Gerak Brown serta Fenomena Keteracakan

Zaman dahulu para filsuf yakin bahwa semua benda yang ada di alam semesta tersusun atas sejumlah partikel kecil yang tidak dapat dibagi lagi disebut “monads”. Setiap benda di alam ini mengandung jumlah partikel yang berbeda. Masa kini pemahaman tentang hal tersebut menjadi konsep tentang atom.

Lucretius yang merupakan filsuf dari Romawi telah menyebutkan di dalam bukunya yaitu On The Nature of Things. Ia menyebutkan bahwa debu-debu yang saat ini beterbangan, biasa kita lihat saat matahari bersinar dengan cerah. Dengan hembusan itu tidak terlihat dari atom-atom penyusun debu. Hal ini berbeda dengan konsep fisika pada zaman sekarang, dan mungkin banyak yang tidak setuju. Pemahaman itu bahwa debu-debu tersebut bisa “menari” akibat terjadinya arus udara yang dapat menggerakan partikel debu itu.

Tetapi apakah ide/teori Lucretuis sepenuhnya salah? perlu kajian lebih dalam untuk memecahkan semua ini. Idenya tersebut mungkin saja benar tidak dapat dipergunakan dalam menjelaskan debu yang beterbangan. Tetapi terdapat fenomena menarik di awal abad ke-19 sampai abad ke-20 yang membuat para ilmuan tidak bisa menjelaskan dengan konsep atom. Fenomena tersebut bahkan menjadi bukti sendiri bahwa atom itu benar adanya.

Ahli Botani bernama Robert Brown pada tahun 1827 mampu mengamati dengan mikroskop, terlihat pergerakan menarik serbuk bunga terlarut dalam suatu cairan. Pada awalnya ia mengira bahwa partikel yang ada di serbuk bunga yang menyebabkan gerakan pastilah hidup. Tetapi ketika serbuknya diganti dengan serbuk lainya yang mati, ia tetap mendapatkan gerakan yang sama persis.

Dari hasil itu maka Brown telah menemukan beberapa fakta menarik terhadap sifat gerakan partikel dalam cairan tersebut yaitu:

1. Partikel bergerak tidak pernah berhenti
2. Gerakan partikel tidak tergantung pada sifat hidup/mati dari medium penampungannya
3. Semua partikel bergerak dengan sangat acak, bahkan dua partikel yang sangat berdekatan tampak independen
4. Gerakan akan semakin aktif jika partikel semakin kecil atau temperature sekamin besar atau juga carian semakin encer.

Meski Brown menemukan factor yang penting dan sangat mempengaruhi gerakan pertikel itu, tetapi ia tak mengetahui mengapa gerakan partikel berkelakuan seperti itu. Sebelum penelitian Brown, ilmuan lainya yaitu Jan Ingenhousz berasal dari Belanda pernah juga mengamati gerakan serupa. Sekitar tahun 1785 Ia pernah mengamati hal serupa pada partikel yang ditempatkan di atas alcohol. Namun saai itu Ingenhouse belum menemukan factor penting yang mempengaruhi gerakan partikel. Oleh sebab itu gerakan yang acak tersebut dikenal dengan gerakan Brown demi untuk menghargai kontribusi besar Brown.

Penjelasan menenai gerak Brown ini secara sistematis pertama kali dirumuskan oleh astronom Denmark bernama Thorvald Thiele tahun 1880. Lalu tahun 1900 seorang matematikawan Prancis bernama Louis Bachelier menuliskan tesis doktornya dengan judul “Teori Spekulasi” yang menjadi analisa matematis pertama pasar stok. Bachelier juga menyinggung tentang persoalan gerak Brown yang dikaitkan dengan permodelan pasar yang acak.

Yang menjadi masalah pada waktu itu adalah, para ilmuan tetap tidak bisa menemukan keterkaitan antara matematis. Dilihat dengan konsep keteracakan dari sumber penyebab gerak Brown, karena sumber gerak Brown ini masih belum diketahui. Semua permasalahan tersebut akhirnya terpecahkan oleh Albert Einstein di tahun 1905 dalam 3 makalah buatanya. Akhirnya Einstein menyadari bahwa pergerakan acak dari partikel serbuk bunga yang tercampur di dalam cairan. Terjadinya hal itu karena tumbukan antar partikel serbuk (dapat dilihat di mikroskop) dengan molekul cairannya (tidak dapat terlihat karna terlalu kecil).

Penjelasanya bisa kita bayangkan untuk ukuran partikel serbuk kira-kira 1 mikrometer. Anggap partikel kali ini terapung di dalam sebuah kolam yang tengah terisi penuh dengan air. Satu molekul dari air ukuranya kira-kira 1 angstrom, sekitar 10.000 kali lebih kecil dari ukuran partikel serbuk. Bayangkan partikel serbuk diibaratkan seberti balon besar yang kemuadian terdesak oleh molekul-molekul air dari berbagai arah. Kemudian gerak brown bisa terjadi karena ketidakseimbangan gaya yang telah dihasilkan oleh molekul cairan. Molekul cairan yang kecil terhadap partikel serbuk yang ukurannya lebih besar.

Einstein dengan teorinya bahkan dapat menghitung berapa jumlah molekul cairan yang tidak terlihat. Molekul cairan menumbuk partikel serbuk dan juga seberapa cepat molekul cairan itu bergerak. Semuanya itu bisa dihitung menggunakan informasi dari gerak acak partikel serbuk yang bisa dilihat. Penelitian Einstein bersama ilmuwan asal Polandia bernama Marian Smoluchowski tahun 1906 menjadikan solusi terhadap penjelasan mengenaik gerak Brown hingga diterima sampai saat ini. Gerak Brown ini bisa menjadi bukti tidak langsung dari kebenaran atom atau molekul. Berbekal dengan pemahaman gerak Brown dan konsep matematika gerak acak, ilmuan Prancis Jean Perrin mengemukakan. Ia menghitung ukuran atom dan juga memprediksi bilangan avgadro dengan cukup akurat.

Penelitian mengenaik gerak Brown ini menjadi awal dimulainya konsep matematis atau keteracakan dan juga probabilitas. Dalam kisah Gerak Brown tersebut tampak jelas bahwa konsep matematika baru dapat lahir dan juga menjelaskan suatu fenomena yang spesifik. Dari penelitian itu kemudian dikembangkan ke bidang lain yang lebih luas pengaplikasianya.