Hukum Fisika: Ada Ketertiban Dunia

Dalam ilmu pengetahuan alam (khususnya fisika), ada yang disebut dengan hukum alam, atau hukum fisika, atau yang seringkali kita dengar, baca atau sebut dengan istilah 'hukum'. Dalam fisika, kita mengenal yang namanya hukum gravitasi Newton, hukum elektrodinamika Maxwell, hukum Boyle, hukum Ohm, hukum Biot-Savart, dan sebagainya. Lantas, apa pengertian hukum di dalam ilmu sains (fisika)?

Hukum alam (fisika) adalah ekspresi dari suatu pola atau tatanan yang ada di antara fenomena-fenomena alam. Contohnya, hukum Coulomb yang dikemukakan oleh fisikawan Prancis bernama Charles Augustin de Coulomb. Hukum Coulomb adalah hukum tentang gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan listrik yang sebanding dengan besarnya masing-masing muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan. Artinya, jika besar dari salah satu atau dua muatan dinaikkan, maka gaya Coulomb juga akan bertambah, sedangkan jika jarak kedua muatan diperlebar atau diperbesar, maka gaya Coulombnya akan berkurang. Jadi, ada pola atau keteraturan yang dinyatakan oleh hukum tersebut. Besarnya gaya tidak sembarang atau acak, melainkan bergantung pada besaran fisis yang dapat diukur atau dikontrol. 

Besarnya gaya ini bergantung pada beberapa kuantitas, yaitu besarnya masing-masing muatan dan jarak antar muatan. Selanjutnya, ketergantungan terhadap kuantitas ini tidaklah liar dan tidak berguna, tetapi jinak dan berguna, karena kita dapat menyatakannya secara matematis, menerapkannya dan memanfaatkannya.

Ilmuwan menemukan hukum dengan mencari dan menemukan pola dalam data eksperimen dan pengamatan. Dalam menemukan hukum Coulomb misalnya, Coulomb melakukan banyak pengukuran gaya yang dengannya dua buah bola kecil bermuatan saling tarik-menarik atau tolak-menolak satu sama lain. Coulomb mengulangi eksperimennya dengan menggunakan besaran muatan yang berbeda dan jarak pemisahan yang berbeda. Dia memperhatikan bahwa setiap kali dia menggandakan besarnya muatan pada satu bola, besarnya gaya juga menjadi berlipat ganda, sedangkan ketika dia mengurangi jarak pemisahan kedua bola bermuatan tersebut menjadi setengah dari nilai jarak semula, maka besarnya gaya menjadi empat kali lipat.

Dengan mengkaji data-data yang diperolehnya dengan sedemikian rupa, Coulomb sampai pada hukumnya, yaitu bahwa besarnya gaya elektrostatik adalah hasil dari perkalian antara dua buah muatan yang saling berinteraksi beserta sebuah konstanta k dan dibagi dengan kuadrat jarak yang memisahkan kedua muatan tersebut. Nilai konstanta k bergantung pada medium yang mana jika dalam ruang vakum, nilai k ini sebesar 8,99 x N. dan sering dikenal sebagai konstanta Coulomb. Jadi, hubungan-hubungan ini diringkas dalam ekspresi matematika berdasarkan semua data yang telah dikumpulkan Coulomb.

Hukum didasarkan pada jumlah data yang terbatas. Jumlahnya mungkin sangat besar, tetapi selalu terbatas. Hubungan matematis yang mengungkapkan hukum membentuk ringkasan data yang relevan, tetapi menawarkan lebih dari itu, yaitu memungkinkan sebuah prediksi terhadap hasil dari suatu eksperimen atau pengamatan yang baru. Dengan demikian hukum dapat kembali diuji dan ditegaskan, atau diuji dan ditentang. Dalam contoh hukum Coulomb, data yang dikumpulkan Coulomb memang sangat banyak, tapi terbatas. Oleh karena itu, seseorang dapat saja mengambil sekumpulan nilai masing-masing muatan atau nilai jarak yang belum pernah dicoba Coulomb, menghitung gaya yang dihasilkan, lalu menjalankan eksperimen dengan nilai-nilai tersebut, mengukur gaya, dan menguji hukumnya.

Ketika sebuah hukum telah dikonfirmasi oleh banyaknya hasil prediksi yang berhasil, maka hukum tersebut akan diterima sebagai sesuatu yang benar, dan dapat berfungsi sebagai alat prediksi yang berguna untuk keperluan ilmiah dan sebagainya. Untuk hukum Coulomb, hukum ini telah dikonfirmasi dengan sangat baik sehingga tidak ada fisikawan yang merasa perlu untuk menegaskannya kembali, dan hukum ini telah berfungsi sebagai sebuah alat standar yang berada dalam kotak peralatan fisika.

Setiap hukum memiliki rentang validitas terbatas yang diketahui. Artinya adalah bahwa setiap hukum diketahui benar hanya untuk rentang nilai tertentu dari besaran fisis yang masuk ke dalamnya. Pada hukum Coulomb, rentang validitas yang diketahui meliputi muatan yang tidak terlalu besar dan jarak yang tidak terlalu besar ataupun jarak yang terlalu kecil.

Setiap hukum fisika yang diketahui diperkirakan akan gagal dalam kondisi yang cukup ekstrem. Untuk beberapa hukum, kisaran validitas yang sebenarnya telah ditemukan, sedangkan bagi yang lain masih hanya sebatas dugaan. Sebagai contoh, karena efek kuantum maka hukum Coulomb diperkirakan akan gagal untuk muatan yang cukup besar dan untuk jarak pemisahan yang cukup kecil, sedangkan untuk jarak yang jauh jangkauan validitasnya tidak diketahui. Selanjutnya ada hukum gas ideal yang gagal untuk densitas gas yang tidak cukup rendah. Lalu, ada hukum gravitasi Newton yang gagal untuk medan gravitasi yang kuat dan untuk kecepatan yang tinggi. Hukum Newton ini diperbaiki oleh teori relativitas umum Einstein, namun teori relativitas umum ini diperkirakan akan gagal pada jarak yang sangat kecil, karena tidak sesuai lagi dengan fisika kuantum.

Contoh lain dari penemuan hukum adalah ketika Galileo Galilei melakukan eksperimen tentang perilaku bola yang menggelinding ke bawah pada bidang miring yang lurus. Galileo melepaskan bola dari keadaan diam dan mengukur jarak bola (d) yang menggelinding dari posisi diam, selama beberapa waktu (t). Dengan cara ini, Galileo mengumpulkan banyak data eksperimen dalam bentuk pasangan jarak (d) dan waktu (t). Dia mempelajari angka-angka yang diperoleh dan melakukan perhitungan pada angka-angka tersebut, dan mungkin memplot angka-angka tersebut dalam berbagai cara untuk menemukan pola.