Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

INDUKSI DAN DEDUKSI DALAM SAINS: Dari jarak Angstrom sampai tahun cahaya, Dari waktu Planck sampai milyar tahun FREDDY P. ZEN, M.Sc., D.Sc., THEORETICAL.

Presentasi serupa


Presentasi berjudul: "INDUKSI DAN DEDUKSI DALAM SAINS: Dari jarak Angstrom sampai tahun cahaya, Dari waktu Planck sampai milyar tahun FREDDY P. ZEN, M.Sc., D.Sc., THEORETICAL."— Transcript presentasi:

1 INDUKSI DAN DEDUKSI DALAM SAINS: Dari jarak Angstrom sampai tahun cahaya, Dari waktu Planck sampai milyar tahun FREDDY P. ZEN, M.Sc., D.Sc., THEORETICAL PHYSICS LABORATORY, THEORETICAL HIGH ENERGY PHYSICS & INSTRUMENTATION DIVISION, FACULTY OF MATHEMATICS AND NATURAL SCIENCES, ITB.

2 I. PENDAHULUAN INDUKSI postulat (“frog jump”) DEDUKSI Menurunkan atau mengaplikasikan teori atau model untuk mendapatkan sesuatu yang diinginkan

3 II.1. Gejala Kuantum A. Fisika Awal Abad 20 B. Max Planck C. Efek Foto Listrik D. Niels Bohr E. Sifat Gelombang-Partikel

4 A. Perkembangan Fisika Awal Abad 20. Awal Abad 20, terdapat fenomena dalam fisika yang tidak dapat dijelaskan oleh teori klasik, yaitu : 1. Teori/model untuk benda-benda yang ukurannya kecil orde angstrom  m (gejala kuantum) 2. Model untuk sistem pada kecepatan tinggi dan hasil percobaan Michelson & Morley, bahwa kecepatan cahaya konstan, tidak bergantung kerangka acuan inersial (Teori Relativitas Khusus atau TRK). 3. Perihelion planet disekitar matahari yang tidak dapat dijelaskan teori Newton Teori Relativitas Umum (TRU).

5 B. Max PLANCK DAN RADIASI BENDA HITAM •Teori klasik tidak sesuai dengan data eksperimen •Penyimpangan ini dinamakan ultraviolet catastrophe

6 Resolusi Planck : •Postulat Planck: radiasi benda hitam dihasilkan oleh resonator –Resonator adalah osilator harmonik •Resonator hanya dapat memiliki energi diskrit E n = n h ƒ •n dinamakan bilangan kuantum •ƒ frekuensi vibrasi •h disebut tetapan Planck, h=6.626 x J s Energi terkuantisasi

7 Kurva Radiasi Benda Hitam •Data eksperimen distribusi energi radiasi benda hitam •Temperatur bertambah besar, puncak distribusi bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek •Hukum pergeseran Wien λ max T = x m • K •Walaupun resolusi Planck cocok dengan data eksperimen, tetapi tidak dapat dijelaskan mengapa energi sistem diskrit dan bergantung frekuensi

8 C. Einstein dan Efek Foto Listrik •Ketika cahaya mengenai logam E, elektron-elektro foto diemisikan •Elektron-elektron terkumpul di C melalui ammeter merupakan arus dalam rangkaian •C memiliki potensial positif oleh power supply

9 Grafik Arus/Tegangan •Arus bertambah besar terhadap penyinaran, tetapi mencapai tingkat jenuh untuk ΔV besar •Tidak ada arus mengalir untuk tegangan yang lebih kecil atau sama dengan –ΔV s, potensial penghenti (stopping potential)

10 Akibat yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik/teori gelombang •Tidak ada elektron yang diemisikan jika frekuensi cahaya datang di bawah cutoff frequency yang merupakan karakteristik bahan yang diiluminasi •Energi kinetik maksimum elektron foto tidak bergantung pada intensitas cahaya •Energi kinetik maksimum elektron foto bertambah besar terhadap frekuensi cahaya •Elektron-elektron yang diemisikan dari permukaan sifatnya sesaat (instantaneously)

11 D. Niels BOHR DAN TEORI ATOM HIDROGEN •Mengapa Atom H stabil ? •“Gaya” apa yang menahan elektron, sehingga tetap berada pada lintasannya ? •Mengapa spektrum atom H diskrit ? Postulat Bohr : Keadaan stasioner atom H dikarakterisasi oleh momentum sudut Bohr dapat menjelaskan spetrum atom H

12 E. Sifat Gelombang Partikel • Louis de Broglie (1924) mempostulatkan bahwa karena foton memiliki karakteristik gelombang dan partikel, mungkin semua bentuk materi memiliki kedua sifat tersebut •Misalnya, untuk foton: •Menurut De Broglie rumus ini berlaku untuk setiap partikel! Sehingga, frekuensi dan panjang gelombang dari gelombang materi dapat ditentukan, jadiatau

13 II. 2. Prinsip Dasar Kuantum, konstanta Planck h Dunia Klasik •Keadaan (state) sistem dikarakterisasi oleh momentum p(t) dan posisi X(t). •Solusinya dinyatakan oleh himpunan {p(t), X(t); t ≥ 0}. •Pengukuran dalam sistem ini hanya bergantung kepada kepandaian pengukurnya. Secara prinsip, pengukuran ketidakpatian momentum (∆p) dan ketidakpastian posisi (∆X) secara serentak memenuhi ∆p ∆X ≥ 0. p X Keadaan awal Keadaan akhir Trayektori Sistem Klasik

14 Dunia Kuantum •Pengukuran dibatasi oleh ketidakpastian Heisenberg ∆p ∆X ≥ h, h adalah konstanta Planck. Sehingga pengukuran momentum dan posisi mengandung ketidakpastian, yang dibatasi oleh konstanta Planck h. •Akibatnya: Keadaan sistem tidak dapat dikarakterisasi oleh himpunan p dan X. •Untuk mengkarakterisasi sistem diambil fungsi gelombang Ψ yang disimbolkan sebagai | Ψ >. Sebagai contoh spin up | 1 >, spin down | 0 >. •Dan || Ψ|| 2 diinterpretasikan sebagai fungsi probabilitas (Max Born). p X ∆X∆X ∆p∆p Trayektori Sistem Kuantum Einstein : “Tuhan tidak bermain dadu”

15 Sistem KlasikSistem Kuantum Formulasi Keadaan Sistem Deterministik: - Posisi, X - momentum, p Deterministik: Fungsi Gelombang (State) Pengamatan Deterministik: - Posisi, X - Momentum, p Probabilistik: Interpretasi Max Born Fungsi Probabilitas Pengukuran Tidak ada interaksi antara objek yang diukur dan pengukur (pengamat) Pengukur merusak informasi asli, sehingga menjadi keadaan yang sesuai dengan pengukur (pengamat)

16 •Schrodinger Cat Philosophical Problem Kucing Foton Cianide (Cn) |kucing> = | hidup> + | mati> Kucing : hidup atau mati

17 II.3. TRK dan TRU Einstein A.Postulat Teori Relativitas Khusus : •Kecepatan cahaya c tetap, tidak bergantung kerangka acuan yang inersial. •Hukum fisika tidak berubah (invarian) terhadap kerangka acuan inersia Kecepatan Cahaya c (konstan)

18 Faktor Lorentz  > 1, karena v < c, Pengukuran waktu bersifat relatif, bergantung pengamat pada kerangka acuan inersial yang mengukurnya (dilasi waktu)

19 Pengukuran ruang bersifat relatif, bergantung pengamat pada kerangka acuan inersial yang mengukurnya Newton : Waktu bersifat mutlak dan Ruang bersifat relatif Einstein : Waktu dan Ruang bersifat relatif (kontraksi ruang)

20 Bola dan daun jatuh dengan percepatan yang sama a = -g a g Bumi Bola Daun B. Teori Relativitas Umum dan Prinsip Ekivalensi Konstanta Gravitasi G

21   Cahaya “melengkung” Prinsip ekivalensi m I = m grav. Massa bergerak cahaya (  = foton ), tidak sama dengan massa diam (m diam = 0)   Cahaya “jatuh” atau “melengkung” atau “ditarik” oleh bumi Bumi  a

22 Pada saat gerhana matahari di Afrika (1919), di amati deflection angle Δ  = 1,75 menit Cahaya melengkung disekitar benda bermassa atau cahaya mengikuti lintasan lengkung Disekitar benda bermassa terjadi lengkungan ruang waktu Sudut defleksi (deflection angle) =  Matahari Bumi

23 II.4. Poincare’ upper half plane Contoh Non Euclidean Geometry Dimensi 2

24 y x

25 u  Contoh Euclidean Geometry dalam Dimensi 2

26 Awal milenium terdapat fenomena yang memerlukan penyelesaian dengan teori atau model baru ? 1. Quantum Gravity 2. Theory of Everything Superstring atau M-Theory ? 3. Quantum Computation III. Problem Awal Milenium

27 Relativistic Quantum Mechanics + Field Theory = Quantum Field Theory Classical Mechanics Special Relativity Speed of light, c Quantum Mechanics Relativistic Quantum Mechanics Planck constant, ћ Max Planck Konstanta Gravitasi G

28 The aesthetic unity and the harmony of the hole But what is the meaning of Planck’s ћ, G and c? It turn up everywhere where a natural phenomenon is probed to its depth. Is it a “ground tone” of the universe? Simplicity in Complexity. The ground tone of all Beethoven’s symphonies! Quantum Gravity – (Planck Length) – (Planck Energy) – (Planck Time) There are no longer loose strains of music. There is found to be a definite mutual connection. They appear to be woven together in one grand symphony. The symphony of the universe.

29 III.1. Quantum Gravity ∆x, ∆E dan ∆t diperoleh dari tiga konstanta universal: konstanta Planck (h), kecepatan cahaya (c) dan konstanta gravitasional (G) yang merupakan ground tone of the universe. ∆x ~ m ∆E ~ GeV ∆ t ~ sec

30 III.2. Theory of Everything ? 1. Jika Bigbang awal terbentuknya alam semesta, maka pada saat itu semua interaksi (Gravitasi, Kuat, Elektromagnetik, Lemah) haruslah bersatu (unified) dengan symmetry tertentu. Pada waktu t p = detik dan energi E p = GeV atau Giga electron Volt, Gravitasi berpisah dengan Interaksi Kuat, Elektromagnetik, Lemah serta supersymmetry (symmetry antara partikel boson dan fermion). 2. Kemudian breaking symmetry atau transisi fasa, dimana interaksi kuat berpisah dengan Elektromagnetik dan Lemah (electroweak). Fasa ini terjadi pada energi E = GeV dan waktu t = detik setelah Bigbang. 3. Fasa berikutnya, pada energi 10 3 GeV (t = detik), interaksi Lemah dan Elektromagnetik berpisah. Sehingga sekarang ini kita mendapati 4 buah interaksi, yaitu Gravitasi, Kuat, Elektromagnetik dan Lemah. 4. Unifikasi interaksi diatas merupakan mimpi manusia untuk menemukan satu teori yang dapat menjelaskan semua interaksi atau Theory of Everything (TOE).

31 Kelistrikan Kemagnetan Peluruhan Beta Interaksi Neutrino Listrik Magnet Interaksi Lemah Interaksi Kuat Interaksi Electroweak Model Standar (GUT) Teori Relativitas Umum (Einstein) Gravitasi Universal Geometri Ruang-Waktu Theory of Everything Protons Neutrons Pions Gravitasi Terrestrial Mekanika (Newton) Cahaya Salam-Glashow-Weinberg (Nobel Fisika 1979) Grand Unified Theory SU(5), SU(3)xSU(2)xSU(1) Supersymmetry Supergravity

32 III.3. Quantum Computation •Komputer saat ini - bit, rangkaian bilangan biner, yaitu rangkaian 0 dan 1 - Masa jenuh, leakage arus listrik, ada batas pengembangan jumlah memory besar tetapi ukuran (dimensi) memory makin kecil. Bagaimana mengatasinya? •Komputasi Kuantum bit, menjadi kuantum bit (qbit) |0> dan |1> Sistem komputasi dapat digunakan sebagai kombinasi linear dari bit. Sebagai contoh: 3 bit dan 3 qbit - Komputasi Klasik: 000, 001, 010, 011, 101, 110, 111 (2 3 buah = 8 buah) - Komputasi Kuantum:

33 Quantum Dot Memory dalam Komputer Kuantum Contoh: gate - NOT IsiKosong • Qubit dikirimkan melalui Quantum Tunneling (tanpa menggunakan arus listrik) • bit dikirimkan melalui kawat (arus listrik) gate - NOT

34 Cryptography kuantum berdasarkan Bennet & Brassard 1984 (BB 84) BB 84 : Penyebaran kunci sandi menggunakan QUANTUM BIT. • Tahun 2000 di Eropa BB 84 telah dimanfaatkan untuk komunikasi berjarak puluhan kilometer. • Tahun 2005, negara tetangga kita telah membuat BB 84 untuk komunikasi antar gedung. Cryptography Rivest, Shamir, Adlemann (RSA) • Memanfaatkan teori bilangan untuk membuat sebagian kunci sandi diketahui publik dan sebagian lainnya dipegang masing-masing anggota (rahasia). Contoh: • Enkripsi (encrypt) : Penyebaran kunci sandi (secara acak) c = b e mod(M) • Dekripsi (decrypt) : Penguraian kunci sandi b = c d mod(M) • Info yang kita berikan kepada publik : e dan M - masing-masing anggota mendapatkan informasi : b (rahasia) - kunci sandi kita : d (rahasia) e. d = (p – 1)(q – 1) dan M = p q Nilai M besar sekali , sehingga memerlukan waktu yang sangat lama untuk faktorisasi p dan q dari M. Sehingga sandi RSA aman. P.W. Shor (1995): Menggunakan algoritma kuantum dapat memecahkan faktorisasi dalam (1000) 3 langkah, sehingga RSA tidak aman, kunci sandi dapat diuraikan oleh penyadap (eavesdropper).

35 Cryptography BB 84 |0>|1>|+>|-> Basis A Kirim B Amati Informasi ke A Hasil B Berita A Hasil OK |1> |0> OK QKD A QKD B

36 A Kirim E sadap Hasil |1> |0> Berita A OK Hasil E E harus kirim foton supaya sadapan tidak diketahui B amati Hasil B QKD A QKD E QKD B

37 IV. Penutup  Telah dibahas masalah induksi dan deduksi dalam sains, khususnya Fisika, dari ukuran Angstrom sampai orde tahuncahaya, dari waktu Planck sampai 15 milyar tahun sesudah Bigbang.  Memang benar dibalik semua kegiatan yang dilakukan, kita tidak boleh melupakan tujuan “kemanusiaan” (human purpose).  Hanya dengan sains hasil menuju ke human purpose itu sedikit lebih panjang. Tidak mudah segera terlihat. Sebaliknya tanpa theoretical science, yang praktis itu akhirnya akan kekeringan dan kehilangan makna.  Menerawang alam semesta melalui ayat-ayat kauniyah merupakan aksi mencoba mengerti ciptaan TUHAN, dari sana terpapar kebesaran TUHAN dan keinsyafan akan ketidak berartian manusia.


Download ppt "INDUKSI DAN DEDUKSI DALAM SAINS: Dari jarak Angstrom sampai tahun cahaya, Dari waktu Planck sampai milyar tahun FREDDY P. ZEN, M.Sc., D.Sc., THEORETICAL."

Presentasi serupa


Iklan oleh Google