Cahaya Yang Menakjubkan, Sungguh Indah Rancangan-Nya

Cahaya merupakan perambatan gelombang elektromagnetik yang dapat dilihat langsung oleh mata manusia, karenanya cahaya seperti ini disebut sebagai cahaya tampak. Sebagian “cahaya” yang lain tidak dapat dilihat oleh mata biasa, seperti cahaya inframerah dan cahaya ultraviolet. Cahaya timbul karena pelepasan foton akibat proses fisika maupun kimia. Sebuah partikel terkecil cahaya (foton) yang kecepatannya berubah akan memancarkan energi cahaya, yang termasuk dalam gelombang elektromagnetik.

Cahaya di pagi hari (Sumber: pxhere.com )

Energi cahaya matahari berasal dari reaksi fusi di matahari, dan merupakan salah satu unsur paling penting dalam kehidupan kita. Manfaat cahaya matahari bukan hanya sebagai penerang aktivitas kehidupan di bumi pada siang hari, namun fungsi dan manfaatnya jauh lebih penting dari itu. Tumbuhan dan hewan yang sangat diperlukan oleh manusia untuk kelangsungan hidupnya, juga sangat memerlukan energi dari matahari. Tumbuhan memerlukan cahaya matahari untuk proses fotosintesis dalam daun. Tanpa energi tersebut, daun tidak mungkin dapat hidup dan berkembang, sebab energi matahari laksana bensin bagi daun. Tumbuh-tumbuhan di dunia ini menghasilkan makanan dasar bagi semua makhluk hidup. Setiap makhluk hidup pada akhirnya mendapatkan glukosa dengan berbagai cara. Binatang pemakan tumbuhan mendapatkan energi langsung dari tumbuhan dengan memakannya, dan binatang pemakan daging memakan binatang lain yang memperoleh energinya dari tumbuhan. Manusia tidak terkecuali. Energi yang kita peroleh dihasilkan dari makanan yang kita makan, dan berasal dari sumber yang sama, yakni matahari. Apel, kentang, coklat, dading, ikan atau apa pun yang kita makan akan memberikan energi bagi tubuh yang berasal dari matahari (Ishaq, 2006).

Selain untuk memproduksi makanan, fotosintesis juga sangat penting untuk alasan lain. Reaksi ini menghasilkan dua produk. Di samping glukosa, reaksi ini juga melepaskan enam molekul oksigen. Oksigen tentu saja sangat diperlukan makhluk hidup seperti hewan dan manusia. Dengan demikian, tanpa fotosintesis, kehidupan tumbuh-tumbuhan tidak akan ada dan tanpa kehidupan tumbuh-tumbuhan, maka tidak akan ada kehidupan binatang dan manusia.

Reaksi kimia yang mengagumkan pada daun ini dikenal dengan Artificial Photosinthesis. Laboratorium canggih di alam tersebut terjadi juga pada rerumputan yang setiap hari kita injak dan tidak kita pedulikan. Juga pada pepohonan yang mungkin tidak pernah kita tengok sedikitpun. Kita justru lebih kagum pada gedung-gedung tinggi, namun melupakan mesin hebat bernama tumbuhan di sekeliling kita. Proses canggih ini, juga terjadi pada makanan berupa sayuran, buah-buahan, atau masakan daging di atas piring makan kita. Saat kita makan, ingatlah bahwa energi pada makanan yang kita santap berasal dari energi matahari yang telah dirancang, dipilih dan diatur oleh Allah SWT. Dengan demikian jelaslah bahwa sumber utama cahaya yang ada di bumi adalah matahari. Meskipun demikian, terdapat sumber cahaya lain seperti listrik, baterai, accu, laser, zat fluorisensi dan fosforisensi.

Matahari adalah sumber sinar terbesar di tata surya. Sinarnya mampu menembus seluruh planet yang beredar mengelilinginya. Dalam Al-Qur’an telah disebutkan dalam surah yunus ayat 5 yang artinya “Dialah yang menjadikan matahari bersinar dan bulan bercahaya, dan Dialah yang menetapkan tempat-tempat orbitnya, agar kamu mengetahui bilangan tahun, dan perhitungan (waktu). Allah tidak menciptakan yang demikian itu melainkan dengan benar. Dia menjelaskan tanda-tanda (kebesaran-Nya) kepada orang-orang yang mengetahui”.  Cahaya yang kita terima dari matahari, bukanlah cahaya yang datang begitu saja dan tanpa perencanaan dari Allah SWT. Sungguh luar biasa bahwa radiasi energi kalor melalui gelombang elektromagnetik dari matahari, datang dalam spektrum sangat kecil, yang relatif tidak membahayakan bagi kehidupan di bumi, karena bumi dilindungi oleh atmosfer dan medan magnet bumi.

Sinar Matahari (Sumber: wikimedia.org)

Matahari mungkin sesuatu yang paling sering kita lihat sepanjang hidup kita. Kapanpun dan dimanapun kita menengadahkan wajah ke langit di siang hari yang cerah, kita bisa melihat sinarnya yang menyilaukan. Jika seseorang bertanya, “apa manfaaat matahari?” mungkin kita akan menjawab tanpa mau berfikir sama sekali bahwa matahari memberi kita cahaya untuk menerangi aktivitas kita dan memberikan panas.

Radiasi dengan panjang gelombang terpendek (sepertriliun sentimeter) disebut “sinar gamma”. Sinar gamma memiliki energi yang sangat besar. Panjang gelombang terpanjang disebut “gelombang radio”, gelombang ini panjangnya mencapai beberapa kilometer, namun membawa energi sangat kecil (karena kandungan energi gelombang radio sama sekali tidak berbahaya bagi kita, sementara terpapar sinar gamma bisa berakibat fatal). Cahaya tampak adalah sebuah bentuk radiasi elektromagnetik yang terletak di antara kedua ekstrem panjang gelombang tersebut (Ishaq, 2006).

Gelombang elektromagnetik (Sumber: WordPress.com)

Menarik untuk kita perhatikan tentang spektrum gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang terpanjang adalah 10²⁵ kali ukurang panjang gelombang terpendek. Jika dituliskan secara lengkap 10²⁵ adalah 10.000.000.000.000.000.000.000.000. untuk mengerti betapa besarnya angka ini, Harun Yahya membuat perbandingan menarik seperti ini, jika kita menyusun tumpukan kartu sebanyak 10²⁵ lembar, kita akan mendapatkan tumpukan yang rentangnya mencapai separuh dari tata Surya. yang teramati. Ini merupakan spektrum sangat lebar, yang di dalamnya tersebar panjang gelombang berbeda-beda dari energi elektromagnetik alam semesta.

Suatu hal yang menarik tentang cahaya matahari adalah bahwa energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh matahari berada pada bagian spektrum yang teramat sempit. Sebanyak 70% radiasi matahari mempunyai panjang gelombang antara 0,3 dan 1,5 mikron. Dan dalam pita yang sempit tersebut, terdapat tiga jenis cahaya: cahaya tampak, cahaya inframerah dan cahaya ultraviolet. Tiga jenis cahaya ini hampir tidak berarti dibandingkan keseluruhan spektrum gelombang elektromagnetik.  Ingat 10²⁵kartu yang merentang sejauh separuh alam semesta apakah dapat dilihat dibandingkan dengan seluruhnya, sedangkan lebar pita cahaya yang diradiasikan matahari sama dengan satu kartu saja! “Mengapa cahaya matahari dibatasi pada cakupan yang begitu sempit?”. Jawaban pertanyaan itu sangat penting, karena ternyata hanya dengan gelombang elektromagnetik yang sangat sempit itulah kehidupan di bumi dapat terjadi. Artinya kemungkinan kehidupan di bumi sesungguhnya sangatlah kecil, yakni 1 berbanding 10²⁵.

Dalam buku Energy and the Atmosphere, fisikawan dari Inggris, Ian Campbell menyatakan “sungguh luar biasa bahwa radiasi dari matahari (dan dari banyak rangkaian bintang) harus termampatkan dalam pita spektrum elektromagnetik yang sangat sempit sehingga memancarkan radiasi yang tepat bagi kesinambungan seluruh kehidupan di bumi”. Menurut Campbell, situasi ini sangatlah menajubkan.

Cahaya bagi umat manusia sering dihubungkan sebagai kebaikan dan petunjuk. Cahaya memang sesuatu yang menajubkan dan telah dipikirkan manusia sejak ribuan tahun yang lalu, hingga konsep modern tentang cahaya. Menurut Empedocles konsep awal tentang cahaya meyakini bahwa cahaya memiliki kecepatan terbatas. Filosof Yunani lain meyakini bahwa cahaya adalah sesuatu yang terdiri dari penyusun-penyusun lebih kecil, namun tidak menjelaskan lebih lanjut alasannya. Tentang bagaimana kita bisa melihat benda dijelaskan dalam beberapa teori (gagasan). Teori Tactile menjelaskan bahwa kita dapat melihat sebuah benda karena terdapat cahaya dari mata kita, yang dikirimkan pada benda tersebut. Layaknya seperti radar yang mendeteksi pesawat sehingga mata kita dapat merasakan keberadaan sebuah benda. Teori Tactile dicetuskan oleh para filosof terkenal Yunani, seperti Euclides, Ptolemeus, dan Aristoteles (Mila, 2003).

Teori Emisi dicetuskan pertama kali oleh Ibnu al-Haitsam pada abad ke-10 melalui bukunya yang berjudul Kitab al-Manazir (Buku Optik) yang ditulis antara tahun 1015 sampai 1021. Buku ini mengubah pandangan manusia tentang hakikat keberadaan benda secara drastis dan mematahkan Teori Tactile secara meyakinkan.

Teori ini disebut mengubah  konsep cahaya secara drastis karena berlawanan dengan Teori Tactile. Teori emisi menyatakan bahwa kita dapat melihat benda, justru karena terdapat cahaya yang datang yang dipantulkan benda yang kita lihat menuju mata kita. Cahaya pantulan dari benda inilah yang menyebabkan kita dapat melihat benda. Pada akhirnya, teori ini dapat mematahkan teori tactile dan menjadi teori yang diyakini sampai hari ini. Selain mencetuskan teori emisi, Ibnu al-Haitsam juga membuat “pin hole camera” yang diyakini cikal bakal kamera foto yang dikenal saat ini. Bagian utama dari “pin hole camera” adalah benda dengan ruang gelap dan kosong yang diterangi, yang dalam bahasa Arab disebut “qamara”. Sangat mungkin istilah “kamera” atau “camera” berasal dari kata “qamara” tersebut.

Tentang kecepatan cahaya, Galileo menemukan cara yang menarik atas ide dari Salviati, muridnya. Galileo mencoba mengukur kecepatan cahaya dengan menempatkan dua orang ke puncak bukit dengan membawa lentera di malam hari. Orang pertama menyalakan lentera dan mencatat waktunya. Demikian juga orang kedua. Ia mencatat waktu pada saat ia melihat cahaya. Namun, tentu saja cara ini tidak berhasil mengingat waktu tempuh cahaya dari puncak ke puncak bukit itu adalah sekitar 10 mikrodetik, yang tak bisa terukur oleh jam. Selanjutnya Olaf Ole Roemer mengukur kecepatan cahaya lebih akurat pada tahun 1675. Roemer mengamati pergerakan Io, salah satu bulan dari planet Jupiter sebagai jam. Io dapat dianggap sebagai suatu “petunjuk waktu atau jam” yang sangat jauh, namun sangat akurat. Pada saat itu, jam pendulum yang juga sangat akurat sudah ditemukan. Roemer menemukan bahwa waktu yang  diamati oleh bumi (dengan menggunakan jam pendulum) antara satu gerhana Io dengan gerhana Io berikutnya adalah sekitar 42,5 jam (1 kali putaran Io terhadap Jupiter atau periode gerhana Io).

Fisikawan asal Inggris, James Bradley memperoleh hasil pengukuran yang lebih akurat pada tahun 1729. Bradley menggunakan teleskop yang dimilikinya. Ia mengetahui bahwa teleskop perlu disesuaikan kemiringannya untuk tetap memperoleh cahaya dari sebuah bintang, akibat perputaran bumi mengelilingi matahari. Sudut dari kemiringan teleskop mendekati perbandingan kecepatan orbit bumi terhadap kecepatan cahaya, sehingga kecepatan cahaya dapat dihitung.

Beberapa ratus tahun kemudian, Arman H.L Fizeau, seorang fisikawan lain melakukan eksperimen pengukuran kecepatan cahaya dengan menggunakan roda bergerigi (toothed Wheel). Cahaya dilewatkan pada roda bergerigi yang sedang berputar. Cahaya yang berhasil melalui gerigi akan menuju cermin pemantul yang jaraknya cukup jauh (orde kilometer), sehingga cahaya yang sampai di cermin kembali dipantulkan menuju gerigi roda dan cahaya yang lolos dari celah pada roda gerigi akan tepat kembali titik asal cahaya terpancar.

Alat Percobaan Fizeau (Sumber: otakatikotak.com)

Ketika roda bergerigi berputar perlahan, tidak ada sinar yang berhasil melalui celah gerigi. Namun, ketika roda berputar cukup cepat, sinar pantul berhasil sampai kembali di kaca opak (semi transparan) tempat pengamat mengamati cahaya pantulan. Dengan menghitung kecepatan putaran roda dan jarak roda ke cermin pantul, maka kecepatan cahaya dapat dihitung. Pengukuran-pengukuran lebih teliti dilakukan pada tahun-tahun berikutnya seperti oleh Foucault, Michelson dan Maxwell dan diperoleh nilainya mendekati 300.000.000 m/s.

Selama beratus-ratus tahun, para ahli berdebat tentang sifat dari cahaya. Apakah ia terdiri dari penyusun-penyusun yang lebih kecil atau partikel ataukah merupakan gelombang yang sifatnya kontinu atau tidak terdiri dari bagian-bagian kecil. Kedua sifat ini sebetulnya bertentangan. Namun, ternyata cahaya memiliki sifat unik, yaitu bersifat partikel sekaligus gelombang.

Pada akhir 1600-an, suatu pertanyaan besar muncul: “Apakah cahaya itu merupakan sekumpulan partikel kecil yang bergerak ataukah merupakan gelombang yang dapat menembus bahan tertentu?”. Seorang Fisikawan terkemuka asal Inggris, Sir Isaac Newton, merupakan pendukung teori bahwa cahaya terdiri dari sekumpulan partikel-partikel. Newton berpegang pada percobaannya bahwa cahaya putih terdiri dari penyusun lain berupa cahaya berwarna warni. Pada saat itu, cahaya putih diyakini sebagai cahaya yang homogen dan tidak terdiri dari cahaya lain. Namun, Newton berhasil membuktikan bahwa cahaya putih, seperti cahaya matahari, dapat terurai menjadi berbagai warna melalui prisma yang ia sebut sebagai spektrum warna. Newton juga menyatakan bahwa kecepatan cahaya lebih besar di dalam medium yang rapat, seperti air, karena dipengaruhi gaya gravitasi, daripada di udara, satu hal yang kita ketahui sebagai sebuah kesalahan (Crowell, 2003).

Percobaan penguraian cahaya menggunakan prisma (Sumber: Ulilalbab.com)

Pendapat Newton disanggah oleh Christian Huygens pada abad ke-17. Ia menyatakan bahwa cahaya merupakan gelombang. Ia mampu membuktikan bahwa cahaya memiliki sifat-sifat gelombang yang tidak dimiliki oleh partikel, seperti sifat-sifat interferensi, difraksi, deviasi, polarisasi dan menyebar ke segala arah.

Bukti yang ditemukan oleh Huygens, Thomas Young pada tahun 1803, dan Agustin Fresnel, sangat meyakinkan dibanding pendapat Newton pada saat itu sehingga cahaya diyakini sebagai gelombang dan bukan partikel. Selain itu, pernyataan bahwa cahaya lebih cepat merambat dalam medium yang rapat dibantah oleh ilmuwan Perancis, Foucault, yang membuktikan bahwa cahaya merambat lebih lambat di air daripada di udara.

Pelangi di keping CD (Sumber: loadhi.web.unej.ac.id)

Pembentukan pelangi merupakan salah satu contoh sifat gelombang dari cahaya yakni pembiasan dan deviasi. Pelangi juga dapat ditemukan pada kepingan CD (Compact Disk). Dengan cara mendekatkan permukaan mengkilap CD dengancahaya matahari atau lampu, maka permukaan mengkilap akan nampak terbentuk warna-warni seperti pelangi.

Referensi:

• Crowell, Benjamin. 2003. Newtonian Physics. California: Fullerton
• Ishaq, Mohamad. 2006. Fisika Dasar. Yogyakarta: Graha Ilmu
• Mila, Manda. 2003. Cendikiawan Islam Dari Geber Sampai Tamerlang. Yogyakarta: Penerbit Kota Kembang