Kisah eksperimen
Eksperimen penentu dalam sejarah fisika: tujuan, alat, variabel, pengamatan, hasil dan interpretasinya.
Eksperimen Celah Ganda Young
Young’s Double-Slit Experiment · Thomas Young (versi optik) · 1801 (cahaya; eksperimen elektron dikembangkan kemudian) · Optika Geometri & Fisis
Tujuan
Membuktikan sifat gelombang cahaya melalui interferensi dan (pada versi kuantum) menunjukkan dualisme gelombang-partikel dari partikel tunggal.
Hasil
Jarak antar puncak interferensi terang memenuhi rumus y = (m · λ · D) / d, di mana m = 0, ±1, ±2... Pola ini hanya dapat dijelaskan jika cahaya memiliki sifat gelombang.
Interpretasi
Pita terang terbentuk saat gelombang dari kedua celah tiba sefase (interferensi konstruktif; beda lintasan = m·λ), sedangkan pita gelap terbentuk saat gelombang tiba dengan beda fase 180° (interferensi destruktif; beda lintasan = (m + ½)·λ). Ketika diuji dengan elektron tunggal satu per satu, pola interferensi tetap terbentuk secara statistik seiring waktu!
Bayangkan melempar dua batu ke dalam kolam tenang secara bersamaan. Riak-riak air yang memancar dari kedua titik akan saling silang. Di beberapa tempat puncak riak bertemu puncak riak lain sehingga air naik dua kali lipat, sementara di tempat lain puncak riak bertemu lembah sehingga permukaan air tetap tenang datar.
Eksperimen Neraca Torsi Cavendish
Cavendish Torsion Balance Experiment · Henry Cavendish · 1798 · Gravitasi Universal & Mekanika Orbit
Tujuan
Mengukur gaya gravitasi yang sangat lemah antara massa laboratorium untuk menentukan densitas rata-rata Bumi dan menghitung Konstanta Gravitasi Universal (G).
Hasil
Eksperimen mengestimasi densitas rata-rata Bumi sekitar 5.5 kali densitas air. Dalam notasi modern, metode neraca torsi juga dapat digunakan untuk menentukan G.
Interpretasi
Gravitasi adalah gaya universal intrinsik antara seluruh materi bermassa, bukan hanya antara benda langit dan Bumi. Gaya gravitasi antara dua massa 1 kg pada jarak 1 meter sangat lemah (hanya beberapa puluh pikonewton).
Gravitasi Bumi terasa kuat karena massa Bumi luar biasa besar (~6 triliun triliun ton). Tetapi antara dua benda di meja Anda, gaya gravitasi sebenarnya ada meski sangat kecil sampai-sampai kita butuh neraca torsi super sensitif untuk mendeteksinya.
Eksperimen Efek Fotolistrik
Photoelectric Effect Experiment · Heinrich Hertz, Philipp Lenard, & Albert Einstein · 1887 (Hertz), 1902 (Lenard), 1905 (Analisis Einstein) · Fisika Kuantum
Tujuan
Menyelidiki pelepasan elektron dari pelat logam ketika disinari oleh radiasi elektromagnetik dan menguji ketergantungannya pada frekuensi versus intensitas cahaya.
Hasil
Potensial henti mengikuti eV_s = hf − Φ dalam model ideal, dengan kemiringan h/e dan ketidakpastian eksperimen.
Interpretasi
Absorpsi energi terkuantisasi memberi K_max = hf − Φ. Model satu foton menjelaskan frekuensi ambang dan potensial henti; bukan pernyataan bahwa cahaya tidak pernah menunjukkan sifat gelombang.
Ibaratkan mesin penjual otomatis yang hanya menerima koin Rp 5.000. Memasukkan seribu koin Rp 100 secara beruntun tidak akan mengeluarkan barang (cahaya merah intensitas tinggi). Tetapi memasukkan satu koin Rp 5.000 langsung mengeluarkan barang seketika (foton UV berenergi tinggi).
Eksperimen Hamburan Lempeng Emas Rutherford
Rutherford Gold Foil Experiment · Ernest Rutherford, Hans Geiger, & Ernest Marsden · 1909 – 1911 · Fisika Atom & Spektroskopi
Tujuan
Menguji keabsahan model atom "Roti Kismis" J.J. Thomson dengan menembakkan partikel alfa bermuatan positif ke lempeng tipis emas murni.
Hasil
Distribusi sudut hamburan cocok persis dengan rumus hamburan Coulomb elastis Rutherford: N(θ) ∝ 1 / sin⁴(θ/2).
Interpretasi
Atom sebagian besar terdiri dari ruang hampa kosong. Seluruh muatan positif atom dan hampir seluruh massanya terkonsentrasi pada wilayah pusat yang luar biasa padat dan kecil (~1/100,000 ukuran atom) yang dinamakan INTI ATOM (nukleus).
Rutherford mengibaratkan keterkejutannya: "Ini sama luar biasanya seperti Anda menembakkan peluru meriam 15 inci ke selembar kertas tisu, dan peluru itu memantul kembali lalu mengenai Anda sendiri!"
Eksperimen Interferometer Michelson-Morley
Michelson-Morley Interferometer Experiment · Albert A. Michelson & Edward W. Morley · 1887 · Relativitas Khusus
Tujuan
Mendeteksi gerak relatif Bumi terhadap medium "eter bercahaya" (luminiferous aether) yang dihipotesiskan sebagai medium perambatan gelombang cahaya di ruang angkasa.
Hasil
Pergeseran interferensi jauh lebih kecil daripada prediksi model eter diam sederhana; hasil disebut null dalam sensitivitas eksperimen.
Interpretasi
Hasil menantang model angin eter yang diuji dan konsisten dengan relativitas khusus. Satu eksperimen tidak membuktikan semua kemungkinan model eter mustahil atau mengukur setiap postulat relativitas secara terpisah.
Jika Anda berenang melawan arus sungai, waktu tempuh Anda bolak-balik berbeda dibanding menyeberangi sungai tegak lurus. Michelson menguji apakah cahaya mengalami efek arus serupa saat Bumi mengarungi ruang angkasa, dan jawabannya adalah: cahaya tidak peduli arah, kecepatannya selalu mutlak!
Eksperimen Tetes Minyak Millikan
Millikan Oil Drop Experiment · Robert A. Millikan & Harvey Fletcher · 1909 · Elektrostatika & Rangkaian Listrik
Tujuan
Menentukan muatan elementer dari tetesan minyak bermuatan dan menguji pola kelipatan diskret muatan bebas.
Hasil
Setiap nilai muatan yang diukur selalu merupakan kelipatan bilangan bulat dari nilai fundamental: q = n · e, dengan e ≈ 1.60 × 10⁻¹⁹ Coulomb (n = ±1, ±2, ±3...). Tidak pernah ditemukan pecahan muatan seperti 0.5e.
Interpretasi
Muatan tetesan yang teramati sesuai kelipatan muatan elementer. Quark memiliki muatan pecahan e tetapi tidak diamati sebagai partikel bebas terisolasi.
Bayangkan Anda menimbang banyak kantung kelereng tertutup tanpa bisa melihat isinya. Jika bobot bersih kantung-kantung itu selalu bernilai 5 gram, 10 gram, 15 gram, atau 20 gram, Anda dapat menyimpulkan dengan pasti bahwa sebutir kelereng memiliki massa tepat 5 gram.