Dari bintang terjauh di langit hingga layar di depan wajah Anda, cahaya ada dimana-mana. Namun sifat sebenarnya dari cahaya dan cara perjalanannya telah lama membingungkan para ilmuwan. Ada satu pertanyaan yang membuat jengkel para pemikir mulai dari Isaac Newton hingga Albert Einstein: Apakah cahaya merupakan partikel atau gelombang?
“Apakah cahaya itu sebuah partikel atau gelombang adalah pertanyaan lama” Ricardo Sapienzakata seorang fisikawan di Imperial College London kepada Live Science. Sebagai spesies, kita tampaknya terdorong untuk memahami sifat dasar dunia di sekitar kita, dan teka-teki inilah yang membuat para ilmuwan abad ke-19 sibuk.
Saat ini, jawabannya tidak diragukan lagi: cahaya adalah partikel dan gelombang. Namun bagaimana para ilmuwan sampai pada kesimpulan yang menakjubkan ini?
Titik awalnya adalah membedakan secara ilmiah antara gelombang dan partikel. “Suatu benda akan digambarkan sebagai partikel jika dapat diidentifikasi sebagai sebuah titik di ruang angkasa,” kata Sapienza. Gelombang adalah suatu benda yang tidak didefinisikan sebagai suatu titik dalam ruang dan perlu diberikan frekuensi osilasi dan jarak antara maksimum dan minimum.
Bukti konklusif pertama mengenai sifat gelombang cahaya muncul pada tahun 1801, ketika Thomas Young membuat karyanya yang sekarang terkenal percobaan celah ganda. Dia menempatkan layar dengan dua lubang di depan sumber cahaya dan mengamati perilaku cahaya setelah melewati celah tersebut. Cahaya yang mengenai dinding menunjukkan pola pita terang dan gelap yang rumit, yang dikenal sebagai pinggiran interferensi.
Ketika gelombang cahaya melewati setiap lubang, mereka menghasilkan gelombang parsial yang memancar secara sferis, saling mencegat dan menambah atau mengurangi intensitas akhir.
“Jika cahaya adalah sebuah partikel, Anda akan mendapatkan dua sinar di sisi lain layar,” kata Sapienza. “Tetapi kita mempunyai gangguan dan kita melihat cahaya di mana-mana setelah layar, tidak hanya di posisi lubang. Itu adalah bukti bahwa cahaya sebenarnya adalah gelombang.”
Delapan puluh enam tahun kemudian, Heinrich Hertz adalah orang pertama yang menunjukkan sifat partikel cahaya. Dia mengamati bahwa ketika sinar ultraviolet mengenai permukaan logam, ia menghasilkan muatan. – sebuah fenomena yang disebut efek fotolistrik. Namun, signifikansi pengamatannya belum sepenuhnya dipahami hingga bertahun-tahun kemudian.
Terkait: Berapa kecepatan cahaya?
Atom mengandung elektron pada tingkat energi tetap. Oleh karena itu, penerangannya diharapkan dapat memberikan energi pada elektron dan memungkinkannya melepaskan diri dari atom, sementara cahaya yang lebih terang melepaskan elektron lebih cepat. Namun dalam eksperimen setelah karya Hertz, Beberapa pengamatan yang tidak biasa tampaknya sepenuhnya bertentangan dengan pemahaman klasik tentang fisika..
Dulu Einstein yang akhirnya memecahkan teka-teki ini, dan dia menerima hadiah Hadiah Nobel pada tahun 1921. Alih-alih terus-menerus menyerap cahaya dari gelombang, atom justru menerima energi dalam paket cahaya yang disebut foton, yang menjelaskan pengamatan aneh seperti adanya frekuensi cutoff.
Tapi apa yang menentukan apakah cahaya berperilaku sebagai gelombang atau partikel? Menurut Sapienza, pertanyaan tersebut bukanlah pertanyaan yang tepat. “Cahaya terkadang bukan sebuah partikel dan terkadang sebuah gelombang,” katanya. “Itu selalu berupa gelombang dan partikel. Apa yang terjadi adalah kita menyorot salah satu properti tergantung pada eksperimen yang kita lakukan.”
Dalam kehidupan sehari-hari, kita menganggap cahaya terutama sebagai gelombang, dan bentuk inilah yang menurut fisikawan paling berguna untuk dimanipulasi.
“Ada keseluruhan bidang yang disebut metamaterial: dengan membentuk material dengan karakteristik yang sama dengan cahaya, kita dapat meningkatkan interaksi cahaya dengan material dan mengendalikan gelombang,” kata Sapienza. “Misalnya, kita dapat membuat peredam matahari yang dapat menyerap cahaya dengan lebih efisien untuk pembangkit listrik atau probe resonansi magnetik metamaterial yang jauh lebih efektif.”
Namun, sifat ganda cahaya, yang dikenal sebagai dualitas gelombang-partikel, sangat mendasar bagi keberadaan dunia yang kita kenal. Perilaku kembaran aneh ini juga meluas ke partikel kuantum lainnya, seperti elektron.
“Anda tidak dapat memiliki atom yang stabil jika Anda tidak memilikinya mekanika kuantum dengan elektron dalam keadaan tertentu,” kata Sapienza. “Jika Anda menghilangkan fakta bahwa ia adalah sebuah partikel, Anda menghilangkan fakta bahwa ia memiliki energi tertentu dan kehidupan tidak mungkin ada.”
