Fisika Kuantum
Sejarah Fisika Kuantum
Fenomena yang
mendasari Lahirnya Fisika Kuantum
Dikutip dari tulisan : Novi Rosinta
Dasar dimulainya
periode fisika kuantum adalah ketika fisika klasik tidak bisa menjelaskan
gejala-gejala fisika yang bersifat mikroskopis dan bergerak dengan kecepatan
yang mendekati kecepatan cahaya. Oleh karena itu, diperlukan cara pandang yang
berbeda dengan sebelumnya dalam menjelaskan gejala fisika tersebut.
Sejarah fisika
kuantum dimulai ketika Michael Faraday menemukan sinar katoda. Kemudian pada
tahun 1859-1860, Gustav Kirchoff memberikan pernyataan tentang radiasi benda
hitam. Pada tahun 1887 Ludwig Boltzman menyatakan bahwa bentuk energi pada
sistem fisika berbentuk diskrit.
Max Planck
Pada tahun 1900
fisikawan Jerman, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi itu terkuantisasi.
Ide ini muncul berkenaan dengan situasi pada saat tersebut yaitu ketika para
ilmuan tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi spectrum cahaya yang dipancarkan
oleh suatu benda mampat pada temperatur tertentu yang dikenal dengan radiasi
benda hitam. Teori fisika klasik pada saat itu tidak bisa menjelaskan kenapa
cahaya selain cahaya tampak, cahaya-cahaya lain yang tidak tampak pun
dipancarkan. Hal tersebut menunjukan bahwa untuk meradiasikan gelombang
elektromagnetik ternyata benda tidak perlu terlalu panas, bahkan pada suhu
kamar pun benda tetap bisa memancarkan gelombang elektromagnetik.
Sifat yang diamati
dari radiasi benda hitam ini tidak bisa diterangkan oleh teori-teori fisika
yang berkembang pada saat itu.Sampai akhirnya Planck menurunkan persamaan yang
dapat menerangkan radiasi spectrum ini sebagai fungsi temperatur dari benda
yang meradiasikannya dan memandang bahwa radiasi ini dipancarkan tidak dalam
bentuk kontinu tapi dalam bentuk paket-paket energi yang disebut kuanta.
Besarnya energi yang diradiasikan itu sebanding dengan frekuensi v. Setiap
paket energi tersebut meradiasikan energi sebesar:
E = hv
Dengan h merupakan konstanta
Planck.Planck juga tidak menyangsikan teori klasik yang diterima pada waktu itu
yaitu bahwa cahaya diradiasikan dalam bentuk gelombang bukan dalam bentuk
partikel yang membuat teori tersebut tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi
benda hitam ini.
Eksperimen mendasari perkembangan FIsika
Kuantum
1) Thomas Young dengan
eksperimen celah ganda mendemonstrasikan sifat gelombang cahaya pada tahun
1805.
2) Henri Becquerel menemukan
radioaktivitas pada tahun 1896.
3) J.J. Thompson dengan
eksperimen sinar katoda menemuka electron pada tahun 1897.
4) Studi radiasi benda hitam
antara 1850 sampai 1900 yang dijelaskan tanpa menggunakan konsep mekanika
kuantum.
5) Einstein menjelaskan efek
foto listrik pada tahun 1905 dengan menggunakan konsep foton dan partikel
cahaya dengan energi terkuantisasi.
6) Robert Milikan menunjukkan
bahwa arus listrik bersifat seperti kuanta dengan menggunakan eksperimen tetes
minyak pada tahun 1909.
7) Ernest Rutherford
mengungkapkan model atom pudding yaitu massa dan muatan postif dari atom
terdistribusi merata dengan percobaan lempengan emas pada tahun 1911.
8) Otti Stern dan Walther
Gerlach mendemonstrasikan sifat terkuantisasinya spin partikel yang dikenal
dengan eksperimen Stern Gerlach pada tahun 1920.
9) Clinton Davisson dan Lester
Germer mendemondtrasikan sifat gelombang dari electron melalui percobaan
difraksi electron pada tahun 1927.
10) Clyde L. Cowan dan Frederick
Reines menjelaskan keberadaan neutrino pada tahun 1955.
11) Clauss Jonsson dengan
eksperimen celah ganda menggunakan electron pada tahun 1961.
12) Efek Hall kuantum yang ditemukan
oleh Klaus von Klitzing pada tahun 1980.
13) Eksperimental verification
dan quantum entanglement oleh Alain Aspect pada tahun 1982.
Perkembangan Fisika
Kuantum
Pada tahun 1905,
Albert Einstein berhasil menjelaskan efek foto listrik dengan didasari oleh
pendapat Planck lima tahun sebelumnya dengan mempostulatkan bahwa cahaya atau
lebih khususnya radiasi elektromagenetik dapat dibagi dalam paket-paket
tertentu yang disebut kuanta dan berada dalam ruang. Energi berhasil
menjelaskan bahwa untuk membuat electron terpancar dari permukaan logam
diperlukan cahaya yang menumbuk. Cahaya tersebut harus memiliki frekuensi
melebih frekuensi ambang dari logam tersebut. Efek foto listrik ini tidak
bergantung pada intensitas cahaya yang ditembakan seperti pandangan mekanika
klasik tetapi hanya bergantung pada frekuensinya saja.Walaupun cahaya lemah
ditembakkan tetapi memiliki frekuensi yang melebihi frekuensi ambang ternyata
ada electron yang dipancarkan.
Pernyataan Einstein
bahwa cahaya teradiasikan dalam bentuk paket-paket energi yang kemudian disebut
kuanta dinyatakan dalam jurnal kuantum yang berjudul "On a heuristic
viewpoint concerning the emission and transformation of light" pada bulan
Maret 1905. Pernyataan tersebut disebut-sebut sebagai pernyataan yang paling
revolusioner yang ditulis oleh fisikawan pada abad ke-20.
Paket-paket energi
yang pada masa itu disebut dengan kuanta kemudian disebut oleh foton, sebuah
istilah yang dikemukakan oleh Gilbert & Lewis pada tahun 1926. Ide bahwa
tiap foton harus terdiri dari energi dalam bentuk kuanta merupakan sebuah
kemajuan. Hal tersebut dengan efektif merubah paradigma ilmuwan fisika pada
saat itu yang sebelumnya menjelaskan teori gelombang. Ide tersebut telah mampu
menjelaskan banyak gejala fisika pada waktu itu.
Teori kuantum yang
menyatakan bahwa cahaya teradiasi dalam bentuk paket-paket energi secara
terpisah dan diserap oleh electron secara individual berhasil menjelaskan efek
foto listrik dengan baik yaitu pada intensitas cahaya yang lemah pun bisa
terpancarkan electron dari logam asalkan frekuensi cahaya yang diberikan
melebihi frekuensi ambang dari logam yang disinari. Hal ini tidak bisa
dijelaskan oleh teori gelombang yang dianut para fisikawan pada saat itu.
Namun, teori gelombang tentang cahaya ini juga dapat menjelaskan dengan baik
bagaimana terjadinya difraksi dan interferensi cahaya yang menganggap bahwa
cahaya teradiasikan dalam bentuk gelombang yang menjalar seperti riak air
ketika sebuah benda jatuh ke dalam air.
Pada tahun 1913, Niels
Bohr mencoba menjelaskan garis-garis spectrum dari atom hydrogen dengan
menggunakan teori kuantisasi. Penjelasannya ini diterbitkan pada bulan Juli
1913 dalam papernya yang berjudul On the Constitution of Atoms and Molecules.
Teori ini ia kemukakan untuk mendapat gambaran yang lebih jelas tentang
bagaimana struktur atomic yang terdapat dalam benda. Ilmuwan sebelumnya yang
berusaha menjelaskan tentang struktur atom adalah J.J. Thompson yang menyatakan
bahwa atom seperti sebuah bola yang bermuatan postif serba sama yang mengandung
electron dan tersebar merata di permukaannya.
Namun, ternyata
teori Bohr ini tidak bisa menjelaskan mengapa garis spectral tertentu
berintensitas lebih tinggi dari yang lainnya. Selain itu, teori ini tidak bisa
menjelaskan hasil pengamatan bahwa banyak garis spectral sesungguhnya terdiri
dari garis-garis terpisah yang panjang gelombangnya sedikit berbeda. Yang
paling penting, teori Bohr ini tidak dapat menjelaskan bagaimana interaksi
atom-atom penyusun ini bisa menyusun kumpulan makroskopis yang memiliki sifat
fisika dan kimia seperti yang kita amati sekarang.
Walaupun teori Bohr
tidak terbukti secara eksperimen, namun hal ini menjadi sebuah catatan yang
merubah paradigma para ilmuwa saat itu tentang bagaimana menjelaskan gejala
tomik dengan memakai pendekatan yang lebih umum. Hal ini kemudian dilakukan
oleh ilmuwan-ilmuwan lainnya di tahun-tahun selanjutnya.
Dari diskusi Henri
Poincare tentang teori Planck pada tahun 1912, tulisannya yang berjudul Sur la
theorie des quanta menyatakan bahwa walaupun teori tentang kuantisasi energi
ini berhasil dan cukup fenomenal, namun pada saat itu tidak ada pertimbangan
yang tepat tentang kuantisasi. Oleh karena itu, kemudian teori tersebut disebut
dengan teori kuantum lama.
Kemudian pada tahun
1931 kata fisika kuantum pertama kali diungkapkan oleh Johnston dalam bukunya
yang berjudul Planck's Universe in Light of Modern Physics.
Pada tahun 1924,
seorang fisikawan Perancis, Louis de Broglie menyatakan teorinya tentang
gelombang materi dengan menyatakan bahwa partikel dapat menunjukkan sifat
gelombang dan sebaliknya.Teori ini berlaku utuk partikel tunggal.Teori tersebut
diambil dari teori relativitas khusus.
Kemudian berdasarkan
pemikiran de Broglie mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925 yaitu ketika
fisikawan Jerman, Werner Heisenberg dan Max Born mengembangkan mekanika
matriks. Selain itu, Erwin Schrodinger seorang fisikawan Austria menemukan
mekanika gelombang dan persamaan non-relativistik Schrodinger sebagai
pendekatan terhadap kasus umum dari teori de Broglie. Schrodinger menunjukkan
bahwa kedua temuannya eqivalen.
Pada tahun 1926
Einstein pernah bertanya kepada W. Heisenberg di Berlin "Filosofi apa yang
mendasari anda mengenai teori aneh anda? Teori tersebut terlihat menarik,
tetapi apa yang dimaksud dengan kuantitas yang dapat diamati saja?" W.
Heisenberg menjawab bahwa ia tidak percaya kepada keberadaan jejak-jejak dalam
kamar kabut. Kemudian Einstein menimpali: "tetapi anda harus menyadari
bahwa hal tersebut sangatlah salah". W. Heisenberg menjawab lagi
"tetapi kenapa kalau sementara hal ini tidak benar sedangkan anda
menggunakannya". Einstein mengatakan bahwa "I may have used it, but
still it is nonsense"!
Bagi Heisenberg,
penegasan Einstein tersebut sangat bermanfaat dalam penelitian selanjutnya
bersama dengan Neils Bohr. Penegasan tersebut sekaligus mengingatkan bahwa akan
sangat membahayakan apabila hanya meneliti tentang kuantitas yang teramati
saja, padahal di samping semua kuantitas yang dapat diamati secara langsung
masih banyak hal yang dimungkinkan untuk dapat diamati secara tidak langsung.
Akhirnya Heisenberg mengakuinya dengan mengemukakan "this was that one
should not strick too much to one special group of experiments; one should
rather try to keep in touch with all the developments in all the relevant
experiments so that one should always have the whole picture in mind before one
tries to fix a theory in mathematical or other languages".
Heisenberg
merumuskan prinsip ketidaktentuannya pada tahun 1927. Interpretasi Copenhagen
juga mulai melakukan hal yang sama pada saat itu. Kemudian dimulai pada sekitar
tahun 1927 Dirac memproses penyatuan mekanika kuantum dengan relativitas khusus
dengan mengajukan persamaan Dirac untuk elektron. Persamaan Dirac mampu
menjelaskan gambaran relativistic dari fungsi gelombang dari sebuah electron
yang gagal dijelaskan oleh Schrodinger.
Persamaan Dirac
memprediksikan spin electron dan menuntun Dirac untuk meramalkan keberadaan
positron. Dia juga merintis penggunaan tools matematika dalam menjelaskan
teori, termasuk notasi bra-ket. Hal ini digambarkan dalam bukunya yang terkenal
pada tahun 1930.
Pada periode yang
sama, seorang polimat John Von Neumann merumuskan dasar matematika yang tepat
untuk mekanika kuantum yaitu teori operator linear. Hal tersebut digambarkan
dalam bukunya pada tahun 1932.
Bidang ilmu kimia
kuantum dirintis oleh fisikawan Walter Heitler dan Fritz London yang
mempublikasikan suatu studi tentang ikatan kovalen dan molekul hydrogen pada
tahun 1927. Kimia kuantum dibangun oleh banyak orang termasuk kimiawan teori
Amerika, Pauling dan John C Slater ke dalam banyak teori misalnya teori
molekuler orbit dan teori valensi.
Pada tahun 1927
mulai dilakukan penerapan mekanika kuantum untuk sebuah bidang yang lebih dari
partikel tunggal, yang menghasilkan teori medan kuantum. Orang-orang yang
pertama kali menekuni bidang ini di antaranya adalah P.A.M. Dirac, W. Pauli, V.
Weisskopf, dan P. Jordan. Penelitian ini mencapai puncaknya ketika perumusan
elektrodinamika kuantum oleh R.P. Feynmen, F. Dyson, J. Schwinger, dan S.I
Tomonaga sepanjang tahun 1940. Kuantum elektrodinamika merupakan teori kuantum
tentang electron, positron, dan medan electromagnet.
Teori kuantum chromodynamics pertama
kali dirumuskan pada awal tahun 1960.Teori tersebut dirumuskan oleh Politzer,
Gross dan Wilczek pada tahun 1975. Kemudian berdasarkan pada hasil dari
pekerjaan yang dipelopori oleh Schwinger, Higgs dan Goldstone, fisikawan
Glashow, Weinberg dan Salam menunjukan bagaimana gaya nuklir lemah dan kuantum
elektrodinamika dapat disatukan ke dalam gaya listrik lemah. Dari hal tersebut
pada tahun 1979 mereka menerima hadiah nobel dalam bidang fisika.
Tambahan:
Dalam pandangan fisika kuantum
1) Kita
mengenal apa yang disebut medan gaya. Medan ini dapat didefinisikan sebagai
struktur tidak terlihat yang menempati ruang angkasa dan kita mengenali melalui
pengaruhnya.
2) Medan-medan
ini menurut Gary Zukav, “merupakan inti alam semesta. Benda-benda yang kita
amati dalam berbagai percobaan, yakni manifestasi fisik materi sebagai
partikel, merupakan efek sekunder dari Medan”3). Kesimpulan ilmiah ini mau
tidak mau mendorong para ilmuwan untuk menjauhi cara berfikir materialistik dan
parsial yang dominan. Sebaliknya, teori medan memaksa ilmuwan untuk berfikir
tentang sebuah alam yang mengandung berbagai pengaruh yang saling bertemu dan
struktur tak terlihat saling berhubungan.
3) Kesadaran
akan keberadaan Sang Maha Cerdas telah memasuki bumi, turun ke dalam mencapai
hubungan puncak. Sebuah peradaban baru telah lahir. Sekarang kita tepat berada
di tengah-tengah masa transisi di mana dua dunia bercampur; dunia lama tetap
bertahan dengan begitu kuatnya dan terus saja mendominasi kesadaran kaum awam,
dan kesadaran baru muncul secara diam-diam, evolutif, tanpa diketahui sampai
sedemikian rupa sehingga secara eksternal dunia telah sedikit demi sedikit
berubah untuk sementara waktu, kemudian dunia baru ini akan bergulir, tumbuh
sampai pada suatu hari akan menjadi cukup kuat untuk berdiri sendiri.
4) Menurut
Einstein, bahwa ruang dan waktu bukanlah entitas-entitas terpisahkan. Keduanya
merupakan sebuah kontinum, atau aspek-aspek yang berbeda dari sesuatu yang
penting dan sama. Kemampuan puncak saling bertukar tempat dari keduanya seperti
kemampuan yang dimiliki materi dan energi.
5) Tulisan yang
tersebut di atas sengaja kami paparkan sebagai prolog karena dalam kehidupan
zaman sekarang ini sesungguhnya kita sudah masuk ke zaman nuklir, ada
pengalaman menarik yang dialami oleh seorang penulis Argentina Jorge Luis
Borges yang terkagum-kagum ketika memahami mistik dan fisika kuantum, dia
menjelaskan sebuah pandangan yang biasanya dimiliki oleh para mistikus dan
idealis, yakni sifat halusinatif dunia ini. Katanya, “Kita (Tuhan Yang Maha Esa
yang bekerja pada diri kita) telah memimpikan dunia ini. Kita telah memimpikannya
sebagai abadi, misterius dan dapat dilihat, hadir dalam ruang dan tetap dalam
waktu; tetapi kita setuju dengan interval-interval ketidak logisan arsitektur
dunia yang renggang dan kekal yang mungkin kita mengetahui bahwa itu keliru”,
papar Jorge Luis Borges.
6) Demikianlah
celotehan para fisikawan quantum yang merasakan keberadaan Dzat Maujud Mutlak
yang berada di luar cakrawala pengetahuan dan pengalaman manusia. Data yang ada
pada manusia hanya memungkinkan cakrawala itu bergeser, sehingga medan pemahaman
tentangnya makin bertambah. Demikianlah para ilmiawan itu mengintip lewat
celah-celah fisika kuantum, makin hanyut dalam ketakjuban. (QS. Al Mulk:4).
Dalam bahasa
matematika batas atas disebut limit. Definisi limit adalah nilai-nilai suatu
pengalaman manusia senantiasa mendekati ambang limit, tetapi dia takkan bisa
melampauinya. Ambang limit itu sendiri merupakan ungkapan yang tak terbatas dan
tak terperikan. Kehendak melampaui ambang ini adalah upaya mahluk keluar dari
ketaksempurnaan dirinya. Akan tetapi, begitu ia keluar dari ambang ini, ia akan
tertelan dalam Kekosongan - jati diri eksistensinya akan lenyap dalam
Ketakterbatasan. Pada saat dengan fana oleh ahli makrifat.
7) Mengikuti
firman Allah : Semua yang berada di alam (ciptaan) akan merasakan fana
(musnah, binasa). Dan tetap kekallah Wajah Tuhanmu yang mempunyai kebesaran dan
kemuliaan. (QS. Ar Rahman : 26-27). Bahasa sebagai hasil pengalaman manusia
tidak akan bisa menangkap Ketakterbatasan, karena hal itu bertentangan dengan
kodrat penalaran manusia yang cenderung mengurai, dan membatasi. Sesuatu yang
tak terungkap dan tak terbatas, pastilah tak kan terurai. Artinya sesuatu yang
tak terurai ini tidak mungkin dicerap oleh manusia. Wujud Mutlak atau Pewujud
berada di luar analitis dan definisi, observasi ataupun verifikasi, ia hanya
bisa di umpamakan dan dibayangkan, disembah dan dipuji, diagungkan dan diseru
dengan keimanan dan penghambaan.
Lalu bagaimana cara mengenal Wujud
Mutlak ini? Caranya mintalah kepada-Nya untuk memperkenalkan Diri-Nya. Agama
adalah wilayah pengungkapan Ilahi. Melalui kalam dan wahyu Ilahi wujud mutlak
atau Allah itu memperkenalkan Diri-Nya dalam bahasa perumpamaan (mitsal) dan
tanda (ayat) yang bisa dipahami oleh pikiran manusia.
Untuk memperkenalkan Diri-Nya, Allah
menciptakan tanda-tanda dan perumpamaan. Dengan tanda dan perumpamaan ini Allah
menyingkapkan Diri-Nya kepada mahluknya.
Sebagai contoh, ketika X bergerak kita
memahami bahwa gerakan X adalah proses yang harus dilalui X untuk menuju kepada
kesempurnaannya. Tentunya pusat yang dituju oleh X tidak mungkin
bergerak-gerak, karena akan menggugurkan asumsi bahwa gerakan adalah proses
penyempurnaan. Oleh karena itu, mesti kita simpulkan bahwa gerakan semua benda
menuju kepada Pusat yang tidak bergerak, yakni Wujud yang Maha Sempurna
sehingga Wujud itu kita sebut Penggerak yang tidak bergerak.
Bibliography :
1) Talbot, Michael;
Mistisisme dan Fisika Baru, (Asli : Mysticism and the new Phisycs. Beyond
Space and Time, Beyond God, to the Ultimate Cosmic Consciousness) Pustaka
Pelajar, Yogyakarta, 2002, hal. 258
2) Margaret J.
Wheatley, Leadership and the
New Sciences, Abdi Tandur, 1997 hal. 35
3) Gary Zukav, The Dancing Wu Li Masters,
Bantam books, 1979, hal 199
4) Talbot Michael; ibid, Satprem,
Sri Aurobindo or the adventure of consciousness, hal. 149
5) Talbot Michael, Ibid, hal. 119
6) Talbot Michael, Ibid, hal,1
7) Kahzim, Musa; Tafsir Sufi Mendedah Masalah
Ketuhanan dalam Al Quran, Penerbit Lentera Basritama, Jakarta, 2003. (Hal.
44-63)
Glossary :
1) Fisika Quantum =
Cabang fisika yang mempelajari atom-atom
2) Kuantum = Satuan
diskret energy
3) Medan gaya =
Ruang di mana garis-garis gaya listrik, magnetik atau dinamis bekerjaRuang Lingkup Fisika Kuantum.
Dikutip dari S. Riyadi DUNIA FISIKA KUANTUM
Mekanika kuantum adalah cabang dasar fisika yang menggantikan mekanika klasik pada tataran atom dan subatom
Ilmu ini memberikan kerangka matematikauntuk berbagai cabang fisika dan kimia, termasuk fisika atom, fisika molekuler, kimia komputasi, kimia kuantum, fisika partikel, dan fisika nuklir.
Mekanika kuantum adalah bagian dari teori merdan kuantum dan fisika
kuantum umumnya, yang,
bersama relativitas umum, merupakan salah satu pilar
fisika modern.(www.wekipedia.com)
Albert Einstein
Dasar dari mekanika kuantum adalah bahwa energi itu tidak kontinyu, tapi diskrit --
berupa 'paket' atau 'kuanta'. Konsep ini cukup revolusioner, karena
bertentangan dengan fisika klasik yang berasumsi bahwa energi itu
berkesinambungan Fisika kuantum adalah fisika yang dipelopori oleh Einstein,
yang menjadi gejolak . Fisika kuantum yang memberi kesan bahwa alam ini
probabilistik atau acak membuatnya gusar. Sebagai penolakan, konon Einstein
pernah berkomentar: ” Alam penuh rahasia karena ia memang agung, bukan menipu”.
Sebagian menginterpretasikan kalimat Einstein itu dengan “Tuhan tidak bermain
dadu”, atau “Tuhan tidak berjudi”.
Kata kuantum dalam KBBI (ku·an·tum n 1 banyaknya (jumlah) sesuatu; 2 bagian dr energi yg tidak dapat dibagi
lagi) sama sekali tidak menggambarkan apa yang dimaksudkan dengan kuantum
dalam fisika. Maknanya tercantum dalam entri zarah (za·rah n 1 butir (materi) yg halus sekali;
partikel;).
Dalam fisika kuantum, radiasi adalah zarah. Hanya
saja, zarahnya dibagi lagi. Zarah yang bisa menempati suatu titik secara
bersama-sama, disebut boson. Zarah yang individualis, tidak mau bersama-sama,
disebut fermion. Tapi, gabungan fermion berjumlah genap jadi boson, sedangkan
gabungan boson tetap boson. Tambah aneh saja.
Model atom Niels Bohr
Pada tahun 1913 Niels Bohr mengungkapkan
konsep atom sebagai inti atom yang dikelilingi sejumlah elektron pada orbitnya,
seperti matahari dikelilingi oleh satelit-satelitnya. Orbit yang berbeda
memiliki tingkat energi yang berbeda. Elektron dapat melompat dari satu orbit
ke orbit yang lain berdasarkan energi yang dilepas atau di terima. Photon
adalah boson. Photon adalah zarah cahaya, kuantum cahaya, paket cahaya.
Peristiwa fisika kuantum tak terasa
telah menyerbu kehidupan kita. Fisika kuantum telah memungkinkan berkembangnya
teknologi elektronika dan komunikasi. Sensasi warna adalah peristiwa fisika
kuantum. Bersyukurlah kalau anda tidak buta warna.
Patung Erwin Schrodinger
Gambaran yang diberikan oleh Bohr
mengenai atom tidak sepenuhnya benar. Erwin Schrodinger menyusun teori mengenai
mekanisme atom, sehingga teorinya disebut mekanika kuantum, dan menjelaskan
bahwa elektron tidak mengorbit secara teratur di sekeliling inti atom. Elektron
memenuhi ruang disekitar inti atom dengan probabilitas keberadaannya.
Probabilitas ini berbentuk awan atau kabut yang menyelimuti inti atom.
Tunneling, adalah fenomena dimana sesuatu
menyebrangi penghalang, padahal energi yang dimilikinya tidak cukup untuk
memanjat penghalang untuk menyebranginya. Benda yang mengalami tunneling tidak memanjat, tetapi menembus
dinding penghalang itu untuk sampai ke seberang, seperti hantu. Tunneling
diijinkan terjadi oleh fisika kuantum, dimana posisi sesuatu adalah
probabilitas, dan probabilitas keberadaan sesuatu di seberang tembok tidaklah
nol.
Saya tidak pernah mengalami mobil yang sudah
dimasukkan garasi tiba-tiba ditemukan di luar. Sekalipun teori kuantum
menyatakan kemungkinannya (probabilitasnya) tidak nol. Lagian, mobil bukan
zarah.
Probabilitas memang konsep yang bisa ditafsirkan
bermacam-macam. Dalam konteks ini, probabilitas adalah pola yang muncul bila
data atau peristiwa yang terjadi berjumlah banyak.
Salah satu prinsip penting dalam fisika kuantum
adalah: Aliran energi itu tidak kontinyu, namun berbentuk kuantum atau paket.
Implikasinya, perubahan energi juga begitu, dalam bentuk paket. Perubahan
merupakan kelipatan dari paket yang terkecil. Kelipatan terkecil itu dulu
disebut quantum of action,
nilainya 6.62606957×10−34 Joule
detik. Sekarang bilangan ini disebut konstanta Planck. Planck berharap
penjelasannya yang aneh ini akan segera diperbaiki oleh para peneliti lain.
Tetapi Einstein malah memberikan konfirmasi dalam teori fotoelektrik, bahwa
radiasi memang berbentuk paket atau kuantum. Teori fotoelektrik memberi
Einstein hadiah Nobel.
Konstanta Planck sekarang sudah menjadi bahan
praktikum fisika. Praktikan diminta menghitung konstanta Planck dengan
peralatan yang sekarang sudah dianggap sederhana: sejumlah Lampu berbagai
warna, catu daya, resistor, voltmeter, spektrometer. Rumusnya: E=eVo=hc/λ.
Konstanta Planck bila ditulis dalam desimal akan
menjadi 0,00…06626, dengan 33 buah nol di belakang koma sebelum angka 6. Kecil
banget, sehingga untuk kemudahan sehari-hari sama dengan nol, dan kita boleh
saja menganggap energi yang mengalir di rumah kita yang menyalakan lampu, TV,
kulkas, mesin cuci, pompa air, dsb. adalah kontinyu. Selama ini kita tak punya
keraguan bahwa udara, air dan semua benda yang bisa kita raba adalah kontinyu.
Secara singkat, fisika kuantum menyatakan bahwa semua
partikel (molekul, atau atom, dan semua yang lebih kecil) selalu bergerak, dan
gerakannya acak, memancarkan atau menyerap energi secara paket (kuantum). Makin
tinggi suhunya, makin cepat gerakannya. Pada gas, gerak yang lebih cepat ini
menyebabkan kenaikan tekanan. Pada zat cair, pemanasan menyebabkan sebagian
atom memperoleh energi yang cukup untuk melepaskan diri dari ikatan cairan dan
menjadi gas (menguap). Pada zat padat, pemanasan
menyebabkan ikatan padat melemah sehingga mencair.
Yang cukup mengganggu adalah pernyataan
bahwa gerakan partikel itu acak, atau bersifat probabilistik. Terbiasa dengan
prediksi yang selalu terbukti tepat, Einstein pun tidak menyukai fisika
kuantum.
Fisikawan Yahudi di Balik Ilmu Fisika Kuantum
Siapa
pun yang tidak terguncang akal budinya oleh teori kuantum tidak memahaminya (Niels Bohr)
Dikutip
dari Aos Blog
Dari 28 fisikawan yang meneliti ilmu
fisika kuantum dan disebut dalam bab ini, 12 di antaranya berdarah Yahudi.
Mereka mencakup Albert Einstein, Niels Bohr, Enrico Fermi, Murray Gell-Mann,
Jerome I. Friedman, Leon M. Lederman, Martin L. Perl, Frederik Reines, Wolfgang
Pauli, Steven Weinberg, Sheldon Glashow, David Bohm, dan Richard Feynman.
Kecuali Enrico Fermi dan David Bohm, ke-10 fisikawan berdarah Yahudi lainnya
adalah peraih atau ikut meraih Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika.
Richard Feynman
Ilmu Fisika Kuantum
Ilmu fisika
kuantum, disebut juga mekanika kuantum, adalah sains tentang
materi atau benda-benda yang begitu kecil sehingga sifat kuantum dari realitas
punya suatu akibat. Kuantum berarti "jumlah dengan ciri tersendiri atau
berlainan"; ia bisa diartikan secara longgar sebagai "porsi".
Max Planck (1858-1917), seorang fisikawan Jerman dan peraih Hadiah Nobel untuk
Ilmu Fisika 1918, dipandang pendiri teori kuantum modern. Dia menemukan pada
tahun 1900 bahwa benda apa pun, seperti secarik kertas, yang Anda bagi-bagi
menjadi makin kecil akhirnya tidak bisa dibagi lagi. Dengan kata lain, ada
suatu batas minimum yang tidak bisa Anda lewati ketika Anda ingin membagi-bagi
benda itu menjadi lebih kecil lagi. Batas minimum ini sekarang disebut unit Planck.
David Bohm
Atom dan Partikel
Subatomik
Semua benda di
sekitar kita - orang, hewan, tanaman, mobil, pesawat terbang, rumah, pohon,
gelas, senduk, air, awan, gas - dibentuk oleh potongan-potongan sangat kecil
dari materi. Lalu, apakah materi paling kecil itu?
Di masa awal
penelitian tentang materi paling kecil, para ilmuwan mengatakan atomlah materi
yang paling kecil, tidak bisa dibagi lagi menjadi lebih kecil. Istilah ilmu
fisika modern untuk materi paling kecil ini adalah partikel atau zarah. Suatu partikel adalah suatu
potongan sangat kecil dari materi yang menjadi suatu bagian dari atom. Ukuran
sangat kecil ini bisa kita bayangkan melalui sebutir pasir atau debu - kecil
sekali, bukan? Tapi partikel sebagai bagian dari atom lebih kecil dari butir
pasir atau debu.
Suatu cabang Ilmu
Fisika yang memelajari partikel-partikel disebut Ilmu Fisika Partikel. Ilmu ini
menemukan kemudian hari bahwa atom ternyata bukanlah potongan materi paling
kecil dalam alam semesta. Ketika atom dibagi-bagi atau dibelah, ilmuwan
menemukan bahwa ia terdiri dari partikel-partikel. Ada di dalamnya partikel
bernama elektron dan inti atom; elektron mengitari
inti atom. Sesudah diteliti lebih dalam, ternyata inti atom masih bisa dibagi
menjadi lebih kecil:proton dan neutron. Ternyata proton dan
neutron dibentuk oleh zarah-zarah yang lebih kecil, disebut kuark-kuark.
Bagian-bagian atau
belahan-belahan yang lebih kecil dari atom tadi dipandang berada subatom, di bawah atom. Partikel-partikel yang
sifatnya adalah di bawah atom lalu disebut partikel-partikel atau zarah-zarah subatomik.
Para fisikawan yang meneliti
partikel-partikel percaya kuark, suatu partikel subatomik, bersifat mendasar.
Artinya, zarah subatomik ini tidak bisa dibagi lagi menjadi lebih kecil.
Partikel Elementer atau Fundamental
Struktur materi:
Materi dibentuk oleh partikel-partikel sangat kecil bernama atom-atom.
Selanjutnya, atom dibentuk oleh inti sangat kecil yang dikitari suatu awan
partikel bernama elektron. Inti atom terdiri dari proton dan neutron,
masing-masing dibentuk oleh partikel-partikel lebih kecil yang disebut kuark.
Kuark dipercaya bersifat fundamental, tidak bisa lagi dibelah menjadi partikel
yang lebih kecil
Zarah-zarah subatomik
yang oleh ilmuwan dipercaya tidak bisa dibelah lagi menjadi lebih kecil disebut partikel-partikel elementer atau partikel-partikel fundamental.
Partikel-partikel fundamental menyediakan satuan-satuan dasar yang membentuk
semua materi dan energi di alam semesta.
Materi = energi
Frasa "materi dan energi" menyiratkan
suatu gagasan besar dari Albert Einstein. Suatu persamaan matematiknya yang
anggun adalah: E=mc2. Melalui persamaan ini, dia meramalkan bahwa energi bisa
diubah menjadi materi.
Fermion atau boson
Apakah kuark
satu-satunya partikel fundamental yang tidak bisa dibelah lagi? Ternyata tidak.
Di samping kuark, ada tiga partikel fundamental lain: lepton, boson yang menyalurkan forsa, dan boson Higgs.
Penelitian lebih
mendalam dari partikel-partikel elementer menunjukkan bahwa materi - seperti
planet, orang, rumah, hewan, tanaman, dan atom - ternyata bisa dikelompokkan ke
dalam salah satu dari dua kategori partikel subatomik: fermion atau boson. Yang menetapkan apakah berbagai
jenis materi tergolong pada fermion atau boson adalah perilaku suatu partikel
atau kelompok partikel di dalamnya. Beda antara kedua kategori ini tidak tampak
pada skala besar, seperti pada rumah atau orang, tapi ia punya implikasi yang
jauh dalam dunia atom dan zarah-zarah elementer. Partikel-partikel elementer
dikelompokkan entah sebagai fermion atau boson. Fermion-fermion fundamental
bergabung membentuk atom dan partikel-partikel lain yang lebih khas. Sementara
itu, boson-boson fundamental menyalurkan keempat forsa fundamental alam semesta
antara partikel-partikel dan memberi massa atau bobot pada partikel-partikel.
Secara khusus, zarah-zarah yang menyalurkan keempat forsa fundamental
berpengaruh pada materi dan lawannya, antimateri; zarah-zarah dengan peranan
ini adalah boson-boson yang disebut penyalur forsa-forsa (force carriers).
Kedua istilah tadi
berasal dari nama dua orang fisikawan tenar abad ke-20. Fermion dinamakan
sesuai sebagian nama Enrico Fermi, fisikawan berdarah Yahudi yang sudah kita
kenal dari suatu tulisan sebelumnya. Boson mengacu pada Bose, nama marga atau
kedua seorang matematikawan India bernama Satyendra Bose.
Fermion-fermion
fundamental yang membentuk materi tergolong pada dua kategori: lepton dan kuark. Setiap lepton dan kuark
punya pasangan antipartikelnya; antipartikel ini punya massa yang sama dengan
pasangannya - lepton dan kuark - tapi muatan listriknya berbeda.
Penggagas teori
tentang kuark adalah Murray Gell-Man, seorang fisikawan AS. Dia membuat riset
tentang interaksi zarah-zarah elementer. Melalui riset ini, dia mengajukan
teorinya tentang kuark. Teori ini mengantarnya untuk meraih Hadiah Nobel dalam
Ilmu Fisika pada tahun 1969.
Meskipun demikian,
teori kuark Murray Gell-Mann belum dibuktikan melalui eksperimen ilmiah. Ini
baru dilakukan tahun 1969 oleh tiga orang fisikawan: Jerome Friedman dan Henry
Kendall dari Amerika Serikat serta Richard Taylor dari Kanada. Eksperimen
mereka menunjukkan bahwa proton punya struktur internal. Eksperimen tersebut
mengantar mereka untuk meraih Hadiah Nobel Ilmu Fisika tahun 1990.
Leon Lederman dari AS
dan koleganya menemukan suatu generasi ketiga kuark pada tahun 1977. Partikel
fundamental ini mereka namakan kuark
bottom.
Para fisikawan
percaya masih ada lagi sejenis boson fundamental lain yang mereka namakan boson Higgs. Boson Higgs
memberi massa pada materi dan antimateri. Tapi mereka sejauh ini belum
menemukan boson Higgs.
Kata
"Higgs" mengacu pada nama keluarga seorang fisikawan asal Inggris:
Peter Higgs. Dialah yang mengajukan teori tentang adanya boson itu pada tahun
1964, kemudian boson Higgs dijadikan suatu istilah ilmu fisika kuantum sebagai
suatu tanda penghormatan baginya.
Tahun 1983, suatu
partikel penyalur forsa nuklir lemah ditemukan oleh Carlo Rubbia, seorang
fisikawan asal Italia, dan koleganya. Partikel ini dinamakan boson W dan Z. Rubbia dan Simon Van der Meer,
seorang fisikawan dari Belanda, meraih bersama-sama Hadiah Nobel untuk Ilmu
Fisika tahun 1984 karena karya mereka tentang penemuan boson W dan Z.
Neutrino, muon, dan tau
Penelitian-penelitian
makin jauh menemukan lagi bahwa lepton masih ada berbagai jenisnya. Jenis-jenis
ini diberi nama-nama khas dan generasinya.
Bagaimanakah lepton
generasi pertama dibentuk? Melalui rerasan (decay) atomik. Ketika
mereras, atom-atom secara radioaktif terkadang memancarkan suatu elektron dalam
suatu proses yang disebut rerasan
beta.
Rerasan beta dikaji
dan para ilmuwan menemukan suatu partikel fundamental baru yang mereka namakan neutrino elektron. Ia ternyata suatu jenis lepton
tanpa muatan listrik. Jenis neutrino ini adalah juga generasi pertama lepton.
Atom melepaskan neutrino bersama elektron ketika melepaskan rerasan beta.
Para fisikawan lalu
menemukan lagi suatu partikel yang mirip elektron dan proton. Tapi ia lebih
berat dari elektron dan lebih ringan dari suatu proton. Partikel ini disebut muon, generasi kedua lepton
yang bermuatan listrik.
Penemu muon pada
tahun 1947 adalah Carl Anderson dan Seth Neddermeyer, dua orang fisikawan. Ini
indikasi pertama suatu jenis lepton yang baru.
Penemuan muon
mengantar para fisikawan pada penemuan sejenis lepton yang baru yang disebut neutrino muon pada tahun 1962. Ternyata, muon punya
mitra yang secara listrik netral terhadapnya. Itulah neutrino muon. Jenis neutrino
ini punya massa yang sangat kecil atau tanpa massa. Muon neutrino dilepaskan
ketika suatu muon mereras. Muon dan neutrinonya dipandang generasi kedua
lepton.
Dua orang fisikawan
AS yang lain, Martin Perl dan Frederick Reines, bersama koleganya menemukan tau, suatu lepton generasi
ketiga yang bermuatan listrik. Seperti neutrino muon, tau punya suatu mitra
netral secara listrik bernama neutrino
tau. Neutrino tau punya massa yang sangat kecil. Karena penemuannya, Perl
dan Reines kemudian meraih Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1995.
Fermion, asas ekslusi, dan neutrino elektron
Wolfang Pauli,
seorang fisikawan AS berdarah Yahudi kelahiran Austria, berjasa dalam
merumuskan suatu aturan ilmu fisika. Ilmu ini lalu menolong merumuskan
fermion-fermion.
Dia juga menunjukkan
bahwa setiap elektron unik. Unik dalam arti tidak satupun dari dua elektron
bisa punya sifat dan lokasi yang sama.
Wolfgang Pauli
terkenal juga karena suatu gagasan besarnya dalam ilmu fisika kuantum. Itulah asas ekslusi. Asas ini
menjelaskan mengapa semua elektron dalam atom-atom punya jumlah energi yang
agak berbeda. Asas ini belum dikukuhkan secara matematik.
Pembuktiannya
kemudian dilakukan oleh Enrico Fermi dan Paul Dirac, seorang fisikawan Inggris.
Mereka berdua mengembangkan persamaan matematik yang memerikan perilaku
elektron. Persamaan mereka menyediakan bukti matematik dari asas ekslusi. Karena
berjasa dalam menemukan asas ekslusi, Wolfgang Pauli meraih Hadiah Nobel untuk
Ilmu Fisika tahun 1945.
Para fisikawan lalu
menyebut partikel-partikel yang mematuhi asas ekslusi sebagai fermion-fermion.
Contoh-contoh fermion mencakup proton, neutron, dan kuark.
Awal abad ke-20, para
ilmuwan memelajari rerasan beta. Mereka memerhatikan bahwa jumlah massa dan
energi sebelum rerasan itu lebih besar dari jumlah massa dan energi yang ada
sesudah rerasan itu. Untuk menghitung energi yang hilang itu, Wolfgang Pauli
mengusulkan tahun 1928 bahwa ada suatu partikel baru.
Hipotetisnya terbukti
betul. Partikel itu sekarang dikenal dengan sebutan neutrino listrik.Ia tanpa
muatan listrik dan tanpa muatan warna.
Hampir 30 tahun
sesudah Pauli pertama kali mengusulkan adanya partikel tadi, dua orang
fisikawan AS menemukan neutrino itu pertama kali tahun 1956. Mereka adalah
Frederick Reines dan Clyde Cowen. Reines berbagi Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika
tahun 1995 dengan seorang fisikawan lain untuk eksperimennya.
Partikel yang tidak mematuhi asas ekslusi
Foton atau partikel cahaya tergolong
pada beberapa partikel yang tidak mematuhi asas eksklusi. Dua foton atau lebih
bisa punya ciri yang persis sama.
Ciri tadi dinyatakan Albert Einstein
dan Satyendra Bose. Mereka berdua mengembangkan seperangkat persamaan matematik
yang memerikan perilaku partikel yang tidak mematuhi asas ekslusi.
Zarah antimateri
Dalam alam semesta,
ada materi dan lawannya, antimateri. Akan tetapi, materi masa kini lebih banyak
dari antimateri. Mengapa ada kepincangan ini, para ilmuwan belum menemukan
jawaban yang tuntas. Ada materi dan antimateri berarti ada partikel dan
antipartikel.
Paul Dirac meramalkan
pada tahun 1928 bahwa ada antipartikel, yang bergabung membentuk antimateri.
Antipartikel punya massa yang sama dengan pasangan partikel normalnya, tapi
punya beberapa jumlah yang berlawanan, seperti muatan listrik dan muatan warna.
Semua fermion punya
antipartikel-antipartikel. Partikel anti dari suatu elektron disebut positron dan partikel anti dari proton
disebut antiproton. Antiproton terdiri dari antikuark.
Penemu positron
adalah Carl Anderson. Dia mengukuhkan teori Paul Dirac tentang pasangan
antipartikel dan antimateri, yaitu partikel dan materi. Karena penemuannya,
Anderson berbagi Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1936.
Penyatuan dua forsa dan model baku
Berbeda dengan
fisikawan-fisikawan tadi, Steven Weinberg dan Sheldon Glashow dari AS serta
Abdus Salam dari Pakistan berhasil menyatukan forsa elektromagnetik dan nuklir
lemah pada tahun 1967. Karena hasil risetnya, ketiga fisikawan ini berbagi
Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1979.
Mereka bertiga pun
terkenal dalam ilmu fisika modern karena teori mereka yang dikenal sebagai model baku (standard model) ilmu fisika
tentang zarah-zarah. Teori ini adalah hasil pengembangannya secara matematik
tentang hakekat dan perilaku partikel-partikel elementer. Teori mereka sangat
memajukan pemahaman tentang partikel-partikel fundamental dan forsa-forsa di
alam semesta.
Realitas Kuantum yang Aneh
Niels Bohr, salah
seorang ilmuwan kunci di balik ilmu fisika kuantum modern, mengatakan,
"Siapa pun yang tidak terguncang akal budinya oleh teori kuantum tidak
memahaminya." Pernyataannya menyiratkan realitas aneh dunia kuantum,
realitas yang sering menantang logika sehari-hari kita.
Bagaimanakah kita
memahami keanehan dunia kuantum? Bisa melalui tiga eksperimen yang disebut
eksperimen melalui celah ganda, eksperimen dengan bola lampu listrik, dan
eksperimen dengan kucing Schroedinger.
Eksperimen celah ganda
Ini yang paling mudah
dari ketiga-tiganya. Percobaan ini melibatkan penyinaran seberkas cahaya
melalui dua celah yang sama ukurannya dan sejajar. Di belakang kedua celah itu
terbentang layar. Kemudian, suatu foton tunggal atau partikel cahaya ditembak
melalui salah satu celah. Anehnya, foton tunggal itu menyela dirinya sendiri
pada layar, seakan-akan ia bergerak melewati kedua celah itu secara
serentak.
Untuk memahami secara
mendasar eksperimen ini, ada visualisasinya ditambah suara dalam bahasa Inggris
di Internet. Ketiklah http://www.youtube.com/, lalu ketiklah pada
kotak dialog untuk video dr quantum - double slit experiment. Anda akan melihat
videonya, berisi gambar seorang lelaki berjubah kuning dan biru miripSuperman, separuh kepalanya berambut uban dan
berkaca mata tebal. Dia secara menawan menjelaskan dalam bahasa Inggris yang
sederhana keanehan dunia kuantum melalui eksperimen celah ganda.
Eksperimen dengan bola lampu listrik
Bayangkan kawat pijar
sebuah bola lampu listrik yang memancarkan suatu foton. Pancaran foton
tampaknya mengikuti suatu arah yang acak. Bagaimana bisa ada peluang untuk
menemukan foton itu pada suatu titik tertentu? Akan tampak sejenis gelombang.
Gelombang ini mirip suatu riak yang ditimbulkan sebuah batu kerikil yang
dijatuhkan ke dalam suatu kolam air; mirip riak ini, pancaran foton tadi akan
menjalar ke luar dari kawat pijar itu.
Keanehan kuantum
terjadi ketika Anda membuat pengamatan. Begitu Anda melihat ke arah
foton-foton, fungsi gelombang-gelombangnya ambruk menjadi suatu titik tunggal.
Titik tunggal itulah realitas sesungguhnya dari foton-foton itu!
Eksperimen dengan kucing Schroedinger
Erwin Schroedinger
(1887-1961) adalah seorang fisikawan Austria. Dia terkenal dalam ilmu fisika
modern karena suatu eksperimen pikiran (thought experiment) yang disebut
eksperimen dengan kucing Schroedinger. Eksperimen ini menunjukkan sekali lagi
keanehan dunia kuantum yang menantang logika sehari-hari kita. Dia ikut meraih
Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika pada tahun 1933.
Percobaan ilmiah ini
berasal dari teorinya. Dalam percobaan ini, seekor kucing piaraan dimasukkan ke
dalam sebuah kotak yang berisi sebotol racun sianida. Kotak ini berisi juga
perlengkapan lain yang memampukan suatu detektor mengamati suatu elektron yang
terpisah. Selain itu, detektor ini bisa menetapkan apakah elektron itu spin
up (berpusing-pusing ke atas)
atau spin down (berpusing-pusing ke bawah). (Elektron
tersebut bisa punya salah satu ciri ini, ciri yang tampaknya
"dipilih" secara acak.) Kalau elektron itu spin up, botol sianida itu
terbuka dan kucing memperolehnya. Sepuluh menit kemudian, kotak itu dibuka
untuk melihat apakah kucing itu mati karena racun sianida atau hidup.
Pertanyaannya ialah: kucing berada dalam keadaan mana antara detektor yang
tengah aktif dan Anda yang tengah membuka kotak itu?
Mekanika kuantum
menunjukkan bahwa sesudah suatu waktu kucing itu mati dan hidup sekaligus. Tapi
begitu kita melihat ke dalam kotak itu, kita melihat bahwa kucing itu entah
hidup atau entah mati.
Eksperimen pikiran
Schroedinger bertujuan untuk membahas keanehan superposisi kuantum. Ini suatu keadaan yang di dalamnya
suatu benda kuantum seperti sebuah atom berada dalam lebih dari satu keadaan
pada suatu waktu. Atom ini, misalnya, bisa berada dalam banyak tempat
sekaligus. Interferens atau interaksi antara keadaan-keadaan
individual dalam superposisi membentuk keanehan kuantum. Dekoherens, kebalikan
interferens, mencegah interaksi seperti itu dan, karena itu, menghancurkan
perilaku kuantum.
Kucing Schroedinger: mati atau hidup?
Sepertinya, belum ada yang melakukan
eksperimen ini. Tapi ia memang menunjukkan suatu paradoks (seseorang, sesuatu
atau keadaan yang punya dua ciri yang berlawanan dan karena itu tampak aneh)
yang muncul dalam beberapa interpretasi tentang dunia kuantum.
Enam Penafsiran tentang Keanehan Kuantum
Anda sebenarnya tidak perlu berpikir
tentang keanehan dunia kuantum yang ditunjukkan ketiga eksperimen tadi. Tapi
kalau Anda penasaran untuk memikirkannya, Anda harus percaya pada salah satu
dari beberapa penafsiran berikut:
·
Kesadaranmu memengaruhi perilaku zarah-zarah subatomik.
·
Kalau penafsiran pertama Anda tolak, ada penafsiran lain:
partikel-partikel bergerak ke belakang dan ke depan dalam waktu dan tampak
dalam semua tempat yang mungkin ada secara serentak.
·
Tidak sepakat dengan kedua penafsiran tadi? Ada penafsiran
ketiga: alam semesta terpecah-belah dalam sepersekian dari sepersekian dari
sepersekian dari sepersekian dari sepersekian dari sepersekian dari satu detik
- ini disebut waktu Planck - menjadi miliaran alam semesta
paralel.
·
Masih ada penafsiran lain lagi kalau Anda tidak setuju dengan
ketiga penafsiran tadi: alam semesta saling terkait dengan pengirim informasi
yang lebih cepat dari cahaya.
Semua penafsiran yang
berbeda-beda tentang ilmu fisika kuantum tadi saling bersaing. Yang dicari
adalah arti atau makna semua gejala kuantum tadi. Meskipun berbeda
penafsirannya, semuanya sama dalam menjelaskan semua fakta dan menjelaskan
hasil setiap eksperimen secara tepat.
Di antara sekian
penafsiran, kita akan menyoroti lebih jauh enam penafsiran yang berbeda.
Pertama, penafsiran Kopenhagen; kedua, penafsiran tentang banyak dunia; ketiga,
penafsiran tentang gelombang pemandu, variabel tersembunyi, dan ketertiban yang
melibatkan; keempat, penafsiran tentang sejarah yang berganti-ganti; kelima,
penafsiran tentang pembalikan waktu; dan, keenam, penafsiran transaksional.
Penafsiran Kopenhagen
Tokoh berpengaruh di balik penafsiran
ini adalah Niels Bohr dari Universitas Kopenhagen di Denmark. Penafsiran ini
tiba pada suatu kesimpulan: kesadaran dan ilmu fisika tentang partikel saling
bertautan.
Penafsiran tentang banyak dunia
Penafsiran ini
menghasilkan suatu konsep yang disebut dekoherens.
Menurut konsep ini, berbagai alam semesta bisa bercabang-cabang ke luar secara
cepat sehingga ada sedikit sekali hubungan antara cabang-cabang itu dalam suatu
pecahan yang sangat kecil dari satu detik.
Penafsiran tentang
banyak dunia termasuk salah satu yang paling populer tentang keanehan dunia
kuantum. Ini berarti miliaran dari diri Anda terbelah-belah setiap sepersekian
detik menjadi banyak alam semesta yang terpisah. Ini berarti juga setiap jenis
materi apa pun ada dalam salah satu alam semesta ini. Timbullah suatu konsep
yang sulit dicerna: suatu belahan Anda yang berusia 500 tahun ada dalam alam
semesta yang lain sementara belahan lain mati sejak lahir dalam alam semesta
lain lagi.
Penggagas
interpretasi tentang banyak dunia adalah Max Tegmark dari Universitas
Princeton, Amerika Serikat. Pada tahun 1997, dia mengajukan suatu eksperimen
untuk membuktikan bahwa interpretasinya betul. Percobaan ini melibatkan suatu
senapan yang berisi peluru, diarahkan pada kepalamu, dan pemicunya ditarik.
Anda tewas seketika, bukan? Tapi, Tegmark akan bertanya balik: dalam alam
semesta yang manakah Anda tewas? Lalu dia akan mengatakan Anda bisa tewas dan
hidup sekaligus: tewas dalam satu alam semesta tapi hidup dalam alam semesta
yang lain! Anda tentu akan hidup dalam alam semesta tempat senapan, untuk
alasan apapun, gagal dipicu. Kalau tembakan senapan gagal setiap kali, Anda
boleh menarik napas lega dan percaya penafsiran tentang banyak dunia benar.
Jadi, dalam satu alam semesta, keluargamu akan meratap pada pemakamanmu tapi
dalam alam semesta yang lain, mereka barangkali menggeleng-gelengkan kepala
sambil menggerutu karena eksperimen dengan senapan yang berisi peluru gagal
ketika pemicunya ditarik.
Penafsiran tentang gelombang pemandu, variabel
tersembunyi, dan ketertiban yang melibatkan
Penafsiran ini berasal dari David Bohm
(1917-1992), seorang fisikawan berotak sangat cemerlang. Teorinya tentang
banyak dunia anggun tapi rumit.
Teori Bohm mengikuti beberapa wawasan
asli Louis de Broglie (1892-1987). Fisikawan inilah yang pertama kali meneliti
pada tahun 1924 sifat-sifat mirip gelombang dari perilaku zarah-zarah. De
Broglie mengakui fungsi gelombang (wavefunction) penafsiran Kopenhagen;
fungsi gelombang ini normal. Tapi dia menyatakan ada suatu gelombang kedua,
jenis gelombang yang dia temukan. Menurut Bohm, gelombang kedua menetapkan
suatu posisi yang tepat bagi suatu partikel pada waktu khusus apapun. Menurut
teorinya, ada beberapa variabel tersembunyi yang menetapkan posisi yang tepat
dari foton.
Selanjutnya, teori
Bohm tentang gelombang kedua memang lebih cepat dari cahaya. Semakin jauh
rambatannya, ia bukannya melemah melainkan menembus seluruh alam semesta secara
cepat. Gelombang cahaya ini sekaligus berperan sebagai suatu penuntun bagi
gerakan foton. Itulah sebabnya gelombang kedua Bohm disebut suatu
"gelombang pemandu".
Teori David Bohm menjelaskan secara
sempurna paradoks-paradoks ilmu fisika kuantum. Tapi teori ini memperkenalkan
suatu gelombang yang lebih cepat dari cahaya. Konsep ilmiah ini memperkenalkan
juga beberapa mekanisme yang tersembunyi untuk menetapkan arah tujuan gelombang
itu, yaitu, untuk menciptakan suatu "ketertiban yang melibatkan (implicate
order)". Gagasan Bohm tentang gelombang yang melebihi kecepatan cahaya
mengganggu pikiran banyak fisikawan yang berpegang pada teori relativitas
Einstein bahwa unsur paling cepat dalam alam semesta adalah cahaya.
Penafsiran tentang sejarah yang berganti-ganti
Meski sangat berbeda, penafsiran ini
mirip penafsiran tentang banyak dunia. Penafsiran tentang sejarah yang
berganti-ganti bersikukuh bahwa hanya hasil terakhir itulah dunia sesungguhnya;
realitas-realitas lain yang di dalamnya kita ada sebenarnya tidak ada. Ini
menyiratkan bahwa realitas-realitas itu "ambruk".
Penafsiran tentang pembalikan waktu
Penafsiran ini
memberi penjelasan rasional tentang hasil percobaan melalui celah ganda.
Mengapa satu partikel yang ditembakkan melalui satu celah saja bisa muncul pada
dua tempat di layar monitor?
Penafsiran yang
menjawab pertanyaan tadi berasal dari Richard Feynman (1918-1988). Dia seorang
jenius yang mengembangkan suatu pendekatan baru terhadap mekanika kuantum.
Prestasi puncak yang diresmikannya adalah suatu cabang ilmu fisika kuantum
bernama Elektrodinamika
Kuantum, teori ilmiah paling
cermat yang pernah digagaskan. Dia juga mengembangkan Diagram Feynman, yang
menandakan interaksi dua partikel sebagai pertukaran suatu zarah ketiga.
Diagram ini menunjukkan waktu pada satu sumbu dan ruang pada sumbu lain;
interaksi kedua partikel tadi bisa dipandang sebagai terjadi baik ke arah depan
maupun ke arah belakang dalam waktu.
Suatu contoh yang
memakai sebuah elektron bisa menjelaskan Diagram Feynman. Dalam perjalannya
dari titik A ke titik B, sebuah elektron bisa bertabrakan dengan sebuah foton.
Dalam diagramnya, tabrakan ini bisa digambarkan sebagai mengirimkan elektron
itu ke arah belakang tidak hanya dalam ruang tapi juga dalam waktu. Kemudian,
elektron itu bertabrakan dengan foton yang lain, yang menggerakkannya ke arah
depan sekali lagi dalam waktu, tapi mengikuti suatu arah yang berbeda dalam
ruang. Dengan cara ini, elektron itu bisa ada dalam dua tempat sekaligus.
Tidak diragukan lagi
bahwa suatu diagram Feynman menawarkan cara yang paling gampang untuk
meramalkan hasil suatu percobaan subatomik. Banyak fisikawan sudah melihat
kehebatan alat ini dan mengambil langkah berikut: mereka mengajukan argumen
bahwa perjalanan menembus waktu (time travel) ke arah belakang - ke masa
lampau - adalah apa yang sesungguhnya terjadi dalam realitas. Sulit bagi orang
awam dalam ilmu fisika modern tentang kuantum untuk memahami mengapa suatu
foton mental ke sana kemari begitu rupa sehingga tampak muncul pada dua tempat
sekaligus.
Penafsiran transaksional
Penafsiran ini dikemukakan John Cramer
dengan mengandalkan simetri-waktu yang mendasar dari alam semesta. Dia
berargumen bahwa zarah-zarah melakukan semacam "jabat tangan"
sementara saling berinteraksi. Yang satu menimbulkan rambatan suatu gelombang
ke arah depan dalam waktu, dan yang lain menimbulkan rambatan gelombang yang
lain ke arah belakang dalam waktu.
Jember, 2 Januari 2014
Dr. H.M. Nasim Fauzi
Jl. Gajah Mada 118
Tlp. (0331) 481127 Jember
Tidak ada komentar:
Posting Komentar