah gelombang. Sebaliknya, foton ialah sesuatu yang mempunyai sifat-sifat zarah, dalam masa yang sama mempunyai juga sifat-sifat gelombang. Inilah yang dipanggil "Kembaran Zarah Gelombang".

Di alam kita ini (alam makro), tidak ada sesuatu pun benda yang mempunyai kedua-dua sifat zarah dan gelombang, maka sebab itulah amat sukar membayangkan rupa bentuk foton di kepala kita.

Daripada rencana "Kembaran Zarah-Gelombang III" yang lepas, dapat diketahui bahawa Belang-belang Pertembungan Gelombang yang terbentuk pada skrin membuktikan cahaya bukanlah hanya terdiri daripada zarah-zarah yang ibarat bola-bola tenis di alam mikro. Andainya cahaya hanyalah zarah-zarah semata-mata, pastinya belang-belang itu tidak terbentuk, sebaliknya zarah-zarah cahaya akan berkumpul di belakang celahan sahaja.

Daripada rencana lepas, "Kembaran Zarah-Gelombang VII : Cahaya juga zarah" pula, dapat diketahui bahawa, terdapat banyak fenomena yang tidak dapat dijelaskan sekiranya cahaya itu hanya dianggap sebagai gelombang semata-mata. Seperti bintang yang terletak beribu-ribu tahun cahaya dari bumi boleh dilihat dengan mata kasar tanpa mengambil masa yang panjang, dan kulit yang tidak terbakar (terkena senaran matahari) apabila memanaskan badan di hadapan alat pemanas.

Kembaran Zarah-Gelombang VII - Cahaya juga Zarah

Ada fenomena yang tak dapat dijelaskan jika cahaya tidak dianggap sebagai foton.

Foton ialah suatu zarah yang merupakan unit terkecil kepada cahaya, boleh dibilang satu, dua... dan seterusnya, yang juga dalam masa yang sama mempunyai sifat sebagai gelombang. Foton inilah yang mempunyai sifat Kembaran Zarah-Gelombang yang diperkatakan selama ini.

Menurut teori yang mengatakan cahaya ialah gelombang, cahaya akan merambat dan tersebar meluas di sekelilingnya sebagai gelombang. Jika benar hal ini, semakin jauh cahaya merambat, sebetulnya semakin nipislah cahaya itu. Namun, jika cahaya dianggap sebagai ketulan-ketulan kecil foton, sejauh manapun ia tersebar, tenaga pada setiap zarahnya tetap sama.

Bintang yang jaraknya bertahun-tahun cahaya dari bumi boleh kelihatan sekelip mata sahaja?

Dalam kehidupan kita seharian, terdapat fenomena-fenomena yang tidak dapat dijelaskan sekiranya cahaya itu tidak dianggap sebagai foton. Misalnya, bagaimanakah pada malam hari, bintang yang berada terlalu jauh dari bumi, cahayanya boleh dilihat dengan pantas sekelip mata?

Untuk melihat sesuatu objek itu, molekul dalam mata kita perlu bertindak balas dengan cahaya yang sampai di mata dan menghantar isyarat ke otak. Katalah cahaya dari bintang itu sampai ke mata kita dalam bentuk gelombang. Oleh sebab bintang itu berada terlalu jauh dari bumi, tenaganya mestilah terlalu kecil, dan untuk bertindak balas dengan molekul dalam mata, ia akan memakan masa yang lama. Oleh itu, andai benarlah cahaya itu hanyalah gelombang, apabila kita mendongak ke langit di waktu malam, tiada bintang akan kelihatan pada mulanya, sehinggalah suatu tempoh yang panjang berlalu, barulah kita boleh melihatnya sedikit demi sedikit.

Sebaliknya, jika cahaya itu dianggap sebagai ketulan-ketulan kecil foton, walaupun bintang berjarak jauh dari bumi, foton dengan bilangan yang banyak akan berlanggaran dengan molekul mata, menyebabkan molekul itu bertindak balas dengan cepat. Oleh sebab itulah apabila kita mendongak ke langit, bintang-bintang yang jauh akan terus kelihatan.

Mengapa kulit kita terkena selaran matahari (seakan-akan terbakar) apabila berjemur di pantai tetapi tidak apabila memanaskan badan di alat pemanas?

Hal ini juga tidak dapat dijelaskan andainya cahaya itu hanya dianggap sebagai gelombang. Kulit kita akan terkena selaran matahari apabila gelombang elektromagnet (cahaya) yang dipancar ke kulit mempunyai tenaga yang kuat untuk melakukan tindak balas kimia ke atas kulit. Gelombang elektromagnet yang dipancar oleh alat pemanas ialah sinar inframerah manakala gelombang elektromagnet yang dipancar oleh matahari ialah sinar ultraungu. Sinar ultraungu yang mempunyai panjang gelombang yang pendek mempunyai tenaga yang besar (ibarat bola meriam seperti dalam rencana sebelum ini) yang mampu bertindak balas dengan kulit, sedangkan sinar inframerah yang mempunyai panjang gelombang yang panjang tenaganya rendah(ibarat bola pingpong) dan tidak memberi kesan kepada kulit. Oleh yang demikian, anda tidak akan terkena selaran matahari (kulit terbakar) walaupun berada berjam-jam di hadapan alat pemanas.

Kulit tidak akan terkena selaran (sunburn) apabila memanaskan badan di hadapan alat pemanas kerana sinar inframerah ialah gelombang panjang (=hentamannya lemah).

Sebaliknya akan terkena selaran apabila berjemur di terik mentari kerana sinar matahari ialah sinar ultraungu yang pendek gelombangnya (=hentamannya kuat)

Kembaran Zarah-Gelombang VI - Adakah cahaya itu hanya gelombang semata-mata?

Maka Einstein pun terfikir, "cahaya juga ialah zarah"...

   Seperti dalam rencana eksperimen Young sebelum ini, jika cahaya itu dianggap sebagai gelombang, bahagian gelap cahaya itu amplitudnya kecil (amplitud : ketinggian puncak atau kedalaman lembangan, rujuk artikel sebelum ini) dan bahagian terang cahaya itu amplitudnya besar.  Misalan yang boleh diberikan ialah, andainya ombak di laut itu gelombangnya rendah (amplitudnya kecil), kapal yang berlayar di atasnya tidak akan terangkat kerana tidak cukup tenaga dari gelombang itu untuk mengangkatnya. Daripada misalan ini, untuk cahaya pula, sekiranya cahaya yang malap dipancarkan ke arah elektron, sebetulnya kesan fotoelektrik yang menyebabkan elektron itu teruja dan terlompat keluar tidak akan berlaku kerana amplitud cahaya itu kecil.

   Sebaliknya, menggunakan misalan tadi, andainya ombak tinggi melanda (amplitud besar), kapal di tengah laut akan terangkat kerana menerima tenaga yang banyak daripada gelombang laut. Begitu juga dengan cahaya andai cahaya dianggap gelombang. Jika cahaya yang terang dipancar ke elektron, sepatutnya elektron akan teruja dan terlompat keluar kerana menerima tenaga daripada cahaya terang (amplitud besar) tadi.

   Walau bagaimanapun, tanggapan di atas ternyata tidak kena dengan keputusan eksperimen daun elektroskop dalam rencana lepas. Dalam eksperimen lepas, jika cahaya itu mempunyai panjang gelombang pendek, tidak kira cahaya itu terang atau gelap, elektron tetap teruja dan terlompat keluar, sebaliknya jika cahaya itu mempunyai panjang gelombang yang panjang, tidak kira cahaya itu terang atau gelap, elektron tetap tidak teruja dan terlompat keluar. Dengan kata lain, elektron teruja akibat panjang atau pendeknya panjang gelombang, bukan terang atau gelapnya cahaya (besar atau kecilnya amplitud).

   Misteri ini telah dirungkaikan oleh Albert Einstein. Kata beliau,

"cahaya itu memang sejenis gelombang, tetapi tenaga cahaya itu mempunyai unit-unit terkecil yang tidak boleh dibahagi-bahagi lagi."

Unit-unit terkecil ini dipanggil foton (光子). Dengan kata lain, cahaya juga mempunyai sifat zarah. (Sifat seperti ketulan-ketulan dan bukan gelombang).

   Semakin pendek panjang gelombang cahaya, tenaga cahaya (foton) adalah tinggi dan hentamannya jika dipancarkan adalah kuat. Terang gelapnya cahaya pula menunjukkan bilangan foton yang wujud. Oleh sebab foton yang mempunyai panjang gelombang yang pendek mempunyai tenaga yang banyak, maka apabila ia dipancarkan ke sekeping ceper logam, hentamannya sangat kuat walaupun bilangan kecil (bilangan kecil = cahaya malap). Sebab itulah elektron pada ceper itu teruja dan terlompat keluar. Sebaliknya, cahaya yang mempunyai panjang gelombang yang panjang mempunyai tenaga yang sedikit pada setiap satu fotonnya, maka apabila ia dipancarkan ke sekeping logam, hentamannya lemah walaupun bilangannya banyak (bilangan banyak=cahaya terang). Sebab itulah elektron tidak terlompat keluar.

Cahaya yang panjang gelombangnya pendek mempunyai tenaga yang banyak dan hentaman yang kuat, ibarat peluru meriam yang dilontar, maka walaupun bilangannya sedikit (cahaya malap), elektron tetap teruja.

Cahaya yang panjang gelombangnya panjang mempunyai tenaga yang sedikit dan hentamannya lemah, ibarat bola ping pong yang dilontar, maka elektron tidak akan teruja walaupun bilangan foton yang dilontar banyak (cahaya terang). 

Kembaran Zarah-Gelombang V - Tapi, ada yang tak dapat dijelaskan andailah benar cahaya itu gelombang...

   Pada penghujung abad ke-19, terdapat fenomena yang dinamakan Kesan Fotoelektrik (atau kesan cahaya-elektrik) yang mana fenomena ini tidak dapat dihuraikan andainya cahaya hanya dianggap sebagai gelombang. Apabila cahaya dipancar ke logam, elektron pada logam itu menerima tenaga daripada cahaya dan melompat keluar.  Namun, untuk menyebabkan elektron itu terlompat keluar, tenaga pada suatu tahap tertentu atau lebih daripada tahap  itu perlu dipancarkan padanya.

Kesan fotoelektrik. Apabila cahaya dipancarkan pada tahap kekuatan tenaga tertentu, elektron akan teruja dan terlompat keluar.

   Dengan radas yang dipanggil elektroskop daun logam iaitu 2 keping kerajang logam dan satu ceper logam (seperti dalam rajah), eksperimen kesan fotoelektrik ini dijalankan. Apabila cas-cas negatif diberikan (dicurahkan)  pada ceper itu, cas-cas negatif juga akan berkumpul pada kerajang logam. 

   Sekiranya cahaya dengan panjang gelombang yang pendek dipancarkan pada ceper yang bercas negatif itu, kerajang itu tidak terbuka (menguncup), tetapi kerajang itu hanya akan terbuka sekiranya cahaya dengan panjang gelombang yang panjang dipancarkan.

   Kerajang itu menguncup kerana elektron-elektron (yang bercas negatif) pada ceper itu melompat bebas meninggalkan ceper menyebabkan elektron-elektron pada kerajang juga berkurangan dan daya menolak antara cas negatif pada kerajang berkurangan.

   Kerajang itu hanya menguncup apabila cahaya berkepanjangan gelombang yang pendek dipancarkan, menunjukkan elektron pada ceper hanya melompat meninggalkan ceper apabila cahaya yang mempunyai panjang gelombang yang pendek dipancarkan padanya. Elektron tidak akan melompat keluar sekiranya cahaya yang mempunyai panjang gelombang yang panjang dipancarkan.

 Semasa memancarkan cahaya dengan panjang gelombang yang pendek, kecerahan cahaya ini cuba dikurangkan . Pada ketika ini, bilangan elektron yang melompat keluar berkurangan, namun kesan fotoelektrik tetap terjadi kerana kerajang logam tetap menguncup (terbuka sedikit sahaja). Sebaliknya, semasa memancarkan cahaya dengan panjang gelombang yang panjang, walau bagaimana  sekalipun kecerahan cahaya ini ditinggikan (dicerahkan), elektron tetap tidak melompat keluar dan kerajang logam tetap terbuka luas.

Eksperimen Kesan Fotoelektrik. Cahaya dipancar pada permukaan ceper zink, kerajang logam di dalam botol akan terbuka atau menguncup, bergantung kepada panjang gelombang cahaya yang dipancarkan.

   Sebelum lahirnya Teori Kuantum, kesan fotoelektrik ini ialah satu misteri yang tidak dapat diterangkan. Jika benarlah cahaya hanyalah sejenis gelombang, perkara ini tidak akan berlaku. Rencana berikutnya akan menjelaskan fenomena ini. 

-------------------------------------

Istilah :

• Kesan fotoelektrik - Fenomena apabila elektron teruja dan melompat keluar apabila cahaya dengan panjang gelombang tertentu dipancar ke arahnya. BJ: 光電効果. BI:Photoelectric effect
  
• radas : alat yang digunakan untuk bereksperimen.
• Elektroskop Daun Logam : Radas yang terdiri daripada satu ceper zink dan dua kerajang logam, 箔検電器, Leaf Electroscope
• Ceper zink : 亜鉛板, Zinc plate
• Kerajang logam : 金属箔 

Kembaran Zarah Gelombang IV - Cahaya sebagai Gelombang 2, Cahaya ialah Gelombang Elektromagnet

   Daripada rencana yang lepas, kita dapat tahu bahawa, pada abad ke-19, umum percaya cahaya itu ialah gelombang. Tahukah kita apakah itu gelombang cahaya? Mungkin dengan memberi contoh-contoh cahaya akan memudahkan pemahaman kita.

   Dalam fizik, cahaya yang boleh dilihat dengan mata kasar dipanggil cahaya nampak. Cahaya itu tidak semuanya boleh dilihat dengan mata kasar. Misalnya sinaran ultraungu yang menjadi penyebab selaran matahari (sunburn) ketika di pantai dan sinaran inframerah dari alat pemanas yang menghangatkan badan ketika di rumah pada musim sejuk, juga merupakan cahaya. Sinaran ultraungu dan inframerah walaupun tidak dapat dilihat dengan mata kasar manusia, mempunyai sifat yang sama seperti cahaya nampak, maka ia merupakan jenis-jenis cahaya.

   Bukan itu sahaja, sinar-x untuk menganalisis tubuh, sinar gamma (sinar-γ) yang terpancar dari uranium, gelombang mikro dari ketuhar gelombang mikro (microwave oven, 電子レンジ) yang memanaskan makanan, gelombang elektrik yang diterima oleh televisyen dan telefon bimbit, juga merupakan jenis-jenis cahaya. Dalam fizik, kesemuanya ini disebut gelombang elektromagnet (istilah "cahaya" yang digunakan sebenarnya merujuk kepada gelombang elektromagnet).

Rajah: Gelombang pendek dari kanan dan semakin panjang di kiri. 

Dari kiri : gelombang radioaktif (seperti sinar gamma), sinar-x, sinaran ultraungu, cahaya nampak dari ungu ke merah, sinar inframerah, dan gelombang elektrik (untuk radio, tv, telefon bimbit dll).

   Mari kita mengambil contoh antena. Apabila gelombang elektrik bergerak menuju ke arah sebatang  antena, arus elektrik yang mengalir pada antena akan berayun ke atas dan bawah bersama-sama ayunan gelombang elektrik tersebut. Hal ini serupalah seperti sebiji bola di tengah lautan yang diayun ke atas dan ke bawah oleh gelombang air laut.

   Dengan merekod arus yang mengalir pada antena itu, ayunan gelombang elektrik yang tidak dapat dilihat dengan mata kasar itu dapat diketahui. Sekiranya arah arus berubah dengan pantas sekali, ertinya gelombang itu ialah gelombang yang pendek panjang gelombangnya. Sebaliknya sekiranya arah arus berubah dengan perlahan sekali, gelombang yang menghayun arus itu ialah gelombang yang mempunyai panjang gelombang yang panjang. 

Perbezaan warna cahaya dan kaitannya dengan panjang gelombang

 Contoh-contoh cahaya (gelombang elektromagnet) yang disebut di atas masing-masing mempunyai panjang gelombang tersendiri yang berlainan satu sama lain.  Jika disusun mengikut turutan cahaya berkepanjangan gelombang terpendek ke yang tertinggi, susunannya ialah:

 

sinar gamma (panjang gelombang terpendek), sinar-x, sinar ultraungu, cahaya nampak, sinar inframerah, gelombang mikro, gelombang elektrik (panjang gelombang terpanjang).

Dalam cahaya nampak pula, beza warna cahaya wujud kerana setiap warna cahaya mempunyai panjang gelombang berbeza. Disusun dari cahaya yang mempunyai panjang gelombang terpendek, ungu, indigo, biru, hijau, kuning, jingga, merah. Susunan ini sama dengan susunan cahaya pelangi.

Perlu diingatkan di sini bahawa hatta dalam vakum (keadaan tiada satu jasad pun termasuk udara) gelombang elektromagnet tetap akan merambat. Ini menunjukkan bahawa gelombang elektromagnet bukanlah gelombang yang terhasil daripada ayunan sesuatu objek lain. Gelombang elektromagnet (cahaya) ialah gelombang melintang kerana arah ayunan dan arah rambatannya berserenjang.

---------------------------

Istilah:

• Cahaya nampak : Gelombang elektromagnet yang boleh dilihat dengan mata kasar seperti misalnya cahaya lampu isyarat, cahaya lampu bilik dan sebagainya. Cahaya yang tidak dapat dilihat ialah sinar-x, sinar gamma, sinar ultraungu dan sebagainya. Dalam bahasa Jepun ia disebut 可視光, visible light.
  
• Selaran matahari : fenomena kulit menjadi seakan-akan terbakar terutama ketika berjemur di panas terik matahari, BJ: 日焼け, BI : sunburn.
• Sinar inframerah : 赤外線, infrared radiation
• Sinar ultraungu : 紫外線, ultraviolet radiation
• Sinar gamma : ガンマ線, gamma radiation
• Sinar-x : エックス線, x-ray
• Gelombang elektromagnet : istilah saintifik untuk gelombang cahaya, yang terdiri daripada cahaya nampak dan cahaya tidak nampak. Ia merupakan gelombang melintang. BJ: 電磁波, electromagnetic wave
• Vakum : keadaan di mana tidak wujud sebuah jasad pun termasuk udara. BJ:真空, BI: vacuum

Kembaran Zarah-Gelombang III - Cahaya sebagai Gelombang 1

   Eksperimen Pertembungan Gelombang Cahaya telah dijalankan oleh Thomas Young pada 1807 dengan menganggap "Cahaya=Gelombang". Pemahaman "Cahaya=Gelombang" merupakan pemahaman biasa bagi ahlis sains pada zaman itu. Mari kita fahami eksperimen tersebut.

Thomas Young

   Pertembungan Gelombang (Wave Interference) merupakan salah satu sifat gelombang,iaitu apabila dua atau lebih gelombang bertembung dan kemudian saling menguatkan atau saling melemahkan. Young berfikiran untuk membuktikan sifat gelombang ini melalui cahaya (yang dianggap merupakan sejenis gelombang). Untuk gelombang cahaya, ketinggian puncak (amplitud) dianggap tahap terangnya cahaya. Semakin terang sesuatu kawasan cahaya itu bererti semakin tinggilah puncak gelombang di kawasan itu.

   Young menyusun satu sumber cahaya, satu kepingan satu celahan, satu kepingan dua celahan, dan satu skrin secara bersiri. Pada kepingan pertama, gelombang cahaya akan melalui celahan yang sempit dan membelau (lihat takrif belauan pada rencana lalu) kerana terdapat halangan (kepingan) di sepanjang perjalanannya. Belauan ini menyebabkan cahaya tersebar meluas selepas melalui celahan pertama.  Kemudian gelombang cahaya yang melalui celahan b dan celahan c di kepingan kedua akan terbelau dan (lihat rajah di bawah) bertembung selepas melaluinya. Pertembungan cahaya ini akan menyebabkan ia saling menguatkan apabila puncak bertemu puncak dan saling melemahkan apabila puncak bertemu lembangan.  Di kawasan puncak bertemu puncak, cahaya menjadi semakin terang manakala di kawasan puncak bertemu lembangan, amplitud menjadi sifar dan cahaya menjadi gelap. Maka di skrin, akan terpancar garis gelap dan garis terang yang disebut "Belang-belang Pertembungan Gelombang".

S1: Kepingan pertama (kepingan satu celahan)

S2: Kepingan kedua (kepingan dua celahan)

F : Skrin

   Andainya cahaya hanyalah terdiri daripada zarah-zarah kecil (yang tidak bersambung-sambung seperti gelombang),  cahaya tidak akan membelau apabila melalui celahan dan akan bergerak lurus. Pertembungan gelombang cahaya tidak akan terjadi selepas melalui kepingan dua celahan. Akhirnya pada skrin, hanya dua garisan terang dan bukan belang-belang yang akan terbentuk. Hal ini sebaliknya tidak terjadi.  Maka di sini, Young telah membuktikan benarlah cahaya sejenis gelombang. Selepas eksperimen tersebut, pemahaman bahawa "cahaya bukanlah zarah, tetapi merupakan sejenis gelombang" telah tersebar di dunia akademik.

--------------------------

Istilah:

• Kepingan satu celahan : sekeping kepingan dengan satu celahan kecil di tengahnya, スリット, single slit 
  
• Kepingan dua celahan : sekeping kepingan dengan dua celahan kecil, 二重スリット, double slit*
• Belang-belang pertembungan gelombang : 干渉縞（かんしょうじま）
• Pertembungan gelombang : 波の干渉, wave interference

* Menurut DBP, single slit disebut celahan tunggal dan multiple slit disebut celahan berganda. Bagaimanapun, pada pendapat saya, istilah "kepingan satu celahan atau dua celahan atau banyak celahan" lebih mudah ditangkap maksudnya.

Kembaran Zarah-Gelombang II - Mengenali Gelombang

   Sebelum kelahiran Teori Kuantum, ahli sains sehingga hujung abad ke-19 berpendapat bahawa cahaya ialah sejenis gelombang. Sebelum pergi lebih jauh, apakah itu gelombang?

   Apabila seutas tali diayunkan, puncak (bahagian yang tinggi) dan lembangan (bahagian yang rendah) akan terbentuk dan ia mara ke hadapan. Daripada hal ini, gelombang bolehlah dikatakan sebagai bentuk-bentuk puncak dan lembangan yang mara ke hadapan. Bahagian-bahagian pada tali itu pula tidak mara ke hadapan seperti mana puncak-puncak dan lembangan-lembangan itu. Seperti tangan yang diayun, tali itu juga hanya bergetar 

   Jika arah pergerakan gelombang berserenjang dengan arah ayunan tali, gelombang begini disebut "Gelombang Melintang", manakala jika arah pergerakan gelombang selari dengan arah ayunan tali, gelombang ini disebut "Gelombang Membujur". Ketinggian puncak (atau kedalaman lembangan) disebut "amplitud" dan panjang sebuah puncak + sebuah lembangan disebut "panjang gelombang".

Atas : Gelombang Membujur

Bawah: Gelombang Melintang

  Baiklah, mari kita fikirkan dua gelombang berlainan arah, satu dari kanan tali, dan satu lagi dari kiri tali, berlanggar satu sama lain di tengah-tengah tali. Apabila dua puncak berlanggar satu sama lain, ketinggian puncak itu menjadi dua kali ganda (semakin tinggi, saling menguatkan), apabila puncak berlanggar dengan lembangan,  kedua-duanya saling melemahkan dan menyebabkan tali menjadi rata (menjadi rata, saling melemahkan), dan apabila lembangan bertemu lembangan pula, kedalaman lembangan itu menjadi dua kali ganda (semakin dalam, saling menguatkan). Fenomena dua gelombang yang saling menguatkan atau saling melemahkan apabila bertembung satu sama lain disebut "perlanggaran gelombang (atau interferens gelombang)".

Bunyi Juga Sejenis Gelombang

   Bunyi ialah gelombang yang menghantar udara. Apabila gendang dipalu, permukaan gendang itu bergetar dan mengayun udara. Ayunan ini terjadi apabila udara berselang-selang antara bahagian yang mampat udaranya dan bahagian yang nipis udaranya. Arah pergerakan udara ketika ini selari dengan arah pergerakan gelombang. Maka gelombang bunyi ialah sejenis "gelombang membujur".

------------------------

Istilah:

Puncak : Bahagian paling tinggi pada satu gelombang, 山 (gunung dalam bahasa Jepun), crest

Lembangan : Bahagian paling rendah pada satu gelombang, 谷 (lembah dalam bahasa Jepun), trough

Gelombang Melintang : 横波, Transversal wave

Gelombang Membujur : 縦波, Longitudinal wave

Amplitud : Ketinggian puncak atau kedalaman lembangan, 振幅, Amplitude

Panjang gelombang : Panjang sebuah puncak + sebuah lembangan, 波長, Wavelength

Saling Menguatkan : 強め合う

Saling Melemahkan : 弱め合う

Pertembungan gelombang : Fenomena apabila dua gelombang bertembung/berlanggar, 波の干渉, disebut juga Interferens, tetapi mungkin istilah "intereferens" kurang memberi gambaran sebenar kepada kita maka saya guna istilah "pertembungan", Interference

Kembaran Zarah-Gelombang I

   Untuk memahami Teori Kuantum ini, dua kunci kata utamanya ialah "Kembaran Zarah-Gelombang" dan "Kewujudan Beberapa Keadaan Serentak" .

   Kali ini, kita kupas konsep Kembaran Zarah-Gelombang dahulu. Kembaran Zarah-Gelombang bermaksud, jasad mikro seperti elektron dan foton (cahaya) mempunyai kedua-dua sifat sebagai gelombang dan sebagai zarah.

   Gelombang ialah fenomena di mana sesuatu yang berayun di tempatnya itu merambat ke sekitarnya. Contoh gelombang yang paling hampir dengan kita ialah riak di air. Apabila  sebiji batu dibaling ke permukaan air, permukaan air di tempat tenggelamnya batu tersebut diayun, dan ayunan itu merambat ke sekitarnya membentuk gelombang.

   Gelombang itu merambat dan tersebar. Sekiranya wujud halangan untuk gelombang merembat, gelombang itu akan membengkok di sekeliling benda halangan itu dan mara ke hadapan. Fenomena ini disebut "belauan".

   Bagaimana pula dengan zarah? Zarah ialah ibarat sebiji bola billliard yang dikecilkan ke unit mikro. Gelombang tidak wujud pada satu titik kerana sifatnya merambat (tersebar dan membesar ke sekeliling). Bagaimanapun, bola/zarah boleh wujud pada satu titik. 

   Berbeza dengan gelombang yang merambat, zarah pula bergerak lurus apabila dikenakan daya. Selagi tiada daya seterusnya dikenakan, ia akan terus bergerak lurus.

Kembaran Zarah-Gelombang Sukar Dibayangkan

   Daripada penjelasan tentang gelombang dan zarah di atas, dapatlah kiranya difahami bahawa gelombang dan zarah mempunyai dua sifat yang sama sekali berbeza. Wujudnya sesuatu jasad yang mempunyai kedua-dua sifat ini bukanlah kefahaman biasa kita. Misalnya, dapatkah kita bayangkan bola billiard yang dipukul itu merambat seperti gelombang? 

   Sebenarnya, jasad-jasad mikro seperti foton (cahaya), elektron dan magnon mempunyai sifat kembaran zarah-gelombang ini. Di sinilah kesukarannya memahami Teori Kuantum, kerana ia bukan perkara biasa bagi kita. Imaginasi yang tinggi perlu dalam memahami konsep ini. Keadaan seharian di dunia kita berbeza sekali dengan keadaan di dunia mikro. Perkara yang aneh bagi kita, merupakan perkara biasa bagi alam mikro, dan sebaliknya perkara yang biasa bagi kita, mungkin aneh di alam mikro.  Hal ini akan dikupas lanjut dalam rencana-rencana akan datang.

-------------------------------------

Istilah : 

• Kembaran Zarah-Gelombang - Sifat pada jasad mikro yang menyatakan bahawa ia mempunyai kedua-dua sifat sebagai zarah dan sebagai gelombang.　波と粒子の二面性，波と粒子の二重性
  
• Ayunan - 振動
• Gelombang - 波
• Zarah - 粒子
• Merambat / rambat - tersebar (salah satu sifat gelombang), 広がりながら進む
• Belauan - 回折, diffration

   

Teori Kuantum - Dunia Misteri yang Aneh

   Sebelum pergi lebih lanjut, sebagai pengenalannya mari kita sentuh sedikit tentang dunia misteri Teori Kuantum ini.  Menurut teori ini, di alam mikro, sesebuah jasad boleh muncul, hilang dengan tiba-tiba, dan muncul kembali. (Bayangkan di dunia makro kita, rakan kita tiba-tiba ghaib, muncul kembali dan ghaib kembali).

   Kemudian, jasad di alam mikro seperti elektron, apabila melanggar sebuah permukaan, ia tidak akan terlantun sebagaimana sebiji bola lisut terlantun apabila dibaling ke dinding. Sebaliknya, elektron boleh menembusi permukaan tersebut. Fenomena ini dipanggil "Kesan Terowong". Bayangkan apabila anda membaling bola ke dinding, bola itu tidak terlantun, sebaliknya tembus hingga ke bilik sebelah tanpa dinding tersebut pecah sedikit pun.

   Kemudian, dengan Teori Kuantum dan Teori Relativiti, cakerawala ini lahir daripada keadaan "tiada kewujudan".  Dalam keadaan "tiada kewujudan", bahkan ruang sekalipun dikatakan tidak wujud. 

   Selain itu, satu lagi pemikiran dalam Teori Kuantum ini ialah, selain dunia yang kita diami ini, wujudnya beberapa lagi "dunia selari" yang keadaannya agak berbeza dengan dunia kita. Ramai ahli sains membantah teori ini, namun ada juga yang menyokongnya. 

-----------------------------

Istilah:

Kesan Terowong : トンネル効果, tunneling effect

Tiada Kewujudan : 無

Dunia selari : 平行世界, parallel world

Memahami Istilah "Kuantum"

   Diambil daripada bahasa Latin yang bermaksud "bilang", Kuantum bermaksud "ketulan-ketulan seni (kecil)  yang boleh dikira... satu biji, dua biji, tiga biji dan seterusnya."

   Misalnya, sebelum lahirnya Teori Kuantum, tenaga yang dipunyai oleh cahaya dianggap selanjar. Selanjar di sini bermaksud berterusan dan bersambung-sambung, tidak boleh dikira. Secara mudahnya, katalah ada cahaya yang mempunyai tenaga sebanyak "1", maka ada juga cahaya yang mempunyai tenaga sebanyak "1.1", "1.01", "1.001", "1.0001" dan seterusnya. Unit tenaga  ini dianggap boleh dibahagikan tanpa batasan.

   Bagaimanapun, setelah lahirnya Teori Kuantum, barulah diketahui bahawa tenaga yang dipunyai oleh cahaya bukanlah selenjar. Tenaga ini mempunyai unit terkecil yang tidak boleh dibahagikan lagi, hanya boleh dikira sebagai 1, 2, 3, 4, 5, ... dan seterusnya. Tiada lagi pecahan yang lebih kecil daripadanya seperti 1.1, 1.01, 1.3, 2.4 dan sebagainya. Tenaga cahaya ini didapati tidak selanjar mengikut Teori Kuantum. Ketulan-ketulan terkecil cahaya ini dipanggil foton. Foton inilah yang dipanggil kuantum. Selain ketulan terkecil cahaya, terdapat juga ketulan terkecil kuantum lain.

   Dalam kehidupan seharian, cahaya disebut foto secara istilahnya. Tetapi, apabila ingin menekankan kewujudan cahaya tersebut sebagai kuantum, akhiran "n" atau "on" ditambah. Misalnya, foto menjadi foton. Contoh-contoh lain ialah magnon untuk menyatakan kuantum magnet,  fonon untuk menyatakan kuantum bunyi (fono) dan lain-lain.

   Dalam bahasa Jepun pula, "子" ditambah di hujung istilah untuk menandakan wujudnya konsep quantum dalam sesuatu tenaga atau benda itu. Misalnya, 光 untuk cahaya dalam istilah harian disebut 光子 untuk istilah Teori Quantum dan lain-lain.

   Pada pendapat saya, mungkin perkara ini lebih mudah difahami dalam bahasa-bahasa Asia Timur seperti Jepun dan Mandarin. Misalnya;

• 量 (kuantiti) itu ialah bilangan, tetapi apabila kita ingin menekankan yang 量 (kuantiti) itu boleh dibilang dengan unit terkecil 1 ketul, 2 ketul, 3 ketul, .. maka kita sebut 量子(kuantum).
  
• 光 (foto) itu ialah cahaya, tetapi apabila kita ingin menekankan yang 光 (foto)  itu boleh dibilang dengan unit terkecil 1 unit cahaya, 2 unit cahaya, 3 unit cahaya, .. maka kita sebut 光子 (foton).
  
• 音 (fono) itu ialah bunyi, tetapi apabila kita ingin menekankan yang 音 (fono) itu boleh dibilang dengan unit terkecil 1 unit bunyi, 2 unit bunyi, 3 unit bunyi, .. maka kita sebut 音子 (fonon).
  

Bahasa Melayu---Bahasa Saintifik---Istilah untuk melambangkan wujudnya quantum

Bilangan-----Kuantiti(量)-------Kuantum (量子)

Cahaya------Foto(光) -----------Foton　(光子）

Elektron-----Elektron（電子）-----Elektron（電子） 

Bunyi--------Fono（音）----------Fonon (音子)

Magnetik----Magnetik (磁気)----Magnon (磁子)

Pengutuban--Polar (分極)--------Polaron (分極子)

* tiada konsep selanjar untuk elektron kerana elektron sememangnya ialah ketulan-ketulan.

Istilah:

• selanjar - berterusan, bersambung-sambung　連続的
  
• diskret - tidak selanjar nilainya melompat-lompat 1,2,3,... 離散的

Rujukan : 

• 量子力学　椎木一夫 Ilmu Pergerakan Kuantum, tulisan Shiiki Kazuo (Pensyarah di Universiti Keio), terbitan Shokabo, Tokyo, 2002
  
• Majalah Newton Keluaran Khas 2006.

Mengapakah Ilmu Pergerakan Newton masih digunakan?

   Ilmu Pergerakan Newton ialah salah sebuah  Ilmu Fizik Lama, manakalah Teori Kuantum merupakan Ilmu Fizik Moden.  Teori Kuantum boleh digunakan untuk mengungkapkan pergerakan di kedua-dua alam- makro dan mikro, tetapi Ilmu Pergerakan Newton hanya boleh digunakan untuk mengungkapkan pergerakan di alam makro. Bagaimanapun, untuk pengiraan benda-benda di alam makro seperti pergerakan sebiji bola tenis, hukum-hukum Teori Kuantum biasanya tidak digunakan, sebaliknya Ilmu Pergerakan Newton digunakan. Mengapa begini, bukankah Teori Kuantum sudah cukup untuk menyatakan pergerakan segala jasad?

   Hal ini demikian kerana, untuk jasad-jasad di alam makro, sekiranya pengiraan dibuat menggunakan Teori Kuantum dan Ilmu Pergerakan Newton, jawapan yang sama (atau hampir sama) akan diperoleh. Cuma bezanya, pengiraan menggunakan Teori Kuantum sangat sukar dan panjang, berbanding pengiraan mudah menggunakan Ilmu Pergerakan Newton. Oleh sebab itulah Ilmu Pergerakan Newton masih digunapakai sehingga hari ini. Bagaimanapun, pergerakan jasad di alam mikro seperti elektron dan cahaya, hanya boleh dikira menggunakan Teori Kuantum. Pengiraan menggunakan Hukum Newton dan lain-lain (salah satu Ilmu Pergerakan Newton) akan menghasilkan hasil pengiraan yang salah dan jauh berbeza daripada jawapan menggunakan Teori Kuantum.

   Hal ini samalah dengan bezanya peta dan glob. Sungguhpun bumi ini sebenarnya sfera dan peta yang rata itu sebenarnya tidak begitu tepat dalam menggambarkan permukaan bumi, tidak bermakna menggunakan peta untuk melihat di mana kedudukan Jepun atau Rusia itu salah. (Perumpamaan ini tercatat dalam buku Ilmu Pergerakan Kuantum karangan Prof. Shiiki).

Walaupun peta yang leper sebenarnya tidak tepat dalam menggambarkan bumi, tidak semestinya peta tidak boleh digunakan dalam menunjukkan tempat.

   Contoh perkara-perkara yang boleh dikira dengan Ilmu Pergerakan Lama ialah 

• hubungan voltan dan arus - dengan sekian-sekian voltan, sekian-sekian Ampere arus boleh dialirkan - iaitu dengan Hukum Maxwell (v= ir), 
• hubungan kelajuan, jarak dan masa - sekiranya bola dibaling 5 meter dari kedudukan asal dan mengambil masa 1 saat, berapakah kelajuannya - iaitu Hukum Newton (v= m/s) dan lain-lain. 
  

   Manakala, contoh perkara yang tidak boleh dinyatakan dengan Ilmu Pergerakan Lama dan mesti menggunakan Teori Kuantum ialah seperti apabila menjelaskan mengapa ada jasad mempunyai elektron bebas, tetapi ada jasad tidak mempunyai elektron bebas. (Jasad yang mempunyai elektron bebas ialah logam, manakala yang tidak mempunyai elektron bebas disebut penebat, juga ada jasad yang separuh-separuh iaitu semikonduktor(separa pengalir)).

 ------------------------------------------

Istilah:

Ilmu Fizik Lama - 古典物理学 atau 古典力学, Classical Mechanics, Classical Physics

Semikonduktor   -  Pengalir separa, 半導体, semiconductor

Elektron bebas   -  自由電子

Hukum Maxwell -  マックスウェルの法則, Maxwell's Law

Berapa besarkah alam mikro?

   Segala jasad terdiri daripada pecahan-pecahan paling kecil iaitu atom. Pada penghujung abad ke-19, apabila fenomena-fenomena melibatkan atom dikaji dengan teliti, didapati bahawa alam mikro amat berbeza dengan dunia yang kita kenali sekarang.  Jasad mikro mempunyai sifat-sifat yang sangat ganjil dan tidak dapat diterangkan menggunakan Ilmu Pergerakan Newton.

   

   Oleh yang demikian, suatu teori baru yang menjangkaui Ilmu Pergerakan Newton  diperlukan untuk menerangkan sifat aneh jasad-jasad ini. Maka dari situlah lahirnya Teori Kuantum. Teori Kuantum ialah

teori yang merungkai sifat-sifat jasad yang terbentuk daripada zarah, cahaya dan lain-lain di alam mikro yang seni.   

   Bagaimanapun, perlulah diberi perhatian kepada perkataan "mikro" di sini. Misalnya, sel-sel badan yang besarnya kira-kira 0.01mm adakalanya dinyatakan dalam unit mikro. Pun begitu, untuk mengungkapkan sifat-sifat sel badan, Teori Quantum tidak perlu digunakan (bukan tidak dapat/tidak boleh digunakan, tetapi akan menyukarkan pengiraan). Alam mikro yang dimaksudkan perlu menggunakan Teori Quantum untuk dijelaskan ialah pada skala atom dan nukleus, iaitu kira-kira satu per sepuluh juta mm (1/10 000 000 mm) ke bawah. Dapatkah anda membayangkan skala 1/10 juta mm itu? Mungkin sukar membayangkannya. Bayangkan saiz bumi ini dengan saiz sebiji guli. Nisbah perbandingan saiz bumi dan guli itu samalah dengan saiz sebiji bola tenis dengan sebiji atomnya. Sekarang dapatkah anda bayangkan betapa kecilnya alam mikro?

Bumi (diameter kira-kira 13000 km) : Guli (diameter kira-kira 1 cm)

Bola Tenis (diameter kira-kira 7 cm) : Atomnya (diamter kira-kira 1/10 juta atau 1 nm )

   Sebiji atom pula terbentuk daripada nukleus yang dikelilingi elektron di sekelilingnya.  Nukleus ini mempunyai cas positif manakala elektron mempunyai cas negatif. Skala nukleus dan elektron

pula jauh lebih kecil berbanding sebiji atom. Katalah saiz sebiji nukleus ialah sebesar sebiji guli, maka orbitnya ialah sebesar Stadium Bukit Jalil apabila guli itu diletakkan di tengah 

padang. Saiz elektron di orbit nukleus itu tidaklah diketahui, namun yang pasti, ia jauh lebih kecil berbanding nukleus itu sendiri.

Stadium Bukit Jalil : Sebiji guli di tengah padangnya = 

Orbit nukleus : sebiji nukleus di tengah-tengahnya.

-------------------------------------------

Istilah

Alam mikro

mikro

atom

nukleus

zarah

elektron

Masa depan boleh diketahui?

   Sebelum lahirnya Teori Kuantum, pergerakan segala jasad telah dijelaskan dengan Ilmu Pergerakan Newton (Newtonian Mechanics). Ilmu Pergerakan Newton, yang diperkenalkan oleh Isaac Newton, merupakan ilmu yang menerangkan bagaimana sesebuah jasad menyerap daya dan bagaimana jasad itu bergerak seterusnya.

   Katalah sebiji bola dilontarkan. Pengaruh luar seperti rintangan angin dan lain-lain diabaikan. Menurut Ilmu Pergerakan Newton, sekiranya kelajuan, arah, dan ketinggian bola ketika mula dilontar diketahui, melalui kiraan yang teliti, kedudukan akhir bola tersebut di permukaan lantai juga boleh diketahui . Dengan kata lain, "kedudukan akhir bola dapat diketahui awal-awal lagi di saat bola mula dilontar.  "

   Mengapakah apabila dadu dibaling, keputusannya jarang dapat diramal? Hal ini demikian kerana ketika dadu mula dilontar, keadaan ketika dilontar itu tidak diteliti. Sekiranya kelajuan, sudut, ketinggian, dan lain-lain diteliti dan dianalisis ketika dadu dibaling, keputusan mata dadu akan dapat dikira dengan tepat dari awal lagi ketika dilontar. Dengan kata lain, "keputusan mata dadu sebenarnya dapat diketahui awal-awal lagi di saat buah dadu dilontar."

Makhluk Ghaib Laplace

   Ahli sains Perancis, Pierre Laplace  telah mengembangkan Ilmu Pergerakan Newton. Kata beliau,

"Andainya wujud makhluk yang mengetahui keadaan segala jasad di alam semesta pada masa sekarang, makhluk tersebut akan dapat meramal masa depan alam ini. Dengan kata lain, masa depan itu sebenarnya telah pasti."

Makhluk yang diandaikan ini dipanggil Makhluk Ghaib Laplace.

Pierre Laplace

   Pemikiran Laplace ini merupakan pengetahuan umum bagi ahli-ahli sains ketika zaman itu sehinggalah lahirnya Teori Kuantum. Masa depan tidak dapat diramal hanyalah kerana keterbatasan kemampuan manusia mengetahui semua isi angkasa ini. Bagi mereka, sebenarnya, masa depan itu sudah tetap.

Lahirnya Teori Kuantum

   Bagaimanapun, setelah lahirnya Teori Kuantum, pemikiran Laplace itu terbukti salah. Menurut Teori Kuantum,

"sungguhpun wujud Makhluk Ghaib Laplace yang mengetahui segala isi semesta itu, meramal masa depan secara dasarnya tetap mustahil. Dengan kata lain, masa depan itu belum tentu!"

Perkara ini akan dikupas sedikit demi sedikit dalam tulisan ini.

---------------------------------------------------

Istilah:

Teori Kuantum - dengan istilah mudah, "Teori Bilangan" 量子論, Quantum Theory

Ilmu Pergerakan Newton  - ニュートン力学, Newtonian Mechanics

jasad  - 物体, 物質

daya  - force, 力

Makhluk Ghaib Laplace - ラプラスの魔物

Dua Teori Besar Alam Semulajadi

   Teori Kuantum dan Teori Relativiti merupakan dua teori besar yang menjadi asas kepada ilmu fizik moden. Kedua-duanya lahir pada hujung abad ke-19 dan dilengkapkan pada permulaan abad ke-20. Teori Relativiti ialah teori yang diperkenalkan oleh Albert Einstein yang menjelaskan bahawa pergerakan masa berubah-ubah, boleh jadi lambat, boleh jadi pantas, manakala ruang pula tidaklah tegar, tetapi boleh membengkok dan sebagainya. Perkara ini amat sukar dipercayai, tetapi pelbagai eksperimen telah membuktikan kebenarannya.

   Teori Kuantum pula menjelaskan sifat-sifat benda mikro seperti cahaya (foton) dan elektron. Kiasan mudahnya, Teori Relativiti menerangkan tentang "pentas" alam semulajadi ini iaitu ruang dan masa, manakala Teori Kuantum pula menerangkan tentang "watak-wataknya" iaitu atom, cahaya, dan sebagainya.