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 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