Artikel ini membahas tentang cara kerja jam weker dari sudut pandang ilmu fisika, yaitu mekanika kuantum.
Halo sobat Zenius! Setiap pagi, siapa yang membangunkan kamu? Ada yang jawab dibangunkan orang tua, bangun sendiri karena panggilan alam, dan gak sedikit juga yang bangun karena alarm.
Kamu sadar gak sih kalau ternyata hampir setiap keseharian kamu berhubungan dengan ilmu fisika? Bahkan, dari mulai bangun tidur aja kamu udah pakai konsep fisika, salah satunya terletak pada jam weker. Pernah gak kamu berpikir kok bisa ya kita atur waktu, terus pas udah di waktu itu alarm bakal bunyi? Atau pertanyaan gimana sih cara bikin dan cara kerjanya alarm? Pertanyaan-pertanyaan seperti itu bisa dijawab menggunakan prinsip mekanika kuantum dalam fisika.
Daftar Isi
Apa Itu Mekanika Kuantum?
Kalau berbicara mengenai suatu ilmu tanpa ada gambaran seperti apa aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari menurutku agak susah diingat ya. Sama halnya ketika kita belajar materi fisika, contohnya mekanika kuantum. Kalau hanya belajar di kelas tentang teori atom dan berbagai rumus persamaannya, beberapa hari kemudian kalau gak dipelajari lagi juga aku pasti bakal lupa. Tapi, lain ceritanya ketika teori atau rumus yang dipelajari di kelas ternyata sangat berdampak dan berhubungan langsung dengan keseharian. Contohnya ketika aku bangun pagi karena suara alarm, aku bakal ingat kalau “Oh, jam weker menggunakan prinsip mekanika kuantum lho”. Dari situ aku bakal lebih mudah memahami teori mekanika kuantum itu sendiri. Kamu mengalami hal yang sama gak sih?
Sebelumnya, aku udah pernah membahas tentang mekanika kuantum secara spesifik seperti pendapat ahli, model atom, dan detil lainnya di >> Kupas Tuntas Materi Mekanika Kuantum. Jadi, di artikel ini aku hanya akan membahas secara singkat yang berhubungan dengan topik kali ini.
Kalau dilihat secara garis besar, mekanika kuantum adalah teori dasar fisika yang mempelajari partikel dan cahaya dalam skala atom dan partikel sub-atom. Kata ‘kuantum’ berasal dari bahasa Latin yang artinya ‘seberapa besar’ atau ‘seberapa banyak’. Teori ini berkembang selama beberapa dekade, dimulai pada akhir tahun 1890-1900an ketika fisikawan Jerman bernama Max Planck menganalisis tentang bagaimana mendapatkan cahaya lampu yang lebih efisien, yaitu ketika mendapatkan cahaya yang maksimum, tapi menggunakan energi listrik minimum. Dari percobaan tersebut, Planck menemukan bahwa cahaya termasuk dalam gelombang dan partikel. Ia juga memperkenalkan bahwa energi akan teradiasi dan terserap dalam diskrit yang disebut ‘kuanta’. Menurut Planck, tiap elemen energi berbanding lurus dengan frekuensinya, yang kemudian dikenal dengan ‘konstanta Planck’:
E = hv
dengan E (energi), h (konstanta Planck), dan v (frekuensi).
Kemudian, pada tahun 1905, dilansir dari Ensiklopedia Britannica, Einstein memperluas hipotesis Planck dengan menjelaskan efek fotolistrik. Ia menunjukkan bahwa seberkas cahaya bukan sebagai gelombang dengan frekuensi tertentu, melainkan sebagai aliran partikel 一selanjutnya disebut ‘foton’一 yang masing-masing membawa sejumlah kecil energi.
Dari situlah, selanjutnya dasar-dasar mekanika kuantum terus berkembang selama pertengahan awal abad ke-20 oleh Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Erwin Schrodinger, dll.
Kesimpulannya, mekanika kuantum merupakan dasar bagi cabang ilmu fisika dan kimia, seperti fisika atom, fisika dan kimia komputasi, fisika partikel, kimia kuantum, fisika dan kimia nuklir. Teori ini sangat penting untuk menjelaskan suatu sistem atau partikel pada skala atom atau yang lebih kecil lagi.
Jam Mengubah Peradaban Dunia
Semua teknologi telah mengubah kehidupan kita, dari yang awalnya serba manual, sulit, kuno, dll. Kini berkat teknologi semua hal menjadi lebih mudah. Gak hanya teknologi seperti kendaraan, televisi, komputer, dan handphone, melainkan juga jam yang telah mengubah kehidupan manusia, khususnya jam mekanis.
Seorang filsuf bernama Lewis Mumford, dalam bukunya yang berjudul Technics and Civilization pada tahun 1934, telah mengemukakan suatu argumen yang menarik bahwa jam bukanlah mesin uap, dan jam adalah mesin kunci dari zaman industri modern. Jam mekanis memungkinkan adanya sinkronisasi atau keseragaman aktivitas manusia modern. Coba sekarang kita renungi, jam gak hanya menyeragamkan aktivitas manusia, melainkan juga memisahkannya dari pola organik kehidupan.
Maksudnya gimana? Dengan adanya jam, maka waktu terlihat sangat jelas. Ia mengatur waktu dari matahari terbit hingga terbenam. Fungsi organik juga diatur oleh jam, di mana ketika seseorang tidur itu belum tentu karena ia lelah, melainkan karena jam sudah menunjukkan tengah malam. Kalau tidur melebihi waktu pada umumnya, maka dianggap begadang. Sebaliknya, kalau tidur sebelum waktu pada umumnya, maka dianggap tidur lebih awal. Kita juga bangun tidur karena kita telah mengatur alarm hingga akhirnya terbangun. Berangkat sekolah, kuliah, atau kerja juga sudah ada waktu dan ritmenya tersendiri, Begitu halnya ketika makan, di mana aktivitas makan gak hanya dilakukan ketika tubuh merasa lapar, tetapi karena sudah tiba waktu sarapan, makan siang, dan makan malam.
Dari ilustrasi di atas, bisa kita renungkan bahwa jam dan ritmenya telah meresap ke dalam kehidupan kita. Apakah kemunculan jam yang telah memisahkan kita dari pola organik kehidupan merupakan hal yang buruk? Gak juga. Banyak keuntungan yang kita dapatkan dengan adanya jam, termasuk jam weker. Meskipun, setiap keuntungan pasti ada kerugian. Tapi, setidaknya kita harus bisa memanfaatkan teknologi modern yang satu ini dengan bijaksana ya, guys.
Sejarah Jam Weker
Nah, terkait dengan jam weker, maka kita hanya akan fokus membahas tentang benda yang dengan setia membangunkan kita setiap pagi hari. Jenis jam yang satu ini dirancang untuk memberi peringatan kepada individu atau kelompok pada waktu tertentu. Misalnya peringatan bangun pagi, kegiatan penting, atau hari istimewa. Cara memperingatinya simpel, yaitu menggunakan suara, cahaya, atau hanya berupa getaran. Seiring berjalannya waktu, jam weker terus mengalami perkembangan dan inovasi. Lalu, sejak kapan sih ada jam seperti ini? Siapa ya yang menemukan benda super duper bermanfaat ini?
Sebelum ada jam alarm, bangsa Yunani dan Mesir Kuno membuat jam bayangan matahari. Cara kerja jam ini yaitu menggunakan sebuah tiang yang dipasang, kemudian bayangan akan muncul mengikuti arah gerakan matahari. Seiring berjalannya waktu, muncul juga jenis jam lainnya, seperti jam air (clepsydra) dan jam pasir. Cara kerja kedua jam tersebut sesuai dengan namanya, di mana jam air mengandalkan pergerakan air kemudian mengukurnya, dan jam pasir mengandalkan pergerakan pasir yang turun ke bawah.
Penemuan selanjutnya ada jam lilin. Metode ini menggunakan lilin yang dibakar pada piringan logam. Bangsa Tiongkok Kuno menciptakan jam ini untuk mengindikasi waktu. Paku-paku ditancapkan di lilin dengan jarak yang telah ditetapkan berdasarkan waktu yang beredar. Ketika lilin meleleh, maka paku satu per satu akan jatuh ke piringan logam, sehingga akan menimbulkan suara sebagai penanda waktu.
Pada ke-14, beberapa menara jam di Eropa akan berdentang setiap waktu. Ia berdentang karena ada pemberat yang membunyikan lonceng (biasanya kita kenal sebagai jam antik). Contohnya menara jam yang ada di St Mark Clocktower di St Mark Square, Venice, oleh pembuat jam terkenal bernama Gian Carlo Rainieri pada tahun 1493. Nah, yang menarik dari sejarah jam alarm ada di abad ke-18, di mana ada suatu pekerjaan yang bernama knocker upper atau orang yang bertugas mengetuk jendela lantai atas rumah orang-orang sampai mereka bangun menggunakan tongkat panjang.
Hingga akhirnya, dilansir dari ThoughtCo, alarm mekanis pertama ditemukan oleh seorang pria asal Amerika Serikat bernama Levi Hutchins yang hanya bisa berdering pada pukul 4:00 pagi. Tapi, hasil temuannya tersebut gak pernah dipatenkan sampai 100 tahun kemudian, tepatnya pada tahun 1876 oleh Seth E. Thomas yang bisa diatur jamnya kapan saja.
Nah, kita sebagai generasi yang menikmati hasil temuan para ilmuwan terdahulu harus banyak bersyukur dengan kemudahan teknologi saat ini. Kita juga harus bisa memanfaatkan hasil temuan mereka secara bijaksana. Termasuk bangun tepat waktu ketika alarm bunyi, dan gak tidur lagi. Hihihi.
Cara Kerja Jam Weker
Lalu, bagaimana hubungan antara jam weker dan ilmu fisika mekanika kuantum? Oke, mari kita bahas secara detil dan dengan uraian yang mudah dimengerti untuk bagian ini (supaya kamu makin sayang dan cinta sama fisika).
Untuk awalan, kita bisa menyebutkan kalau jam weker secara garis besar memanfaatkan osilasi cahaya yang membuat kita tau kalau waktu berlalu secara periodik tanpa ada bagian mekanis yang bergerak berantakan. Osilasi sendiri merupakan semacam gerakan bolak-balik atau ayunan suatu benda secara periodik/berkala pada selang waktu yang tetap. Kedua, karena sifat kuantum atom yang memungkinkan alarm untuk menghasilkan cahaya dengan frekuensi mutlak dan tegas yang ditentukan oleh hukum fisika. Sampai sini mudah dipahami gak? Kalau belum paham, gak apa-apa, ikuti alurnya dulu sampai akhirnya kamu paham. Next.
Osilasi Atom Cesium-133
Dilansir dari Forbes, dalam sistem satuan internasional (SI), satu detik sama dengan 9.192.631.770 osilasi cahaya yang diserap dan dipancarkan oleh transisi tertentu dalam atom cesium (Caesium) 一unsur kimia dengan simbol Cs dan nomor atom 55, termasuk logam alkali. Sekadar informasi, atom cesium dengan isotop 133 ini digunakan pada jam atom sebagai patokan standardisasi waktu secara internasional. Dengan menggunakan jam atom, maka semua jam di seluruh dunia, termasuk Indonesia akan seragam dan akurat, meskipun selisih waktu antar negara berbeda-beda berdasarkan letak geografisnya.
“1 detik adalah waktu yang diperlukan atom cesium-133 untuk bergetar sebanyak 9.192.631.770 kali”
Prinsip dari jam atom ini bukan didasarkan pada fisika nuklir lho, melainkan lebih kepada fisika atom. Kalau kita ulik penjelasan dari LIPI (Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia), di dalam jam atom, osilasi atau variasi pengulangannya lebih akurat dibandingkan dengan jam konvensional. Keakuratan jam atom bisa dilihat dari tingkat kesalahannya yang diperkirakan hanya 1 detik setiap periode 1 juta tahun. Wow! Tapiiiii, dalam penggunaanya memang gak secara langsung menggunakan fisika kuantum ya, guys. Jam alarm tetap membutuhkan baterai atau jaringan tenaga listrik lainnya. Apapun jenis pembangkit listriknya, semuanya tetap harus berosilasi pada frekuensi yang sama supaya lebih efisien alias hemat energi.
LED (Light Emitting Diodes)
Selain osilasi dari atom cesium, bukti selanjutnya kalau jam weker menggunakan prinsip mekanika kuantum adalah adanya LED. Ada jenis alarm digital yang layarnya menggunakan cahaya seperti warna merah. Udah aku singgung juga di awal kalau LED termasuk salah satu aplikasi dari mekanika kuantum.
LED terbuat dari dua lapisan kristal yang saling menempel erat dengan komposisi kimia yang tepat. Seperti tujuan awal Planck yang menginginkan suatu energi bekerja lebih efisien, begitu juga dengan LED yang menggunakan lebih sedikit listrik dan gak menghasilkan banyak panas. LED gak mendapatkan warna dari tingkat energi atom tertentu, melainkan dari kumpulan besar atom dalam bongkahan semikonduktor padat dan akan bertahan selama transistor standar. Oh iya, kamu tau gak dioda itu apa? Dioda adalah komponen listrik yang memungkinkan arus listrik hanya mengalir secara satu arah.
Gimana caranya supaya dioda pada LED menghasilkan cahaya? Dilansir dari howstuffworks, Cahaya sendiri merupakan salah satu bentuk energi yang bisa dilepaskan oleh atom. Ada banyak sekali partikel berenergi yang disebut foton. Nah, foton-foton tersebut akan dilepaskan akibat adanya elektron yang bergerak. Masih ingat materi mekanika kuantum? Elektron bergerak di dalam orbital sekitar inti, dan elektron dari masing-masing orbital memiliki jumlah energi yang berbeda. Ketika elektron-elektron yang membentuk arus listrik melompat dari orbital yang tinggi ke yang lebih rendah, maka akan menghasilkan cahaya.
Ketika hubungan antara kedua poin di atas 一osilasi atom cesium dan LED一 berjalan dengan baik, maka frekuensi atom cesium akan menjadi sinyal yang nantinya memberitahu LED untuk hidup dan mati sesuai dengan waktu yang telah ditentukan. Ketika kamu mengatur jam weker untuk berdering pukul 5:00 pagi, maka atom cesium akan bekerja dan akan memberi sinyal, sehingga LED akan menyala dan berdering pada pukul 5:00 pagi.
Jadi, siapa yang sebelumnya bingung sama teori mekanika kuantum, dan setelah baca artikel ini menjadi lebih paham? Yap, sama kok, aku juga gitu, ketika aku tau aplikasi dari suatu ilmu atau teori ilmu pengetahuan, aku bakal lebih ngerti dan pasti bakal ingat terus.
*****
Punya topik menarik lainnya tapi belum tau kebenaran dan mau tau lebih dalam? Kasih tau Zenius di kolom komentar supaya kami bisa menjawab rasa keingintahuanmu ya! Suka sama topik pembahasan seperti di artikel ini? Zenius punya berbagai topik menarik lainnya di blog dan bagi yang lebih suka video bisa langsung tonton beragam animasi menariknya secara gratis di ZenXplore hanya di Aplikasi Zenius.
DOWNLOAD SEKARANG JUGA (ANDROID)
DOWNLOAD SEKARANG JUGA (APPLE)
Referensi:
Lattier, Daniel. 2016. How the Clock Changed the World. Diakses pada 19 Juli 2021 pada laman https://www.intellectualtakeout.org/blog/how-clock-changed-world/
Tom Harris, Chris Pollete & Wesley Fenlon. 2021 (update). How Light Emitting Diodes (LEDs) Work. Diakses pada 12 Juli 2021 pada laman https://electronics.howstuffworks.com/led.htm
Pinandito, Mego. 2017. Jam Atom dan Manfaat Standardisasi Waktu. Diakses pada 12 Juli 2021 pada laman http://lipi.go.id/lipimedia/single/Jam-atom-dan-manfaat-standardisasi-waktu/18351
Bellis, Mary. 2019. The Development of Clocks and Watches Over Time. Diakses pada 12 Juli 2021 pada laman http://lipi.go.id/lipimedia/single/Jam-atom-dan-manfaat-standardisasi-waktu/18351
Squires, Gordin Leslie. 2021 (update). Quantum Mechanics. Diakses pada 12 Juli 2021 pada laman https://www.britannica.com/science/quantum-mechanics-physics
Orzel, Chad. 2015. How Your Morning Starts with Quantum Physics. Diakses pada 12 Juli 2021 pada laman https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2015/04/15/how-your-morning-starts-with-quantum-physics/
Wikipedia. 2021 (update). Alarm Clock. Diakses pada 12 Juli 2021 pada laman https://en.wikipedia.org/wiki/Alarm_clock
waw ternyata aku tidak sadar terimakasih atas penyadarannya!