https://amsterdam.ninkilim.com/articles/light_energy_information_life/id.html
Sedikit konsep yang membawa beban simbolis sebesar cahaya sepanjang sejarah manusia. Jauh sebelum kita bisa mengukur panjang gelombangnya atau menghitung energinya, manusia merasakan bahwa cahaya lebih dari sekadar fenomena fisik – ia adalah metafora untuk kehidupan itu sendiri.
Dalam Alkitab Ibrani, penciptaan dimulai dengan kata-kata: “Jadilah terang.” Dalam Al-Qur’an, Allah digambarkan sebagai “Cahaya langit dan bumi.” Dalam Buddhisme, pencerahan adalah keadaan terbangun menuju kebenaran. Di berbagai tradisi, cahaya adalah manifestasi dari keilahian, kemurnian, dan kebijaksanaan. Kegelapan, sebaliknya, adalah ketidaktahuan, kejahatan, atau kekacauan.
Bahasa kita mempertahankan metafora ini. Kita “menyoroti” suatu masalah, “melihat cahaya” ketika kita memahami, dan menyebut seseorang “cemerlang” ketika mereka menginspirasi. Pengetahuan adalah cahaya yang mengusir bayang-bayang ketidaktahuan.
Jauh sebelum agama-agama kontemporer, budaya di seluruh dunia memperingati titik balik musim dingin – hari terpendek, ketika kegelapan mencapai puncaknya dan cahaya mulai kembali. Bagi masyarakat awal, yang bergantung pada matahari untuk kehangatan dan panen, titik balik adalah titik balik kelangsungan hidup dan harapan. Api, pesta, dan ritual merayakan kelahiran kembali cahaya. Tradisi ini kemudian dijalin ke dalam Kekristenan sebagai Natal, namun simbolisme yang lebih dalam tetap ada: pembaruan kehidupan melalui kembalinya matahari. Bahkan hingga hari ini, perayaan titik balik mengingatkan kita akan tempat sentral cahaya dalam budaya manusia.
Oleh karena itu, cahaya selalu lebih dari sekadar foton bagi kita: ia adalah energi, informasi, dan kehidupan – baik dalam arti material maupun spiritual.
Setelah hidup dengan metaforanya selama ribuan tahun, manusia akhirnya beralih ke ilmu pengetahuan untuk bertanya: dari apa sebenarnya cahaya terbuat?
Sebuah foton dapat dianggap sebagai antena mikroskopis atau sirkuit resonansi yang terdiri dari induktansi dan kapasitansi – tetapi tanpa bagian fisik. Ia ada dan menyebar dengan terus-menerus mengubah energi listrik menjadi energi magnetik dan kembali lagi, osilasi yang mandiri yang memungkinkan cahaya bergerak melalui ruang.
Namun, foton tidak terbatas pada pita sempit warna yang terlihat oleh mata kita. Mereka mencakup rentang yang sangat luas, dari gelombang radio yang lebih panjang dari gedung pencakar langit hingga sinar gamma yang lebih kecil dari inti atom. Di seluruh spektrum ini, mereka membentuk alam semesta, menopang kehidupan, dan memberi daya pada peradaban manusia.
Setiap foton dapat dijelaskan dengan tiga cara yang saling terkait:
Ketiga aspek ini terhubung oleh kecepatan cahaya: c = λν. Panjang gelombang yang lebih panjang berarti frekuensi lebih rendah dan energi lebih kecil, sedangkan panjang gelombang yang lebih pendek membawa frekuensi lebih tinggi dan energi lebih besar. Rentangnya sangat menakjubkan:
Spektrum ini menunjukkan bagaimana kuantum yang sama – foton – mengekspresikan dirinya secara berbeda pada skala yang berbeda.
Proses fisik yang berbeda menghasilkan wilayah spektrum yang berbeda:
Dengan cara ini, foton muncul dari antena, atom, dan inti, menyatukan alam semesta fisik.
Karena energi foton sebanding dengan frekuensi (E = hν), foton frekuensi radio memiliki energi yang sangat kecil – triliunan kali lebih kecil daripada foton tampak atau gamma. Akibatnya, antena tidak memancarkan satu foton pada satu waktu dengan cara yang mudah dideteksi. Sebaliknya, mereka melepaskan jumlah besar foton secara bersamaan.
Sebuah antena penyiaran tunggal dapat memancarkan sekitar 10²⁰ hingga 10²⁵ foton radio setiap detik. Bagi penerima – atau bagi intuisi kita – ini terlihat seperti gelombang yang mulus dan kontinu. Kuantisasi masih ada, tetapi tersembunyi di balik kelimpahan yang luar biasa.
Sebaliknya, foton berenergi tinggi seperti ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma membawa energi yang cukup secara individual untuk dideteksi satu per satu. Sifat partikelnya jelas, itulah sebabnya penjelasan Einstein tentang efek fotolistrik berfokus pada cahaya ultraviolet, bukan radio.
Perbedaan dalam persepsi ini adalah salah satu alasan mengapa debat gelombang-partikel berlangsung begitu lama.
Pemahaman kita tentang foton telah berkembang selama berabad-abad melalui debat dan penemuan.
Feynman tidak menemukan foton, tetapi ia memberi kita pemahaman paling lengkap dan akurat tentang mereka, menyatukan berabad-abad teori yang saling bertentangan ke dalam satu kerangka yang koheren.
Selain frekuensi, foton memiliki sifat lain: polarisasi.
Karena medan listrik foton harus selalu berosilasi tegak lurus terhadap arah perjalanannya, ia dapat berorientasi pada sudut apa pun dalam bidang transversal tersebut. Bayangkan sebuah foton bergerak maju: medannya dapat berosilasi secara vertikal, horizontal, atau di mana saja di antaranya. Ini adalah polarisasi.
Salah satu konsekuensi polarisasi yang paling dikenal adalah silau. Ketika cahaya memantul dari permukaan datar dan horizontal seperti air, kaca, atau aspal basah, foton yang dipantulkan tidak berorientasi secara acak. Fisika pantulan mendukung cahaya terpolarisasi horizontal, karena elektron di permukaan memancarkan kembali komponen medan listrik yang terletak sepanjang bidang dengan lebih efisien.
Inilah mengapa kacamata terpolarisasi bekerja dengan sangat baik: mereka mengandung polarisator vertikal yang memblokir foton terpolarisasi horizontal sambil membiarkan yang vertikal lewat. Akibatnya, silau dari jalan, danau, dan kaca depan sangat berkurang.
Pada masa-masa awal mobil, para insinyur bahkan mengeksplorasi ide yang lebih besar: bagaimana jika polarisasi bisa dibangun ke dalam mobil itu sendiri? Usulannya adalah membuat semua lampu depan terpolarisasi vertikal, sambil melengkapi semua kaca depan dengan polarisator horizontal. Hasilnya adalah lampu depan dari mobil yang datang dari arah berlawanan akan otomatis tersaring, melindungi pengemudi dari silau. Konsep ini cerdas dan elegan, tetapi terlalu mahal untuk produksi massal pada saat itu. Ide ini ditinggalkan – meninggalkan kacamata hitam sebagai solusi yang lebih praktis untuk masalah yang sama.
Polarisasi juga bisa lebih eksotis. Jika medan listrik foton memiliki komponen vertikal dan horizontal, dan komponen-komponen tersebut berosilasi tidak sefase sebesar seperempat siklus, hasilnya adalah polarisasi sirkular. Medan tidak lagi berayun bolak-balik pada satu garis, tetapi menggambar heliks, berputar di sekitar sumbu perjalanan – tarian samping yang terus-menerus daripada osilasi sederhana.
Analogi dengan antena dipol masih berlaku: seperti antena dipol memiliki titik buta di sepanjang sumbunya, foton tidak pernah mengarahkan medan listriknya sepanjang jalurnya. Mereka tetap transversal, selalu berputar di sekitar arah geraknya.
Pada tingkat kuantum, foton dipancarkan dalam lompatan tiba-tiba.
Keadaan tereksitasi dapat bertahan selama nanodetik atau jam, tergantung pada sistem, tetapi ketika emisi terjadi, itu instan – lompatan kuantum sejati, tanpa keadaan setengah jadi dan tanpa foton parsial.
Ini adalah mekanisme universal dimana foton lahir.
Salah satu kemenangan terbesar manusia dalam memanfaatkan foton adalah laser.
Sebuah laser dimulai dengan cadangan atom yang dipertahankan dalam keadaan tereksitasi. Inversi populasi ini diciptakan dengan memompa energi ke dalam medium – menggunakan pelepasan listrik, laser lain, atau reaksi kimia.
Atom-atom tereksitasi terperangkap di antara dua cermin: satu sepenuhnya reflektif, yang lain sebagian transparan. Jarak antara cermin disesuaikan untuk mencocokkan panjang gelombang foton. Hanya foton yang beresonansi yang bertahan dari pantulan berulang; yang lain saling membatalkan.
Pada awalnya, emisi bersifat acak. Kemudian satu foton dipancarkan secara spontan sepanjang sumbu rongga. Foton ini menjadi pilot, seperti percikan pemimpin dari sambaran petir. Medan listriknya menentukan orientasi dan fase untuk semua emisi terstimulasi berikutnya. Atom-atom tetangga melepaskan foton yang merupakan salinan persis – frekuensi sama, fase sama, polarisasi sama.
Saat pilot berkembang biak, foton memantul bolak-balik, saling memperkuat. Ketika intensitasnya cukup tinggi, aliran foton keluar melalui cermin semi-transparan.
Hasilnya adalah cahaya laser:
Berbeda dengan cahaya campur aduk dan acak dari bohlam, laser adalah pasukan foton yang disiplin yang berbaris serentak.
Foton bukan hanya keajaiban fisika – mereka adalah fondasi alam semesta.
Setiap napas oksigen, setiap makanan, setiap panggilan telepon, setiap email bergantung pada foton.
Foton adalah kuantum dari medan elektromagnetik, mencakup spektrum yang memberi daya pada bintang, menopang kehidupan, dan memungkinkan teknologi. Mereka membingungkan generasi ilmuwan karena mereka menentang kategori gelombang atau partikel.
Kisah foton dimulai dengan partikel Newton dan gelombang Huygens, tumbuh dengan persamaan Maxwell, dipertajam oleh efek fotolistrik Einstein, dan akhirnya menemukan ekspresi paling jelas dalam analogi jam tangan Richard Feynman dan matematika QED.
Dari sinyal kapal selam hingga ledakan sinar gamma, dari antena ke atom hingga inti, dari kacamata hitam hingga laser, foton ada di sana. Dan melalui wawasan Feynman, kita akhirnya melihat mereka dengan jelas – bukan hanya sebagai gelombang atau partikel, tetapi sebagai kuantum universal cahaya.