Fisikawan yang Mengubah Segalanya

"Satu epoch (zaman) berakhir dan yang lain dimulai dengan James Clerk Maxwell." - Albert Einstein

Setelah menulis riwayat singkat Stephen Hawking, saya memutuskan untuk menulis juga biografi singkat dari fisikawan idola saya, yang juga sangat dikagumi dan dihormati oleh Einstein; James Clerk Maxwell.

Maxwell dikenal sebagai ilmuwan dengan kepribadian yang sederhana dengan selera humor yang kuat, dan juga karena kesalehan dan kerendahan hatinya, serta kereligiusannya. Meskipun hidup di zaman yang sama dengan Charles Darwin yang memiliki pengaruh besar melalui pemikiran evolusionernya, Maxwell tetap kokoh dengan keyakinannya. Ia sangat menentang teori evolusi Darwin, dan juga menyangkali teori nebular dari Laplace - teori yang mengusulkan bahwa tata surya dimulai sebagai awan gas (nebula) yang berkontraksi jutaan tahun.

Maxwell adalah fisikawan teoretis paling masyhur di abad kesembilan belas. Ia mengembangkan seperangkat persamaan revolusioner yang disebut persamaan umum medan elektromagnetik - persamaan yang mengubah peradaban dunia lewat berbagai bidang sains dan teknologi. Sayangnya, ia tidak mempunyai waktu hidup yang panjang untuk bisa melihat teorinya divalidasi secara eksperimental. Hal ini, ditambah lagi dengan fakta bahwa ia kurang suka publisitas, maka bukan hal aneh Ia kurang dikenal di masa kini. Justru, orang-orang yang mengkonfirmasi teorinya yang lebih dikenal dunia.

James Clerk Maxwell adalah anak tunggal dari pasangan John Clerk Maxwell (seorang pengacara) dan Frances Cay yang lahir pada 13 Juni 1831 di Edinburgh, Skotlandia. 

Tak lama setelah kelahiran Maxwell, keluarganya pindah ke sebuah perkebunan di Glenlair dekat Edinburgh. Pendidikan awal Maxwell dijalani di rumah dan diajar langsung oleh Ibunya, termasuk pelajaran kitab suci, hingga ibunya meninggal dunia saat Maxwell berusia 8 tahun. Pada usia ini Maxwell telah menghafal seluruh ayat dalam Mazmur 119 yang merupakan pasal terpanjang dalam alkitab (176 ayat). Pengetahuannya akan kitab suci sudah sangat baik pada usia tersebut. Ibu Maxwell mengajarinya untuk melihat kejeniusan ilmiah Tuhan dan tangan kasih-Nya dalam keindahan alam. Ajaran yang terus dipegang Maxwell sebagai panduan hidupnya terutama dalam karir ilmiahnya.

Setelah kematian ibunya, Maxwell bersama keluarganya pindah dan tinggal di rumah Isabella Wedderburn - saudara perempuan ayahnya, dan ia melanjutkan sekolahnya di Akademi Edinburgh. Selama bersekolah di akademi Edinburgh, Maxwell pernah memenangkan hadiah untuk biografi Alkitab, medali matematika dan juara pertama untuk bahasa Inggris dan puisi. Maxwell sangat pandai dan suka menulis puisi, ini menjadi kebiasaannya di sepanjang hidupnya.

Makalah ilmiahnya yang pertama ditulis saat ia masih berusia 14 tahun dengan judul "On the Description of Oval Curves with more than two foci." Makalah ini dibacakan di Royal Society of Edinburgh oleh James Forbes; seorang profesor filsafat alam di Universitas Edinburgh, karena Maxwell dianggap terlalu muda untuk mempresentasikan karyanya sendiri. Bahkan, banyak anggota komunitas hampir tidak percaya bahwa makalah tersebut ditulis oleh seorang remaja.

Setelah selesai dari akademi Edinburgh, Maxwell melanjutkan studinya di Trinity College di Cambridge dan lulus pada tahun 1854 dengan gelar di bidang matematika. 

Maxwell memiliki keinginan untuk tetap di Cambridge, namun karena ayahnya yang jatuh sakit pada tahun 1856, ia mengambil janji untuk jabatan profesor filsafat alam di Marischal College, Aberdeen, yang kebetulan kosong pada saat itu, agar bisa lebih dekat dengan ayahnya. Sayangnya, ayahnya meninggal dunia beberapa saat setelah Maxwell tinggal di sana.

Setahun kemudian, Maxwell berkompetisi untuk penghargaan bergengsi Adam Prize dengan subjek gerakan cincin Saturnus. Maxwell berhasil memenangkan prize tersebut lewat makalah "On the Stability of the Motion of Saturn's Rings". Melalui perhitungannya, Maxwell menentukan bahwa cincin Saturnus harus terbuat dari partikel-partikel kecil yang independen satu sama lain dan masing-masing bergerak dengan kecepatannya sendiri. Prediksi dan perhitungan Maxwell baru dapat dikonfirmasi lebih dari 100 tahun kemudian lewat visualisasi yang dibuat oleh pesawat ruang angkasa Voyager I & Voyager 2 di awal tahun 1980-an. Pengamatan radar yang menggunakan efek Doppler juga telah mengkonfirmasi kisaran kecepatan partikel-partikel cincin yang diprediksi oleh Maxwell.

Selama bekerja di Marischal College, Aberdeen, Maxwell jatuh cinta dengan putri Daniel Dewar (kepala sekolah Marischal College) bernama Katherine Mary Dewar. Maxwell lalu melamar Katherine yang pada saat itu berusia 34 tahun (lebih tua 7 tahun darinya) dan diterima. Keduanya lalu bertunangan pada Februari 1858 dan menikah di bulan Juni pada tahun yang sama.

Meskipun pernikahan keduanya tidak menghasilkan keturunan, kehidupan pernikahan mereka sangat harmoni. Bahkan digambarkan oleh sahabat dekat Maxwell sebagai hubungan dengan pengabdian (kesetiaan) yang kuat antara satu sama lain yang tak mungkin bisa ditiru. Setelah menikah, sejak saat itu pula Katherine bertindak sebagai asisten Maxwell untuk setiap penelitian suaminya yang membutuhkan pekerjaan laboratorium.

Pada tahun 1860 Maxwell pindah dan bekerja di King's College London. Pada rentang tahun 1861-1862 selama di King's College, Maxwell menerbitkan serangkaian 4 makalah dalam judul On Physical Lines of Force yang meletakkan dasar perumusan persamaan elektromagnetismenya. Bentuk akhir persamaan Maxwell diterbitkan pada tahun 1865 dalam makalah A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field.

Selanjutnya, semua karya Maxwell tentang elektromagnetisme diringkas-nya dalam sebuah buku yang berjudul A Treatise on Electricity and Magnetism yang diterbitkan pada tahun 1873. Buku ini menjadi satu dari dua buku sains paling berpengaruh sepanjang masa selain Principia milik Sir Isaac Newton.

Persamaan medan elektromagnetik Maxwell mendeskripsikan evolusi dalam ruang dan waktu dari medan listrik dan magnet yang dihasilkan oleh muatan listrik, magnet dan arus listrik. Maxwell menunjukkan bahwa medan listrik dan medan magnet bukanlah dua medan yang berbeda tetapi merupakan bagian dari satu kesatuan medan, yaitu medan elektromagnetik. Persamaan medan elektromagnetik Maxwell meramalkan keberadaan gelombang elektromagnetik; yaitu gangguan gelombang yang merambat di ruang hampa akibat dari perubahan medan listrik dan magnet yang merambat keluar ke segala arah.

Maxwell menghitung bahwa gelombang elektromagnetik merambat kira-kira dengan kecepatan cahaya. Dari pengamatan ini, Maxwell sampai pada kesimpulan bahwa cahaya pasti merupakan muatan listrik, jadi cahaya itu sendiri adalah radiasi elektromagnetik. Maxwell kemudian mengusulkan bahwa cahaya mungkin hanya salah satu dari keluarga besar radiasi elektromagnetik. Ia memprediksi keberadaan bentuk lain dari radiasi elektromagnetik dengan frekuensi, panjang gelombang, dan spektrum yang berbeda. Pada tahun 1887 - 8 tahun setelah kematian Maxwell - fisikawan Jerman Heinrich Rudolf Hertz, lewat sebuah eksperimen berhasil menemukan gelombang radio, dan menjadi bukti awal yang memvalidasi kebenaran persamaan Maxwell.

Sampai zaman Maxwell, seseorang hanya berurusan dengan dunia mekanik dan hampir tidak ada yang dapat kita klasifikasikan sebagai 'teknologi' sama sekali. Apa yang Maxwell lakukan adalah menyediakan jembatan penting antara model mekanistik dan model yang kita gunakan di abad ke-21. Saat ini, desain alat dan perangkat untuk sejumlah besar teknologi elektro menggunakan prinsip yang diungkapkan Maxwell dalam makalah-makalahnya di tahun 1860-an. Radio, radar, komunikasi satelit, laser, pembangkit listrik, komponen elektronik, serat optik, dan sebagainya didasarkan pada pemahaman dan penerapan persamaan Maxwell. Karena kontribusi ini Maxwell disebut sebagai pendiri bidang teknik elektro modern.

Pemahaman terhadap semua jenis spektrum elektromagnetik juga memungkinkan manusia untuk dapat mengamati alam semesta yang luas. Teleskop yang peka terhadap bagian spektrum elektromagnetik yang berbeda-beda dapat memetakan objek atau peristiwa luar angkasa yang tidak dapat dilihat dengan mata telanjang. Misalnya permukaan venus yang tertutup awan, ledakkan kematian bintang masif, radiasi latar belakang kosmik peninggalan big bang, dan lain lain.

Persamaan Maxwell juga menjadi pondasi utama bagi karya Einstein tentang relativitas khusus, dimana hubungan antara energi, massa dan kecepatan berkontribusi pada teori yang mendasari pengembangan energi atom. Persamaan Maxwell memperkenalkan medan sebagai besaran fundamental yang dapat eksis secara independen. Konsep ini, ditambah dengan fakta yang ditetapkan Maxwell bahwa kecepatan cahaya adalah konstanta fundamental, digunakan Einstein sebagai alat untuk merumuskan persamaan medan-nya dalam teori relativitas umum.

Penemuan Maxwell juga membuka jalan bagi pilar fisika modern lainnya (selain teori relativitas), yaitu teori kuantum. Baik dari teori kuantum lama, teori kuantum modern (mekanika kuantum), teori kuantum relativistik (teori medan kuantum) hingga model standar partikel berawal dari persamaan Maxwell. Karena pengaruhnya terhadap lahirnya dua pilar utama fisika modern tersebut, Maxwell dijuluki sebagai bapak fisika modern.

Mengomentari pentingnya peranan persamaan Maxwell, salah satu fisikawan peraih nobel fisika dan salah satu dari 10 fisikawan terbaik sepanjang masa; Richard Feynman mengatakan;

"Dari sudut pandang sejarah umat manusia, katakanlah 10 ribu tahun dari sekarang, mungkin hanya sedikit keraguan bahwa peristiwa sejarah paling penting di abad ke-19 adalah penemuan hukum-hukum elektrodinamika oleh Maxwell. Peristiwa perang saudara Amerika tidak akan berarti jika dibandingkan dengan peristiwa ilmiah ini."

Selain kontribusinya dalam menemukan hukum elektrodinamika, Maxwell juga memiliki banyak kontribusi di bidang lain. Misalnya, Maxwell pernah dianugerahi Medali Rumford dari Royal Society pada tahun 1860 untuk karyanya tentang persepsi warna. Karya ini dipandang sebagai awal dari ilmu kolorimetri kuantitatif dan menjadi cikal bakal fotografi warna modern saat ini.

Selanjutnya, pada tahun 1867 Maxwell merumuskan persamaan Boltzmann-Maxwell tentang hubungan statistik untuk teori kinetik gas. Maxwell menunjukkan hubungan antara gerakan partikel, energi kinetiknya, dan suhu gas; semakin cepat gerakan partikel, semakin tinggi energi kinetik yang dimiliki, dan semakin tinggi energi kinetik, semakin tinggi suhu absolut gas. Teorinya ini membawa subjek baru yang disebut fisika statistik menjadi ada. Maxwell juga merupakan orang pertama yang menunjukkan bagaimana menghitung kekakuan dari kerangka untuk sambungan jembatan yang masih digunakan sampai sekarang.

Pada tahun 1871 Maxwell menerima posisi sebagai Profesor Fisika Cavendish pertama di Cambridge University pada tahun 1871. Professor Cavendish adalah jabatan profesor fisika tertinggi di Cambridge seperti halnya professor Lucasian untuk matematika. Jabatan ini diberikan oleh William Cavendish; Duke of Devonshire VII untuk menghormati kerabatnya seorang kimiawan dan fisikawan; Henry Cavendish. Jabatan profesor Cavendish dipegang oleh para jenius yang berkontribusi besar dalam perkembangan fisika. Suksesor Maxwell; mulai dari Lord Rayleigh, J.J. Thomson (penemu elektron), dan Ernest Rutherford (penemu inti atom), serta masih ada nama-nama seperti Lawrence Bragg dan Sir Nevill Mott adalah para peraih hadiah nobel. (Hadiah nobel mulai diberikan pada tahun 1901)

Sebagai professor Cavendish, Maxwell juga merancang Laboratorium Cavendish yang dibuka pada tahun 1874. Selama berada di sana, Maxwell juga bertanggung jawab atas penerbitan karya-karya Henry Cavendish yang telah lama diabaikan sejak akhir tahun 1700-an. Semasa hidupnya, Henry Cavendish membuat banyak penemuan penting dalam kelistrikan tanpa pernah mempublikasikannya. Kesendirian dan keengganan Cavendish untuk berbagi karyanya dengan orang lain sampai dia benar-benar yakin dengan penelitiannya hampir mengakibatkannya kehilangan karyanya selama-lamanya.

Maxwell yang murah hati menggunakan sebagian besar waktunya selama di Cambridge untuk meneliti dan menghidupkan kembali karya dan eksperimen Cavendish yang tidak dipublikasikan. Maxwell mengulangi eksperimen Cavendish dan menyusunnya dalam versi manuskrip yang berjudul The Electrical Researches of the Honourable Henry Cavendish pada tahun 1879.

Pada tahun yang sama, Maxwell menghembuskan napas terakhirnya pada 5 November di usia 48 tahun karena kanker perut. Jenazahnya dibawa kembali ke Glenlair, dan dimakamkan di Parton, bersebelahan dengan makam ayah dan ibunya. Istrinya, Katherine, juga dimakamkan di sana 7 tahun setelah kematian Maxwell.

Di antara era Newton dan Einstein, Maxwell berdiri sendiri di abad ke-19. Mereka bertiga, selalu disejajarkan sebagai 3 fisikawan terbaik sepanjang masa. Tanpa karya mereka, kita tidak akan memiliki semua teknologi yang kita miliki sekarang, kita tidak akan memiliki kemampuan untuk memahami cara dunia bekerja.

Mengutip pernyataan Max Planck: "Namanya berdiri megah di atas portal fisika klasik, dan kita dapat mengatakan ini tentang dia; oleh kelahirannya, James Clerk Maxwell milik Edinburgh, dengan kepribadiannya dia milik Cambridge, dengan karyanya dia milik seluruh dunia."

Dalam sebuah kunjungannya ke Cambridge University pada tahun 1922, Einstein dibilang bahwa dirinya telah melakukan hal-hal besar karena ia berdiri di atas bahu Newton, namun Einstein menjawab: "Tidak. Saya berdiri di atas bahu Maxwell."

Referensi:

Flood R, McCartney M, Whitaker A. James Clerk Maxwell; Perspectives on His Life and Work. UK: Oxford University Press, 2014.

Mahon Basil. The Man Who Changed Everything; The life of James Clerk Maxwell. UK: John Wiley & Sons, 2003.