Apa itu Foton ?

PENDAHULUAN

Banyak dari kita yang baru pertama kali berkenalan dengan fisika modern mungkin bertanya-tanya, sebenarnya apa itu foton? 

Newton pernah mengemukakan bahwa berkas cahaya tak lain adalah aliran corpuscle atau partikel.

Namun melalui percobaan celah gandanya, Thomas Young mendapati bahwa cahaya dapat mengalami interferensi sehingga disimpulkan bahwa cahaya adalah gelombang.

Pada awal abad ke 20, Albert Einstein menjelaskan efek fotolistrik dengan memandang cahaya tersusun atas paket-paket energi diskrit (kuanta) yang sifatnya mirip partikel, sehingga berinteraksi  seperti yang dihipotesiskan oleh Max Planck. 

Selanjutnya pada tahun 1926, istilah foton pertama kali diperkenalkan oleh Gilbert. N. Lewis, seorang ahli kimia fisika kebangsaan Amerika dalam artikelnya yang berjudul “The Conservation of Photons”

Ada banyak deskripsi mengenai partikel yang satu ini (Kelak akan kita dapati bahwa, foton bukan sekadar partikel, atau gelombang. Pada kenyataannya, foton adalah foton!). Secara umum, kita mungkin mengenalnya sebagai paket energi diskret (kuantum) gelombang elektromagnetik.

Berikut ini adalah sifat-sifat dasar foton yang telah diketahui:

• foton tidak memiliki massa diam, sehingga bisa bergerak dengan laju cahaya c, 
• foton memenuhi hubungan E = hν, p = h/λ, dan E = pc. Meskipun tidak memiliki massa diam, foton memiliki energi dan momentum, sehingga dapat "bertumbukan" dengan partikel materi lain, contohnya elektron
• foton bahkan dapat dipengaruhi oleh gravitasi seperti halnya partikel-partikel penyusun materi. 
• Kita dapat pula mendeskripsikan sebuah foton dari sudut pandang kedudukannya dalam fisika* – foton memperantarai gaya elektromagnetik antara dua atau lebih partikel yang bermuatan; dalam sudut pandang ini dua muatan listrik berinteraksi melalui mekanisme "pertukaran" foton. Pada kasus ini, foton perantara ini adalah foton khayal/virtual yang sebenarnya hanya ada dalam kerangka matematika rumusan fisika teoretik.

*Kajian fisika teoretik yang mempelajari interaksi materi dengan medan elektromagnetik dalam kerangka relativitas khusus dan mekanika kuantum adalah QED (Quantum electrodynamics). Teori ini lahir dari usaha Paul Dirac ketika mencoba menjelaskan asal usul spin elektron dengan memadukan relativitas khusus dan mekanika kuantum. Richard Feynmann, dalam bukunya berjudul “QED: The Strange Theory of Light and Matter” amat bersemangat menjelaskan teori yang telah lama digelutinya ini.

Paul Dirac (kiri) dan Richard Feynmann (Kanan). Dua tokoh penting dalam pengembangan teori QED 

PARTIKEL ATAU GELOMBANG?

Mungkin salah satu dari sekian banyak pertanyaan kita mengenai hakekat foton adalah: jika foton adalah partikel, maka apakah unsur penyusunnya? Jika kita bayangkan sebuah atom, maka akan kita dapati adanya inti atom (nukleus) dan elektron yang mengelilinginya. Inti atom tersusun atas proton dan neutron yang disebut nukleon. Bahkan, saat ini telah diketahui bahwa proton dan neutron tersusun atas partikel penyusun yang lebih fundamental lagi yang disebut quark.

Berdasarkan salah satu teori penting fisika modern saat ini yang dikenal sebagai model baku fisika partikel (standard model of particle physics), partikel tertentu seperti foton dan elektron pada hakikatnya adalah sedemikian rupa sehingga kita percaya bahwa mereka berupa “titik” (berdimensi 0) yang sesungguhnya dalam pengertian matematika. Dengan kata lain, mereka tidak memiliki ukuran fisik, dan mereka tidak dapat dibelah karena mereka tidak memiliki unsur-unsur penyusun, selain dirinya sendiri. Partikel seperti ini disebut partikel elementer.

 

Selanjutnya, kita sampai pada pertanyaan yang paling sulit dijawab dan membingungkan. Apakah foton itu partikel atau gelombang? Apakah hakikat partikelnya lebih nyata daripada hakikat gelombang elektromagnetnya?

Disinilah letak paradoksnya. Beberapa percobaan seperti yang  menyangkut fenomena interferensi dan difraksi, memperlihatkan bahwa radiasi elektromagnet berinteraksi seperti halnya gelombang; percobaan lain – misalnya efek fotolistrik yang terkenal itu –  memperlihatkan bahwa radiasi elektromagnet berinteraksi layaknya kuantum partikel yang dikenal sebagai foton.

Tentunya, penjelasan tentang partikel dan gelombang amatlah berbeda. Keduanya merupakan dua entitas yang berlainan. Pertikel membawa energinya sendiri. Energi ini terlokalisir di suatu tempat dimana partikel itu berada, sedangkan energi sebuah gelombang tersebar merata pada seluruh muka gelombangnya. Sebagai contoh, jika cahaya kita anggap sebagai partikel saja, maka sulit bagi kita untuk menjelaskan pola interferensi yang terjadi seperti halnya pada pecobaan celah ganda Young. Sebuah partikel hanya dapat melewati salah satu celah; sedangkan bagi gelombang, ia dapat berpisah lalu melewati kedua celah secara bersamaan untuk kemudian bergabung kembali.

Jika deskripsi gelombang dan partikel kita pandang valid, maka kita harus menganggap bahwa cahaya yang dipancarkan sebuah sumber cahaya hanya merambat sebagai gelombang atau sebagai partikel saja, tidak mungkin keduanya secara bersamaan. Namun bagaimana caranya sebuah sumber cahaya mengetahui perilaku cahaya mana (gelombang atau partikel) yang akan ia pancarkan?

Bayangkan percobaan ini!

Andaikan kita menempatkan sumber cahaya ditengah, selanjutnya kita susun peralatan percobaan celah ganda pada salah satu sisi sumber cahaya, dan peralatan efek fotolistrik pada sisi yang lain. Cahaya yang dipancarkan menuju celah ganda akan berperilaku sebagai sebuah gelombang, sedangkan yang menuju pelat logam berperilaku sebagai pertikel. Bagaimana sumbernya tahu ke arah mana ia memancarkan gelombang dan ke arah mana ia memancarkan partikel?

Mungkin alam mempunyai semacam “kode rahasia.” Dengan kode ini jenis percobaan yang sedang kita lakukan disinyalkan kembali (entah oleh siapa) ke sumber cahaya sehingga sumber mengetahui apa yang harus ia pancarkan, partikel cahaya atau gelombang cahaya. Mari kita ulangi kembali percobaan diatas (dual experiment) kita tentang cahaya ini tapi dengan menggunakan sumber cahaya yang berasal dari suatu galaksi yang amat jauh, sehingga sumber tersebut telah merambat menuju kita untuk jangka waktu yang kurang lebih sama dengan usia jagat raya (15 x 10⁹ tahun). Tentu saja, jenis percobaan yang sedang kita lakukan ini tidak dapat disinyalkan kembali ke sumbernya karena dalam jangka waktu itu kita punya banyak waktu untuk mengganti perlatan celah ganda pada meja laboratorium dengan peralatan efek fotolistrik.

Namun demikian, kita dapati bahwa cahaya dari galaksi yang amat jauh tersebut nyatanya dapat menghasilkan interferensi celah ganda dan juga efek fotolistrik.

DUALITAS PARTIKEL GELOMBANG

Akhirnya kita sampai pada kesimpulan berikut: Cahaya bukanlah gelombang saja atau partikel saja; entah bagaimana caranya, cahaya adalah partikel sekaligus gelombang dan ia hanya memperlihatkan salah satu aspeknya, bergantung pada jenis percobaan yang kita lakukan. Percobaan jenis-pertikel (efek fotolistrik) akan memperlihatkan hakikat partikelnya, sedangkan percobaan jenis-gelombang (interferensi celah ganda), memperlihatkan aspek gelombangnya. 

Meskipun demikian, kita bukannya gagal mendefinisikan foton sebagai sebuah partikel saja atau sebuah gelombang saja. Ini hanya masalah keterbatasan kosakata. Nyatanya, foton memang berperilaku demikian, sehingga seperti yang telah saya sebutkan diatas, foton bukanlah partikel saja, atau gelombang saja foton adalah foton. 

Sifat dualisme partikel-gelombang ini nyatanya telah lama menimbulkan dilema bagi fisikawan dan filsuf. Penjelasan mengenai kedua sifat ini tidak dapat benar secara keseluruhan karena keterbatasan kosakata dan pengalaman akal sehat kita. Namun, keduanya harus diterima berlaku secara serempak agar dapat memberikan deskripsi yang saling melengkapi (complementary principle) mengenai gelombang elektromagnetik.

Sumber

Kenneth S. Krane. Modern Physics Second (2nd) Edition. 1995