Sains, Bagian ke-5

Ngunandiko.117

Sains

(Ilmu Pengetahuan)

Bagian ke-5

a.   Teori Evolusi (The Theory of Evolution)

Teori tentang kehidupan tanaman dan hewan yang berkembang dari bentuk sederhana ke bentuk yang lebih maju disebut “teori evolusi”. Selama abad ke-18 dan awal abad ke-19, beberapa ahli biologi telah mengajukan “teori evolusi” tersebut. Dan yang terkenal  adalah teori Jean Baptiste Lamarck (1744-1829).

 Jean-Baptiste-Lamarck percaya bahwa ada satu garis utama (suatu deret ber-skala) dari kehidupan organisme-hidup, yang membentang dari yang paling sederhana sampai yang paling kompleks. Lamarck percaya bahwa    setiap hewan memiliki sifat yang cenderung bergerak terus menerus ke arah yang lebih baik. Kecenderungan itu adalah kekuatan internal yang menyebabkan evolusi berjalan dari suatu bentuk ke bentuk baru.

Untuk menjelaskan adanya organisme yang menyimpang dari garis utama  evolusi,  Lamarck mendefinisikan mekanisme kedua yaitu dampak dari lingkungan yang menciptakan berbagai perubahan dalam  organisme. Perubahan melalui mekanisme kedua ini disebut sebagai sifat-turunan (the inheritance of acquired characteristics). Hal ini oleh para ahli biologi sesudahnya dianggap sebagai kunci dari evolusi Lamarck.

Sedikit ilmuwan yang dapat menerima teori evolusi Lamarck ini, para ilmuwan umumnya lebih menerima teori yang diusulkan oleh ilmuwan Inggris Charles-Darwin. Teori Darwin ini dipublikasikan pada tahun 1859 dalam sebuah buku “The Origin of Species”. Sesungguhnya pada saat yang sama, sebuah teori yang sangat mirip dikemukakan oleh ahli biologi Inggris Alferd R. Wallace (1823 - 1913), namun pada umumnya teori Darwin yang lebih memperoleh perhatian.

Teori Darwin menekankan pentingnya seleksi alam dalam suatu evolusi ke spesies baru organisme. Menurut teori Darwin, ada sedikit perbedaan – dalam hal mempertahankan keberadaan –  pada  setiap jenis organisme. Perbedaan itu adalah dalam hal kemampuan mempertahankan keberadaan ; ada organisme yang  dapat menghasilkan lebih banyak, dan organisme yang lebih baik dalam hal bertahan hidup.

Alam akan memilih organisme yang dirinya dilengkapi dengan lebih baik untuk melanjutkan keberadaannya (keberadaan spesies itu) -- kemampuan menyesuaikan terhadap perubahan. Secara bertahap suatu spesies yang teripilih akan berkembang karakteristiknya  sebagai spesies baru. Darwin mengajukan sejumlah besar bukti untuk membuktikan teorinya. Bukti-bukti Itu dan argumen-nya menyebabkan teorinya diterima oleh sebagian besar ahli biologi pada akhir abad ke-19.

b.   Teori baru tentang materi (New Theories of Matter).

Dengan diperkenalkannya ilmu kimia yang baru, para ilmuwan mulai mempelajari secara detail bagaimana senyawa kimia itu terbentuk. Para ilmuwan menemukan bahwa setiap kali membuat “senyawa kimia” yang sama, diperlukan “elemen kimia” dengan porsi yang sama pula. Misalnya, air selalu mengandung porsi hidrogen dan oksigen yang sama. Pengamatan-pengamatan (observations) seperti itu telah membawa ilmuwan kimia Inggris, John Dalton, mengusulkan teori tentang struktur materi.

Teori Dalton tersebut menyatakan bahwa semua materi terdiri dari partikel- partikel kecil, yang disebut atom. Setiap unsur memiliki satu jenis atom yang sama. Tiap-tiap atom suatu unsur berbeda satu dengan yang lain dalam :

• ukuran ;
• berat ; dan
• cara bergabung dengan atom unsur lain.

Seperti diketahui setiap atom unsur, dengan suatu cara tertentu, dapat bergabung dengan atom unsur lainnya.

Teori atom Dalton tersebut, kemudian ditambah dan diubah oleh banyak ilmuwan lain. Meskipun berbeda dalam banyak hal dari teori Dalton yang asli, namun teori baru tersebut dimulai dari ide-ide  John Dalton tahun 1803.

c.    Tabel Periodik (The Periodic Table).

Pada abad ke-19, ilmu kimia membuat langkah besar. Studi tentang gas telah jauh maju, dan sejumlah teori baru dikembangkan ; semuanya itu membantu menjelaskan seluk beluk reaksi kimia.

Sekitar pertengahan abad ke-19 seorang ahli kimia dari Rusia, Dimitri I. Mendeleev (1834-1907), menyusun daftar(table) elemen berdasar urutan berat atom-nya, dari yang paling ringan sampai ke yang paling berat. Dalam daftar itu, Mendeleev melihat bahwa karakteristik dari elemen (unsur) diulangi secara reguler dalam periode tertentu. Misalnya : jika setiap unsur kedelapan (dalam daftar) dikombinasikan dengan cara yang sama dengan unsur lain tertentu dan membentuk senyawa, maka senyawa yang terbentuk akan mirip satu dengan yang lain.

Mendeleev menyusun daftar (table) semua unsur yang dikenal pada waktu itu. Mendeleev menempatkan unsur-unsur yang memiliki banyak karakteristik yang sama dalam kolom yang sama berdasar urutan berat atom-nya. Tampak ada kekosongan dalam tabel itu, namun menurut Mendeleev akan ada unsur yang mengisi kekosongan itu, dan diramalkan unsur itu akan ditemukan. Mendeleev  juga mampu memperkirakan seperti apa unsur baru itu.  Ternyata  beberapa tahun kemudian beberapa unsur memang ditemukan.

Daftar Mendeleev itu disebut sebagai “Tabel Periodik Unsur (Periodic Table of Elements)”. Beberapa perubahan telah dibuat, namun para ahli kimia masih menggunakannya sampai hari ini.

d.   Kimia Organik (Organic Chemistry)

Studi mengenai senyawa dari organisme hidup menjadi cabang penting dari ilmu kimia di abad ke-19. Bidang ini disebut sebagai bidang “kimia organik”. Pada awalnya lingkup bidang “kimia organik” hanya zat kimia yang ditemukan dalam  makhluk hidup saja. Namun kemudian para ahli kimia  menemukan, bahwa lingkup bidang “kimia organik” meliputi pula zat kimia kompleks yang atom- atomnya juga ditemukan dalam bahan anorganik, atau bahan yang tak ditemukan dalam mahluk hidup.

Dua ahli kimia Jerman, Friedrich Wohler (1800 - 1882) dan Justus von Liebig (1803 - 1873), menguraikan susunan zat organik dengan jelas, Wohler menunjukkan bahwa beberapa bahan kimia organik dapat dibentuk di laboratorium. Eksperimen semacam ini merupakan sumbangan yang sangat besar bagi ilmu kedokteran dan fisiologi, dan juga bagi bidang pertanian (argiculture) a.l dengan ditemukannya pupuk baru. Semuanya itu merupakan sebuah awal dari pemahaman terhadap bahan kimia pada makhluk hidup.

e.   Cahaya (The Nature of Light)

Pada saat yang sama (yaitu abad ke-18 dan ke-19) para ahli kimia juga memperoleh kemajuan besar dalam memahami sifat materi atom, sedangkan ilmuwan lain mempelajari sifat cahaya.

Pada masa Isaac Newton, para ilmuwan berpikir bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel kecil. Namun kemudian para ilmuwan berpendapat bahwa cahaya adalah sejenis gelombang. Seorang ilmuwan Inggris, Thomas Young (1773 - 1829), dan seorang ilmuwan Perancis, Agustin Jean Fresnel (1788 - 1827), yang bekerja secara independen, menunjukkan bahwa jalannya cahaya adalah seperti jalannya gelombang.

Teori gelombang cahaya seperti itu menimbulkan persoalan yang serius, karena  “gelombang” harus berjalan melalui materi. Sebagai contoh, ketika kerikil jatuh ke dalam kolam air, maka gelombang berjalan melalui air. Jika cahaya adalah gelombang yang berjalan, maka gelombang itu berjalan melalui materi apa?

Para ilmuwan abad ke-19 menjawab pertanyaan itu dengan mengatakan bahwa ruang itu berisi zat ringan, zat seperti gas (gaslike), yang disebutnya sebagai “ether”. Mereka mengatakan bahwa gelombang cahaya berjalan lewat ruang ether tersebut, hal itu dipercaya sampai abad ke-20.

f.    Elektricity dan Gelombang Elektomagnetik (Electricity and Electromagnetic Waves).

Teori gelombang cahaya segera memiliki efek pada aspek lain seperti pada ilmu fisika, sifat listrik dan magnet

Pada tahun 1831 ilmuwan Inggris Michael Faraday menemukan cara menghasilkan arus listrik dari kumparan kawat (coil of wire) dan magnet. Faraday menunjukkan bahwa suatu arus listrik bisa menghasilkan arus listrik lain, fenomena ini disebut induksi electromagnetic. Penemuan induksi electromagnetic ini membawa Faraday ke penemuan generator listrik, generator listrik itu (a generator  is a device that converts mechanical energy to electrical energy for use in an external circuit. Sources of mechanical energy include steam turbines, gas turbines, water turbines, internal combustion engines and even hand cranks. The first electromagnetic generator, the Faraday    disk, was built in 1831) kemudian pada tahun 1832 dikembangkan oleh Hippolyte Pixil (1808–1835), seorang pembuat peralatan dari Perancis dan dapat menghasilkan arus listrik dalam jumlah besar dan murah.

Dalam mencoba menjelaskan daya tarik magnet dan induksi elektromagnetik, Faraday mengajukan teori medan gaya (theory of a field of force). Faraday  mengatakan bahwa ether itu terdiri dari "medan  kekuatan”, yang kekuatannya bekerja sampai pada jarak tertentu, seperti daya tarik magnet.

Kemudian ilmuwan Inggris James Clerk Maxwell (1831-1879), mengambil ide-ide Faraday tentang teori medan gaya itu, dan mengembangkannya menjadi teori gelombang electromanetic. Maxwell mempersatukan beberapa ide tentang cahaya dengan teori gelombang electromagmetic. Teori baru ini menyatakan bahwa cahaya adalah salah satu jenis gelombang elektromagnetik. Semua gelombang elektromagnetik berjalan pada kecepatan yang sama sekitar 186.000 mil (300.000 km) per detik. Perbedaan antara jenis-jenis gelombang elektromagnetik adalah dalam hal panjang gelombang.

g.   Hukum ketetapan energi ( The Law of Conservation of Energy)

Selama bertahun-tahun para ilmuwan merasa bahwa ada hubungan antara berbagai bentuk (jenis) energi ; antara energi panas, cahaya, listrik, magnet, mekanik dan energi kimia. Tapi para ilmuwan itu belum dapat menemukan bagaimana hubungan secara pasti antar energi-energi tersebut.

Para ilmuwan mencoba menjelaskan bagaimana panas (energi panas)  menghasilkan energi mekanik.   Pengembangan “mesin uap” di akhir tahun 1700-an menunjukkan bahwa panas dapat diubah menjadi energi mekanik.

Studi mengenai perubahan energi ini, pada 1840 menghasilkan hukum yang disebut sebagai “hukum kekekalan energi”.  Hukum ini menyatakan bahwa : “energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, tetapi  energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan”. Jumlah energi adalah tetap sama..

7. SAINS ABAD KE-20

Abad ke-19 telah ditutup dengan penemuan-penemuan penting antara lain sebagai berikut :

• Pada tahun 1896 fisikawan Perancis Henri Becquerel (1852-1908) menemukan uranium yang memancarkan gelombang energi atau radiasi ;
• Pada tahun 1898 ilmuwan suami dan istri Marie Curie (1867-1934) dan Pierre Curie (1850-1906)—Polish-born French physicist menemukan dua unsur lain yaitu radium dan polonium, yang juga memancarkan gelombang energi atau radiasi.

Aktivitas memancarkan gelombang energi atau radiasi oleh Curie dinamakan radioaktivitas (radioactivity) ;  radioactivity is the process by which the nucleus of an unstable atom loses energy by emitting radiation.

a.   Ilmu fisika dan kimia (Physics and Chemistry).

Ilmuwan fisika Amerika kelahiran Jerman Albert Einstein (1879 - 1955) menunjukkan bahwa materi itu dapat dianggap sebagai suatu bentuk energi. Materi dapat diubah menjadi energi oleh fisi nuklir (nuclear fision) atau fusi nuklir (nuclear fusion) . Fisi nuklir, atau membelah atom, telah dibuktikan oleh ledakan  bom atom dan operasi reaktor nuklir.

Panas dipancarkan oleh atom selama fisi di ruang reaktor nuklir untuk menghasilkan sejumlah energi listrik. Fusi (fusion), atau bergabungnya dua inti atom, menghasilkan energi yang sangat kuat seperti yang dilepaskan oleh bom termonuklir  (hidrogen).

Para ilmuwan terus berusaha menemukan cara untuk menggunakan fusi nuklir yang terkendali untuk menyediakan listrik yang sangat dibutuhkan. Energi fisi tidak seperti energi fusi, energi fisi (fision) akan menghasilkan sejumlah besar limbah radioaktif yang berbahaya.

Pada tahun 1900 ilmuwan Jerman Max Planck (1858-1947) mengemukakan teori “kuantum energi”. Teori ini menyatakan bahwa energi, atau radiasi elektromagnetik, terpancar (given off) dan diserap dalam bentuk bundel-bundel yang sangat kecil. Planck menggunakan nama "quanta" (kuanta) untuk bundel-bundel  tersebut "Quanta" adalah bentuk jamak dari "kuantum". Beberapa tahun kemudian, Albert Einstein meverifikasi teori Planck tersebut bahwa cahaya adalah semacam energi, yang berjalan sebagai kuanta (yang sekarang disebut foton).

Pada tahun 1911 ilmuwan Inggris Ernest Robert Rutherford (1871-1937) menunjukkan bahwa atom bukanlah partikel terkecil dari materi. Atom terdiri dari inti dengan muatan listrik positif dan elektron dengan muatan listrik negatif yang mengelilingi inti.

Fisikawan Denmark Niels Bohr (1885 - 1962) memberi informasi lebih lanjut. Menurut Bohr energi atom hanya dapat dilepaskan sebagai quanta, dan Bohr  menggambarkan bahwa inti atom dilingkari oleh elektron yang  menempati tempat (shell) tetap tertentu, atau orbit. Energi dari sumber di luar atom dapat membuat elektron bergeser dari satu shell ke shell yang lain. Ketika elektron bergeser ke shell yang lain, maka akan melepas atau menyerap energi.

Para ilmuwan menemukan bahwa partikel atom bergerak dalam gerakan seperti gelombang. Studi tentang gerakan ini, disebut sebagai “mekanika kuantum”, mekanika kuantum ini membantu memahami adanya energi dalam atom. Akibat pemahaman seperti itu, maka mulai abad ke-20  ilmu fisika berubah secara drastis

Sama pentingnya dengan ilmu fisika modern adalah perkembangan teori relativitas Albert Einstein. Karya Albert Einstein tersebut mengemukakan  ide-ide baru tentang bagaimana cahaya, waktu, ruang, massa, gerak dan gravitasi terkait.

• Bagian pertama ; Teori khusus (yang dapat diringkas dalam rumus matematika) ; bahwa energi dan massa dapat diubah satu dengan yang lain.
• Bagian kedua ; Teori umum yang menyatakan bahwa kehadiran massa menyebabkan distorsi (kurva) terhadap ruang (space), distorsi ini menghasilkan kekuatan yang dikenal sebagai gravitasi.

Bagian kedua dari teori relativitas Einstein (Teori umum) ini memiliki dampak signifikan terhadap astronomy astrofisika (astronomy astrophysics) yaitu studi tentang benda di ruang angkasa. Studi ini memberi dasar untuk mempelajari lebih lanjut tentang bintang dan planet dengan melakukan analisa atas  energi yang dipancarkan oleh bintang dan planet yang ada di ruang angkasa.

Sejak tahun 1931 telah diketahui bahwa berbagai jenis benda alam di ruang angkasa (space) menghasilkan sinyal radio. Studi tentang gelombang radio (radio astronomi) telah menambah pengetahuan tentang alam semesta itu, terutama karena gelombang radio dapat dideteksi dari jarak yang lebih jauh daripada gelombang cahaya.

Teleskop radio telah dapat mengungkapkan berbagai objek seperti “quasar” (a compact region surrounding a supermassive black hole and emitting enormous amounts of electromagnetic energy) dan “pulsar” (a highly magnetized, rotating neutron star that emits a beam of electromagnetic radiation).

Dengan menggunakan instrumen khusus tersebut, para astronom dapat menyelidiki adanya “black holes” di ruang angkasa, black hole diyakini adalah bintang yang terbakar.

Peristiwa-peristiwa tersebut semuanya dapat dijelaskan oleh teori Einstein tentang hubungan energi dan materi.

Sebuah cabang baru dari ilmu fisika adalah fisika benda padat (solid state of physics) yang menitik-beratkan studinya pada sifat-sifat benda padat. Pemahaman baru tentang bagaimana benda padat mengirimkan energi memiliki andil pada pengembangan berbagai jenis perangkat seperti komputer, radio transitor, sel-surya, dan laser.

Sementara itu, ilmu kimia juga memperoleh keuntungan dari pengetahuan baru tentang materi dan energi itu a.l sbb :

• Pengembangan metode untuk menemukan struktur  molekul, terutama struktur molekul senyawa pada materi hidup ;
• Pengembangan bahan baru terutama plastik dan serat sintetis,
• Penemuan metode untuk menghasilkan obat dan obat-obatan baru ;

Pengembangan dan penemuan-penemuan tersebut telah mengubah kehidupan kita dalam banyak hal.

b.   Biologi (biology).

Hukum tentang keturunan (the Laws of Heredity) ditemukan oleh seorang Austria, Gregor Mendel pada pertengahan 1800-an, dan ditemukan kembali pada tahun 1900. Hukum Mendel itu menjelaskan bagaimana karakteristik yang diturunkan oleh orang  ke keturunannya. Karya ilmuwan lain menjelaskan bagaimana karakteristik yang berbeda bisa muncul pada pribadi-pribadi dan bagaimana perbedaan tersebut diturunkan.

Mikroskop elektron, dikembangkan di tahun 1930-an, alat itu memiliki kemampuan yang kuat untuk memperbesar pengelihatan terhadap sel dan benda-benda mikroskopis lainnya.

Pada tahun 1952 ahli kimia Amerika, Linus Pauling (1901 - 1994) menemukan bahwa molekul protein memiliki bentuk spiral (helix) ; pada tahun 1953 ahli biokimia Amerika, James Watson (1928 - ....) dan ahli biokimia Inggris, Francis Crick (1916 - 2004) menemukan bahwa materi genetik yang membentuk kromosom adalah organisme hidup dalam bentuk helix ganda. Zat kimia ini disebut sebagai asam dioxyribonucleic (DNA), lewat DNA perpindahan karakteristik dari orang ke keturunannya dikontrol. Molekul-molekul seperti rantai panjang DNA yang membawa "kode genetik" adalah sebagai urutan empat senyawa kimia. Urutan itu dapat dipandang sebagai "surat" di mana informasi genetik dikodekan. Bentuk helix ganda berfungsi sebagai semacam patern kimia yang mengontrol pembuatan gen. Gen, pada gilirannya, mengendalikan karakteristik tertentu seperti warna mata pada hewan atau bentuk daun pada tanaman.

Para ilmuwan telah menemukan cara untuk mengubah informasi genetik yang tersimpan dalam molekul DNA. Bidang ini merupakan bidang baru dari kegiatan penelitian (researh), dan disebut sebagai rekayasa genetika, atau splicing gen.

Untuk sementara Ngunandiko akan mengakhiri bahasan dan renungan mengenai Sains sampai disini. Bahasan dan renungan mengenai Sains abad ke-20, Sains abad ke--21, dan lain-lain akan dilanjutkan pada kesempatan lain. Semoga bermanfaat.

*

Modern science says: 'The sun is the past, the earth is the present, the moon is the future.' From an incandescent mass we have originated, and into a frozen mass we shall turn. Merciless is the law of nature, and rapidly and irresistibly we are drawn to our doom. (Nikola-Tesla)

*