ZENOSPHERE

science, philosophy, and cultural menagerie

Membundel, Memilah, dan Menguraikan Warna

Sewaktu masih sekolah dulu, kita belajar tentang proses terbentuknya pelangi. Seberkas sinar matahari melewati butiran air di udara; sinar itu lalu dibiaskan dan terurai jadi warna-warni yang menarik.

[img] rainbow at Falera

Contoh penampakan pelangi seusai hujan

(photo credit: Wikimedia Commons)

Peristiwa itu tak lepas dari sifat dasar sinar matahari, di mana di dalamnya terdapat seluruh frekuensi cahaya tampak. Mulai dari merah, jingga, kuning, hingga biru dan ungu. Berbagai frekuensi itu saling menjumlahkan — sedemikian hingga sinar matahari yang kita lihat berwarna putih. Well, sebenarnya putih kekuning-kuningan, tapi itu kita bahas nanti.😛

Sekarang saya mau cerita dulu tentang asal-mula sinar matahari.

Kita tahu bahwa matahari itu termasuk keluarga bintang. Adapun namanya bintang, warnanya bermacam-macam. Ada bintang merah, bintang biru; ada juga bintang coklat dan kuning. Otomatis timbul pertanyaan: mengapa sinar matahari harus berwarna putih?

Sebenarnya hal itu berhubungan dengan temperatur. Penjelasannya sendiri yang agak panjang — namun pada intinya, proses terbentuknya pelangi tak lepas dari temperatur matahari tersebut.

 
Bermula dari Hukum Planck
 

Bapak Max Planck, ahli fisika asal Jerman, adalah orang yang menyelidiki radiasi gelombang elektromagnet. Planck mengamati bahwa setiap benda pada dasarnya memancarkan radiasi, hanya kadarnya saja yang berbeda. Kadar pancaran radiasi itu ditentukan oleh temperatur benda yang bersangkutan.

Nah, termasuk dalam benda yang memancarkan radiasi itu adalah tubuh manusia.

Tubuh manusia pada umumnya mempunyai temperatur 36-37° C, oleh karena itu, dia juga memancarkan gelombang elektromagnet. Namun ditinjau secara fisika temperatur itu relatif kecil, tidak ada apa-apanya dibandingkan — misalnya — lahar gunung berapi atau tungku pabrik. Oleh karena itu radiasi yang terpancar juga kecil.

Saking kecilnya intensitas itu, gelombang yang terpancar dari tubuh manusia jadi tak kasat mata. Dia berada di wilayah inframerah. Hanya jika memakai detektor khusus maka dapat terlihat pancarannya.

[img] human IR scan

Contoh penerapan: heat detector menggunakan inframerah

(image credit: Wikimedia Commons)

Di sisi lain, ada juga radiasi yang kasat mata. Contoh radiasi elektromagnet yang kasat mata adalah logam yang dipanaskan. Seperti umum diketahui, warnanya akan berubah kemerahan. Proses itu pun terjadi mengikuti Hukum Planck. Sebuah logam yang memerah temperaturnya begitu tinggi — bisa mencapai ribuan derajat Celsius. Oleh karena itu radiasi elektromagnetnya sangat kuat dan mempunyai frekuensi cahaya tampak.

[img] hot iron

Logam yang dipanaskan hingga suhu tertentu akan mulai bersinar

(image adapted from Wikimedia Commons)

Lewat dua contoh di atas harusnya cukup jelas prinsip kerja Hukum Planck. Setiap benda yang mempunyai temperatur akan memancarkan gelombang elektromagnet. Baik itu yang skala kecil seperti badan manusia, hingga skala besar seperti bintang, semua mengikuti ketentuannya.

Temperatur yang berbeda menghasilkan radiasi yang berbeda. Secara grafik dapat kita tampilkan sebagai berikut (satuan menggunakan Kelvin).

[img] Hukum Planck / Radiasi Benda Hitam

Plot grafik Hukum Planck: spektrum cahaya tampak disertakan.

(image credit: University of Michigan)

Dalam gambar terlihat bahwa, pada suhu rendah, puncak radiasinya di luar spektrum cahaya tampak. Oleh karena itu radiasinya tak kasat mata.

Akan tetapi pada suhu yang tinggi — sebagai contoh 4000 K — kurvanya mulai masuk wilayah cahaya tampak. Sedemikian hingga radiasi bisa dilihat mata telanjang. Adapun contohnya sudah jelas: logam berpendar kemerahan yang fotonya sudah kita lihat.

Mengikuti kurva pada temperatur lainnya, jadi terlihat bahwa suhu yang berbeda menghasilkan warna radiasi berbeda. Dalam gambar di atas tidak tercantum, akan tetapi pada suhu 12000 K, radiasinya akan berwarna kebiru-biruan. Sebuah suhu yang tinggi menghasilkan warna yang eksotis pula.😮

Mengenai temperatur berapa menghasilkan warna apa, pembaca dapat melihat di tabel khusus tersendiri. Meskipun begitu, untuk memudahkan, berikut ini saya tampilkan lewat animasi.

[img] animasi radiasi

Animasi perubahan warna berdasarkan temperatur

(image credit: Wikimedia Commons)

 
Hubungannya dengan Matahari
 

Nah, prinsip Hukum Planck di atas lalu kita terapkan pada matahari. Kita tahu bahwa matahari menghasilkan panas, itu sudah jelas. Pertanyaannya sekarang: berapa temperatur matahari?

Untungnya topik itu sudah diteliti oleh NASA, jadi kita tinggal mengecek.😛 Berdasarkan data diketahui temperatur efektif matahari sebesar 5778 K. Maka dapat dicocokkan dengan tabel…

[img] radiasi 5778 K

Prediksi warna pancaran pada 5778 K: putih kekuning-kuningan

Di sini terlihat bahwa sinar matahari berwarna (hampir) putih. Warna putih itu timbul karena — mengikut Hukum Planck — radiasinya mencakup spektrum cahaya tampak. Akan tetapi kurva radiasi Hukum Planck tidak simetris, melainkan agak condong (lihat kembali plot grafik). Sebagai dampaknya sinar matahari tidak putih sempurna, melainkan ada sedikit kekuning-kuningan.

Namun demikian hal itu bisa diabaikan. Betul bahwa sinar matahari berwarna kekuningan, tetapi kita di sini tidak hendak strict. Maka supaya praktis kita anggap “sinar matahari berwarna putih”.

Nah, sekarang kita akan bahas tentang warna putih. Di awal sudah disebut bahwa warna putih mencakup berbagai frekuensi. Oleh karena itu putih dapat diibaratkan “bundel” yang merangkum banyak warna: termasuk di dalamnya merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, serta ungu.

 
Dispersi: Proses Memilah Warna
 

Namanya “bundel” tentu bisa dibuka dan dikeluarkan isinya. Demikian pula sinar matahari, dia dapat diuraikan jadi rangkaian multiwarna. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan prisma.

[img] dispersi dengan prisma

Cahaya putih diuraikan menggunakan prisma

(photo credit: Univ. of Tennessee Knoxville)

Prosesnya sendiri cukup familiar. Di bangku SMP kita belajar tentang indeks bias. Maksudnya seberapa jauh berkas cahaya akan berbelok sesudah memasuki materi. Apabila di udara indeks biasnya “X”, namun di dalam prisma indeks biasnya “Y”, maka cahaya harus berkompensasi melakukan pembelokan.

Akan tetapi terdapat masalah. Di sekolah dulu kita belajar pembiasan cahaya tunggal, tetapi sekarang, kita membahas cahaya putih. Cahaya ini mengandung banyak warna!😮 Lalu bagaimana solusinya?

Di sinilah kita perlu meluruskan satu hal. Bahwasanya indeks bias itu tidak sama untuk setiap frekuensi gelombang. Apabila frekuensi gelombang besar maka pembelokan juga akan besar. Oleh karena itu pembelokan yang dialami sinar merah tidak akan sama dengan — sebagai contoh — sinar biru.

Semakin besar frekuensi gelombang maka sudut pembiasannya jadi makin besar. Adapun gelombang merah frekuensinya paling kecil, maka sudut pembiasannya juga paling kecil. (lihat gambar)

Sebaliknya gelombang warna ungu, frekuensinya paling besar, maka sudut pembiasannya juga paling besar. Adapun warna-warna di antara mereka menyesuaikan dengan frekuensi masing-masing — sedemikian hingga terbentuk sebaran yang kontinu.

Di sinilah timbul efek pelangi. Karena tiap gelombang warna menyebar sendiri-sendiri, akan muncul rangkaian yang saling berdempet!😀

[img] hasil dispersi

Hasil dispersi sinar putih menggunakan prisma

(photo credit: Univ. of Tennessee Knoxville)

Dari yang tadinya sekadar warna putih, kini terbongkar jadi komponen-komponennya. Bagi orang yang tak paham barangkali terasa ajaib. Namun sebenarnya itu terjadi lewat serangkaian hukum fisika.

 
Dispersi di Lingkungan Alam: Titik Air
 

Nah, prinsip dispersi di atas juga berlangsung di lingkungan alam. Kita tahu, sesudah hujan turun, sering ada titik-titik air menggantung di udara. Titik-titik air itu dapat berperan layaknya prisma. Apabila sinar matahari lewat maka akan mengalami dispersi. Namun bentuk titik air agak bulat, maka detailnya jadi berbeda.

Seperti apa perbedaannya, bisa dilihat di bawah ini.

[img] dispersi air hujan

Ilustrasi dispersi oleh titik air

(image credit: Wikimedia Commons)

Dalam ilustrasi di atas, cahaya terurai di dalam air, namun sesudah terurai ternyata tidak dapat keluar. Oleh karena itu berkas pelanginya dipantulkan balik.

Menjadi seperti itu karena — meminjam istilah teknis — berkas cahaya dalam air menumbuk lebih besar dari sudut kritis. Oleh karena itu dia tidak dapat tembus. Alhasil mesti dipantulkan balik.

Adapun proses itu diperkuat oleh banyaknya titik air di udara. Namanya udara seusai hujan, banyak sekali titik airnya. Semua akan berperan membiaskan, memantulkan, dan mempengaruhi hasil dispersi. Peristiwa ini jelas tidak ideal. Oleh karena itulah, pelangi yang dihasilkan di alam tidak setajam hasil eksperimen dengan prisma.

Perbandingannya dapat dilihat sebagai berikut:

[img] perbandingan pelangi

(image adapted from: Wikimedia Commons)

Dengan demikian kita sudah tuntas membahas proses pembentukan pelangi. Ternyata di baliknya ada proses kompleks yang menarik!🙂

* * *

Nah, sekarang saya mau kembali ke awal tulisan.😛

Sesudah tuntas membahas pelangi, ada baiknya kita meninjau (lagi) foto yang terdapat di awal. Tentu saja gambarnya masih sama. Namun sekarang kita tahu proses di baliknya.

Di satu sisi hukum-hukum fisika yang terlibat cukup rumit, namun demikian, lewat pengetahuan itu kita mendapat konteks baru. Jika awalnya sekadar mengagumi, maka sekarang kita dapat lebih mengapresiasi foto yang sudah indah. Yang semacam ini sifatnya rada subtle.

[img] rainbow at Falera

(photo credit: Wikimedia Commons)

 
Penutup
 

Syahdan, pada tahun 1817, penyair John Keats pernah mengeluh (sambil bercanda) bahwa Isaac Newton itu menyebalkan. Disebut menyebalkan karena — menurut Keats — Newton mereduksi keindahan pelangi jadi rentetan rumus matematika yang ‘kering’.

Perlu diketahui bahwa itu masanya era Romantik, di mana seniman mengutamakan ekspresi diri penuh-emosi. Sementara Newton menghadirkan penjelasan tegas dan rasional yang — kalau boleh diumpamakan — “mengungkung gelora jiwa”.

Dalam salah satu karya Keats,

There was an awful rainbow once in heaven:
We know her woof, her texture; she is given
In the dull catalogue of common things.
Philosophy will clip an Angel’s wings,
Conquer all mysteries by rule and line,
Empty the haunted air, and gnomed mine—
Unweave a rainbow, as it erewhile made
The tender-person’d Lamia melt into a shade.

 
(John Keats, Lamia Part II“, 1820)

Saya sendiri cukup bisa memahami. Bahwasanya sering terkesan bahwa orang IPA itu killjoy. Alih-alih menikmati yang sudah indah dari sananya, orang IPA justru menambahi penjelasan yang mbulet dan kering. Akhirnya yang mendengar jadi hilang selera.

Masalahnya penilaian macam itu cenderung prematur. Betul bahwa — ada kalanya — penjelasan fisika itu killjoy, menghilangkan semua keromantisan. Analoginya: siapa sih yang senang candle light dinner sambil dikuliahi tentang api. 😆 Namun begitu sebenarnya analisis fisika mengantar pada keindahan yang lebih subtle.

Katakanlah soal pelangi yang sudah disebut. Bahwa di balik kemunculan pelangi itu ada serangkaian hukum fisika, dan bahwa hukum fisika itu dapat dipahami orang — justru itu membantu membumbui keindahannya. Ini lho prosesnya; ini lho logikanya. Apabila orang paham maka dia mendapat nilai lebih: di samping menikmati penampakan, dia juga mengerti mekanisme yang runtut dan logis. Pada akhirnya dua aspek itu saling melengkapi.

Adapun lewat IPA juga, kadang muncul hubungan baru yang tak disangka. Saya ingin me-review penjelasan kita di atas. Coba, ada hubungannya gitu antara suhu benda, cahaya, titik hujan, dan pelangi yang (katanya) romantis? Ada banget.:mrgreen:

Belajar IPA, pada akhirnya, tidak mesti dianggap kering. IPA juga bisa mencerahkan, kok. Justru dari situ bisa muncul perspektif keindahan yang baru yang segar.

“For we, which now behold these present days / Have eyes to wonder, but lack tongues to praise,” demikian Shakespeare menjelaskan keindahan. Kesan yang sama kadang hadir saat menikmati alam. Di mana prosa dan sastra susah menjelaskan, uraian fisika — dan matematika, kalau orangnya berminat — bisa jadi alat bantu yang pas untuk mengekspresikannya.

 

——

Referensi:

 
Beiser, A. (1995). Concepts of Modern Physics (6th ed.). New York: McGraw-Hill

Tipler, P.A. & Mosca, G. (2008). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). New York: W.H. Freeman & Co.

Posting komentar. Apabila tidak muncul, ada kemungkinan tersaring filter spam. Harap tunggu pemilik blog untuk mengecek dan melepaskan.

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: