Teori Sains

Satu Abad Teori Mekanika Kuantum Mempertanyakan Sifat Dasar Realitas

Satu Abad Teori Mekanika Kuantum Mempertanyakan Sifat Dasar Realitas, Ilmuwan seperti pencari, menggali alam mencari permata pengetahuan tentang realitas fisik. Dan di abad yang lalu, para ilmuwan telah menggali cukup dalam untuk menemukan bahwa fondasi realitas tidak mencerminkan dunia penampilan sehari-hari. Pada akarnya, realitas dijelaskan oleh seperangkat aturan matematika misterius yang dikenal sebagai mekanika kuantum.

Diciptakan pada pergantian abad ke-20 dan kemudian muncul dalam bentuk penuhnya pada pertengahan 1920-an, mekanika kuantum adalah matematika yang menjelaskan materi. Ini adalah teori untuk menggambarkan fisika dunia mikro, di mana atom dan molekul berinteraksi untuk menghasilkan dunia pengalaman manusia. Dan itu adalah inti dari segala sesuatu yang membuat abad ini berlalu begitu dramatis tidak seperti abad sebelumnya. Dari ponsel hingga superkomputer, DVD hingga pdf, fisika kuantum memicu ekonomi berbasis elektronik saat ini, mengubah perdagangan, komunikasi, dan hiburan.

Tapi teori kuantum mengajarkan para ilmuwan lebih dari bagaimana membuat chip komputer. Itu mengajarkan bahwa kenyataan tidak seperti yang terlihat.

“Sifat dasar realitas bisa sangat berbeda dari dunia benda-benda yang kita kenal bergerak di ruang angkasa dan berinteraksi satu sama lain,” fisikawan Sean Carroll menyarankan dalam tweet baru-baru ini. “Kita seharusnya tidak membodohi diri sendiri dengan salah mengira dunia seperti yang kita alami untuk dunia sebagaimana adanya.”

Dalam makalah teknis yang mendukung tweetnya , Carroll mencatat bahwa teori kuantum terdiri dari persamaan yang menggambarkan entitas matematika yang menjelajahi alam abstrak dari kemungkinan peristiwa alam. Masuk akal, menurut Carroll, bahwa ranah kuantum dari kemungkinan matematis ini mewakili sifat dasar realitas yang sebenarnya. Jika demikian, semua fenomena fisik yang kita rasakan hanyalah “deskripsi tingkat tinggi yang muncul” dari apa yang sebenarnya terjadi.

Peristiwa “muncul” di ruang biasa adalah nyata dengan caranya sendiri, hanya saja tidak mendasar, menurut Carroll. Keyakinan bahwa “arena spasial” adalah fundamental “lebih merupakan masalah kenyamanan dan konvensi daripada salah satu prinsip,” katanya.

Menurut thebigvantheory.com Perspektif Carroll bukan satu-satunya cara untuk melihat makna matematika kuantum, dia mengakui, dan itu tidak sepenuhnya dimiliki oleh sebagian besar fisikawan. Tetapi semua orang setuju bahwa fisika kuantum telah mengubah secara drastis pemahaman umat manusia tentang alam. Faktanya, pembacaan sejarah yang adil menunjukkan bahwa teori kuantum adalah perubahan paling dramatis dalam konsepsi sains tentang realitas sejak orang Yunani kuno mengesampingkan penjelasan mitologis tentang fenomena alam yang mendukung logika dan akal. Bagaimanapun, fisika kuantum itu sendiri tampaknya menentang logika dan alasan.

Tentu saja tidak. Teori kuantum mewakili hasil akhir dari penalaran logis yang unggul, sampai pada kebenaran yang tidak pernah dapat ditemukan hanya dengan mengamati dunia yang terlihat.

Ternyata di dunia mikro — di luar jangkauan indera — fenomena memainkan permainan dengan aturan fantastik. Partikel dasar materi bukanlah batu kecil, tetapi lebih seperti gelombang hantu yang mempertahankan beberapa kemungkinan masa depan sampai dipaksa untuk menganggap substansi yang setara subatomik. Akibatnya, matematika kuantum tidak menggambarkan urutan sebab-akibat tanpa henti dari peristiwa-peristiwa seperti yang ditekankan oleh ilmu pengetahuan Newton. Alih-alih, sains berubah dari diktator menjadi pembuat peluang; matematika kuantum hanya menceritakan probabilitas untuk kemungkinan hasil yang berbeda. Beberapa ketidakpastian selalu tetap ada.

Revolusi kuantum

Penemuan ketidakpastian kuantum adalah yang pertama kali membuat dunia terkesan dengan kedalaman revolusi kuantum. Fisikawan Jerman Werner Heisenberg, pada tahun 1927, mengejutkan komunitas ilmiah dengan pernyataan bahwa fisika sebab-akibat deterministik gagal ketika diterapkan pada atom. Heisenberg menyimpulkan, tidak mungkin mengukur baik lokasi dan kecepatan partikel subatomik pada saat yang bersamaan. Jika Anda mengukur satu dengan tepat, beberapa ketidakpastian tetap ada untuk yang lain.

”Sebuah partikel mungkin memiliki tempat yang tepat atau kecepatan yang tepat, tetapi tidak dapat memiliki keduanya,” seperti yang dilaporkan Science News Letter , pendahulu Science News , pada tahun 1929 . “Dinyatakan dengan kasar, teori baru menyatakan bahwa kebetulan menguasai dunia fisik.” Prinsip ketidakpastian Heisenberg “ditakdirkan untuk merevolusi ide-ide alam semesta yang dipegang oleh para ilmuwan dan orang awam ke tingkat yang lebih besar daripada relativitas Einstein.”

Terobosan Heisenberg adalah puncak dari serangkaian kejutan kuantum. Pertama kali datang penemuan fisikawan Jerman Max Planck, pada tahun 1900, bahwa cahaya dan bentuk lain dari radiasi dapat diserap atau dipancarkan hanya dalam paket diskrit, yang Planck disebut kuanta. Beberapa tahun kemudian Albert Einstein berpendapat bahwa cahaya juga berjalan melalui ruang sebagai paket, atau partikel, yang kemudian disebut foton. Banyak fisikawan menganggap petunjuk kuantum awal seperti itu tidak penting. Tetapi pada tahun 1913, fisikawan Denmark Niels Bohr menggunakan teori kuantum untuk menjelaskan struktur atom. Segera dunia menyadari bahwa realitas perlu diperiksa ulang.

Pada tahun 1921, kesadaran akan revolusi kuantum mulai berkembang melampaui batas-batas konferensi fisika. Pada tahun itu, Science News Bulletin , iterasi pertama Science News , mendistribusikan apa yang “diyakini sebagai penjelasan populer pertama” dari teori radiasi kuantum, yang diberikan oleh ahli kimia fisik Amerika William D. Harkins. Dia menyatakan bahwa teori kuantum “jauh lebih penting secara praktis” daripada teori relativitas.

“Karena itu menyangkut dirinya sendiri dengan hubungan antara materi dan radiasi,” tulis Harkins , teori kuantum “adalah signifikansi mendasar sehubungan dengan hampir semua proses yang kita ketahui.” Listrik, reaksi kimia, dan bagaimana materi merespons panas semuanya memerlukan penjelasan teori kuantum.

Mengenai atom, fisika tradisional menegaskan bahwa atom dan bagian-bagiannya dapat bergerak “dalam banyak cara yang berbeda,” kata Harkins. Tetapi teori kuantum menyatakan bahwa “dari semua keadaan gerak (atau cara bergerak) yang ditentukan oleh teori yang lebih tua, hanya sejumlah tertentu yang benar-benar terjadi.” Oleh karena itu, peristiwa yang sebelumnya diyakini “terjadi sebagai proses yang berkelanjutan, sebenarnya terjadi dalam langkah-langkah.”

Tetapi pada tahun 1921 fisika kuantum tetap embrionik. Beberapa implikasinya telah diketahui, tetapi bentuk lengkapnya tetap belum dikembangkan secara rinci. Adalah Heisenberg, pada tahun 1925, yang pertama kali mengubah petunjuk yang membingungkan menjadi gambar matematika yang koheren. Kemajuannya yang menentukan adalah mengembangkan cara untuk merepresentasikan energi elektron dalam atom menggunakan aljabar matriks. Dengan bantuan dari fisikawan Jerman Max Born dan Pascual Jordan, matematika Heisenberg dikenal sebagai mekanika matriks. Tak lama kemudian, fisikawan Austria Erwin Schrödinger mengembangkan persamaan bersaing untuk energi elektron, melihat partikel yang dianggap sebagai gelombang yang dijelaskan oleh fungsi gelombang matematika. “Mekanika gelombang” Schrödinger ternyata secara matematis setara dengan pendekatan berbasis partikel Heisenberg,

Namun, beberapa kebingungan tetap ada. Tidak jelas bagaimana pendekatan yang menggambarkan elektron sebagai partikel bisa setara dengan satu elektron yang mengandaikan gelombang. Bohr, yang saat itu dianggap sebagai fisikawan atom terkemuka di dunia, merenungkan pertanyaan itu secara mendalam dan pada tahun 1927 tiba pada sudut pandang baru yang disebutnya saling melengkapi.

Bohr berpendapat bahwa pandangan partikel dan gelombang saling melengkapi; keduanya diperlukan untuk deskripsi lengkap fenomena subatomik. Apakah sebuah “partikel” – katakanlah, elektron – menunjukkan sifat gelombang atau partikelnya tergantung pada pengaturan eksperimental yang mengamatinya. Alat yang dirancang untuk menemukan partikel akan menemukan partikel; alat yang diarahkan untuk mendeteksi perilaku gelombang akan menemukan gelombang.

Baca Juga : Teori Relativitas Umum Einstein Terbukti Kebenaranya

Pada waktu yang hampir bersamaan, Heisenberg menurunkan prinsip ketidakpastiannya. Sama seperti gelombang dan partikel tidak dapat diamati dalam eksperimen yang sama, posisi dan kecepatan tidak dapat keduanya diukur secara tepat pada waktu yang sama. Sebagai fisikawan Wolfgang Pauli berkomentar, “Sekarang menjadi hari dalam teori kuantum.”

Tapi petualangan kuantum benar-benar baru saja dimulai.

Debat hebat

Banyak fisikawan, termasuk Einstein, menyesalkan implikasi prinsip ketidakpastian Heisenberg. Pengenalannya pada tahun 1927 menghilangkan kemungkinan memprediksi secara tepat hasil pengamatan atom. Seperti yang telah ditunjukkan Born, Anda hanya dapat memprediksi probabilitas untuk berbagai kemungkinan hasil, menggunakan perhitungan yang diinformasikan oleh fungsi gelombang yang telah diperkenalkan Schrödinger. Einstein dengan terkenal membalas bahwa dia tidak percaya bahwa Tuhan akan bermain dadu dengan alam semesta. Lebih buruk lagi, dalam pandangan Einstein, dualitas gelombang-partikel yang dijelaskan oleh Bohr menyiratkan bahwa seorang fisikawan dapat mempengaruhi realitas dengan memutuskan jenis pengukuran yang akan dibuat. Tentunya, Einstein percaya, realitas ada secara independen dari pengamatan manusia.

Pada saat itu, Bohr melibatkan Einstein dalam serangkaian diskusi yang kemudian dikenal sebagai debat Bohr-Einstein, dialog berkelanjutan yang memuncak pada tahun 1935. Pada tahun itu, Einstein, dengan kolaborator Nathan Rosen dan Boris Podolsky, menjelaskan sebuah eksperimen pemikiran yang diduga menunjukkan bahwa mekanika kuantum tidak dapat menjadi teori realitas yang lengkap.

Dalam rangkuman singkat di Science News Letter pada Mei 1935, Podolsky menjelaskan bahwa teori yang lengkap harus menyertakan “rekanan matematis untuk setiap elemen dunia fisik”. Dengan kata lain, harus ada fungsi gelombang kuantum untuk sifat-sifat setiap sistem fisik. Namun jika dua sistem fisik, masing-masing dijelaskan oleh fungsi gelombang, berinteraksi dan kemudian terbang terpisah, “mekanika kuantum … tidak memungkinkan kita untuk menghitung fungsi gelombang dari setiap sistem fisik setelah pemisahan.” (Dalam istilah teknis, kedua sistem menjadi “terjerat,” istilah yang diciptakan oleh Schrödinger.) Jadi matematika kuantum tidak dapat menggambarkan semua elemen realitas dan karena itu tidak lengkap.

Bohr segera menjawab , seperti yang dilaporkan dalam Science News Letter pada Agustus 1935. Dia menyatakan bahwa kriteria Einstein dan rekan-rekannya untuk realitas fisik adalah ambigu dalam sistem kuantum. Einstein, Podolsky dan Rosen berasumsi bahwa suatu sistem (katakanlah sebuah elektron) memiliki nilai-nilai tertentu untuk sifat-sifat tertentu (seperti momentumnya) sebelum nilai-nilai itu diukur. Mekanika kuantum, Bohr menjelaskan, mempertahankan kemungkinan nilai yang berbeda untuk sifat partikel sampai salah satunya diukur. Anda tidak dapat mengasumsikan keberadaan “elemen realitas” tanpa menentukan eksperimen untuk mengukurnya.

Einstein tidak mengalah. Dia mengakui bahwa prinsip ketidakpastian benar sehubungan dengan apa yang dapat diamati di alam, tetapi bersikeras bahwa beberapa aspek realitas yang tidak terlihat menentukan jalannya peristiwa fisik. Pada awal 1950-an fisikawan David Bohm mengembangkan teori “variabel tersembunyi” yang mengembalikan determinisme ke fisika kuantum, tetapi tidak membuat prediksi yang berbeda dari matematika mekanika kuantum standar. Einstein tidak terkesan dengan usaha Bohm. “Cara itu tampaknya terlalu murah bagi saya,” tulis Einstein kepada Born, seorang teman seumur hidup.

Einstein meninggal pada tahun 1955, Bohr pada tahun 1962, tidak ada yang menyerah. Bagaimanapun, itu tampak seperti perselisihan yang tidak dapat diselesaikan, karena eksperimen akan memberikan hasil yang sama. Tetapi pada tahun 1964, fisikawan John Stewart Bell menyimpulkan teorema cerdas tentang partikel terjerat, memungkinkan eksperimen untuk menyelidiki kemungkinan variabel tersembunyi. Dimulai pada 1970-an, dan berlanjut hingga hari ini, eksperimen demi eksperimen mengkonfirmasi prediksi mekanika kuantum standar. Keberatan Einstein ditolak oleh pengadilan alam.

Namun, banyak fisikawan menyatakan ketidaknyamanan dengan pandangan Bohr (biasanya disebut sebagai interpretasi Kopenhagen mekanika kuantum). Salah satu tantangan yang sangat dramatis datang dari fisikawan Hugh Everett III pada tahun 1957. Dia bersikeras bahwa eksperimen tidak menciptakan satu realitas dari banyak kemungkinan kuantum, melainkan hanya mengidentifikasi satu cabang realitas. Semua kemungkinan eksperimental lainnya ada di cabang lain, semuanya sama nyatanya. Manusia hanya merasakan cabang khusus mereka sendiri, tidak menyadari yang lain sama seperti mereka tidak menyadari rotasi Bumi. “Penafsiran banyak dunia” ini pada awalnya diabaikan secara luas tetapi menjadi populer beberapa dekade kemudian, dengan banyak penganutnya saat ini.

Sejak karya Everett, banyak interpretasi lain dari teori kuantum telah ditawarkan. Beberapa menekankan “kenyataan” dari fungsi gelombang, ekspresi matematika yang digunakan untuk memprediksi peluang kemungkinan yang berbeda. Yang lain menekankan peran matematika sebagai penggambaran pengetahuan tentang realitas yang dapat diakses oleh para peneliti.

Beberapa interpretasi mencoba untuk mendamaikan pandangan banyak dunia dengan fakta bahwa manusia hanya melihat satu realitas. Pada 1980-an, fisikawan termasuk H. Dieter Zeh dan Wojciech Zurek mengidentifikasi pentingnya interaksi sistem kuantum dengan lingkungan eksternalnya, sebuah proses yang disebut dekoherensi kuantum. Beberapa dari banyak kemungkinan realitas partikel dengan cepat menguap saat bertemu materi dan radiasi di sekitarnya. Segera hanya satu dari kemungkinan realitas yang tetap konsisten dengan semua interaksi lingkungan, menjelaskan mengapa pada skala waktu dan ukuran manusia hanya satu realitas yang dirasakan.

Wawasan ini melahirkan interpretasi “sejarah yang konsisten”, yang dipelopori oleh Robert Griffiths dan dikembangkan dalam bentuk yang lebih rumit oleh Murray Gell-Mann dan James Hartle. Ini dikenal luas di kalangan fisikawan tetapi telah menerima sedikit popularitas yang lebih luas dan tidak menghalangi pencarian interpretasi lain. Para ilmuwan terus bergulat dengan apa arti matematika kuantum bagi hakikat realitas.

Itu dari bit kuantum

Pada 1990-an, pencarian kejelasan kuantum mengambil giliran baru dengan munculnya teori informasi kuantum. Fisikawan John Archibald Wheeler, murid Bohr, telah lama menekankan bahwa realitas spesifik muncul dari kabut kemungkinan kuantum dengan amplifikasi ireversibel — seperti elektron yang secara pasti menetapkan lokasinya dengan meninggalkan bekas setelah menabrak detektor. Wheeler menyarankan bahwa realitas secara keseluruhan dapat dibangun dari proses seperti itu, yang dia bandingkan dengan pertanyaan ya atau tidak — apakah elektron ada di sini? Jawaban sesuai dengan bit informasi, 1 dan 0 yang digunakan oleh komputer. Wheeler menciptakan slogan “dari bit” untuk menggambarkan hubungan antara keberadaan dan informasi.

Mengambil analogi lebih jauh, salah satu mantan siswa Wheeler, Benjamin Schumacher, menyusun gagasan tentang versi kuantum dari sedikit informasi klasik. Dia memperkenalkan bit kuantum, atau qubit, pada sebuah konferensi di Dallas pada tahun 1992 .

Qubit Schumacher memberikan dasar untuk membangun komputer yang dapat memproses informasi kuantum. “Komputer kuantum” seperti itu sebelumnya telah dibayangkan, dengan cara yang berbeda, oleh fisikawan Paul Benioff, Richard Feynman dan David Deutsch. Pada tahun 1994, matematikawan Peter Shor menunjukkan bagaimana komputer kuantum yang memanipulasi qubit dapat memecahkan kode rahasia terberat, meluncurkan pencarian untuk merancang dan membangun komputer kuantum yang mampu melakukan itu dan prestasi komputasi pintar lainnya. Pada awal abad ke-21, komputer kuantum yang belum sempurna telah dibangun; versi terbaru dapat melakukan beberapa tugas komputasi tetapi belum cukup kuat untuk membuat metode kriptografi saat ini menjadi usang. Namun, untuk jenis masalah tertentu, komputasi kuantum dapat segera mencapai keunggulan dibandingkan komputer standar .

Realisasi komputasi kuantum belum menyelesaikan perdebatan tentang interpretasi kuantum. Deutsch percaya bahwa komputer kuantum akan mendukung pandangan banyak dunia. Namun, hampir tidak ada orang lain yang setuju. Dan beberapa dekade eksperimen kuantum belum memberikan dukungan apa pun untuk interpretasi baru — semua hasil sesuai dengan harapan mekanika kuantum tradisional. Sistem kuantum mempertahankan nilai yang berbeda untuk sifat-sifat tertentu sampai salah satunya diukur, seperti yang ditekankan oleh Bohr. Tapi tidak ada yang benar-benar puas, mungkin karena pilar fisika fundamental abad ke-20 lainnya, teori gravitasi Einstein (relativitas umum), tidak sesuai dengan kerangka teori kuantum.

Selama beberapa dekade sekarang, pencarian teori gravitasi kuantum telah gagal, meskipun banyak ide yang menjanjikan. Baru-baru ini pendekatan baru menunjukkan bahwa geometri ruangwaktu, sumber gravitasi dalam teori Einstein, dalam beberapa cara dapat dibangun dari belitan entitas kuantum . Jika demikian, perilaku misterius dunia kuantum menentang pemahaman dalam hal peristiwa biasa dalam ruang dan waktu karena realitas kuantum menciptakan ruang-waktu, daripada menempatinya. Jika demikian, pengamat manusia menyaksikan realitas buatan dan muncul yang memberi kesan peristiwa yang terjadi dalam ruang dan waktu, sedangkan realitas sejati yang tidak dapat diakses tidak harus bermain menurut aturan ruang-waktu.

Secara kasar pandangan ini menggemakan pandangan Parmenides, filsuf Yunani kuno yang mengajarkan bahwa semua perubahan adalah ilusi. Indra kita menunjukkan kepada kita “cara melihat”, kata Parmenides; hanya logika dan akal yang dapat mengungkapkan “jalan kebenaran”. Parmenides tidak mencapai wawasan itu dengan melakukan matematika, tentu saja (dia mengatakan itu dijelaskan kepadanya oleh seorang dewi). Tapi dia adalah tokoh penting dalam sejarah sains, yang memprakarsai penggunaan penalaran deduktif yang ketat dan mengandalkannya bahkan ketika itu mengarah pada kesimpulan yang menentang pengalaman indrawi.

Namun seperti yang disadari oleh beberapa orang Yunani kuno lainnya, dunia indera memang menawarkan petunjuk tentang realitas yang tidak dapat kita lihat. “Fenomena adalah pemandangan yang tak terlihat,” kata Anaxagoras. Seperti yang dikatakan Carroll, dalam istilah modern, “dunia seperti yang kita alami” tentu saja terkait dengan “dunia sebagaimana adanya”.

“Tapi hubungannya rumit,” katanya, “dan itu pekerjaan nyata untuk mencari tahu.”

Faktanya, butuh dua milenium kerja keras bagi revolusi Yunani dalam menjelaskan alam untuk matang menjadi pemahaman mekanistik sains Newton tentang realitas. Tiga abad kemudian fisika kuantum merevolusi pemahaman sains tentang realitas ke tingkat yang sebanding. Namun kurangnya kesepakatan tentang apa artinya semua ini menunjukkan bahwa mungkin sains perlu menggali lebih dalam lagi.