Bila orang tanya, “Fizik Kuantum tu apa?”, pertama sekali saya akan nilai dulu setakat mana pengetahuan orang tersebut dalam sains.
Kalau orang tu tidak ada pengetahuan sains yang kukuh, saya akan beritahu mereka bahawa Fizik Kuantum adalah satu cabang Fizik yang dibina dari kerangka matematik.
Apa maksudnya?
Daripada Matematik, Menjadi Sains
Kita ambil contoh Sir Isaac Newton dan graviti. Dalam proses untuk menerangkan konsep graviti, Newton telahpun membina satu “matematik baharu” yang diberi nama kalkulus (calculus).
Untuk kes Fizik Kuantum, perkara sebaliknya terjadi.
Sewaktu dalam keadaan terdesak, dalam usaha beliau untuk menerangkan mengenai permasalahan jasad hitam (black body), Max Planck telah membina matematik dari satu kaedah yang beliau sendiri tak tahu macamana. Hal oni terkenal dalam sejarah Fizik sebagai suatu keadaan terdesak (act of desperation) di mana kerangka matematik dibina atas dasar fizik yang manusia sendiri tidak fahami.
Ironinya, setelah keberhasilan Max Planck dalam menerbitkan matematik tersebut dari entah mana (out of thin air), Albert Einstein merupakan orang pertama yang menggunapakai idea Planck tersebut dalam menerangkan kesan fotoelektrik. Dari penerangan inilah Einstein mendapatkan satu-satunya hadiah Nobel beliau, sedangkan Einstein amat yakin bahawa hasil kerjanya sebelum itu dalam Teori Kenisbian (Relativity Theory) sebenarnya lebih melayakkan beliau untuk menggondol anugerah Nobel.
Lebih tragis lagi sebenarnya, adalah apa yang terjadi selepas itu.
Pergaduhan Kuantum
Selepas Einstein dan Planck menjadi antara pemikir utama yang membina Fizik Kuantum, muncul nama-nama lain dalam bidang ini seperti Schroedinger, Dirac dan Heisenberg yang membina kerangka matematik tersebut dengan lebih mendalam.
Einstein tidak menyukai perkara tersebut. Bagi Einstein, matematik seharusnya hadir sebagai penerangan terhadap perkara fizikal yang sedang berlaku.
Namun kehadiran Revolusi Kuantum pada awal abad ke 20 ternyata melawan ideologi Einstein. Bagi kebanyakan saintis lain pula seperti Dirac dan Feynmann, matematik ini amat berguna bagi mereka dalan menerangkan banyak benda bagi objek-objek dalam skala kecil – objek dalam skala kuantum.
Dari ketidakpuasan hati Einstein inilah beliau mula menentang Teori Kuantum – kerana bagi Einstein setiap matematik perlu dijustifikasikan. Pada waktu tersebut, salah satu justifikasi paling tepat yang mampu dibuat oleh saintis hadir daripada idea Max Born : Fizik Kuantum ini hadir sebagai gambaran kebarangkalian.
Einstein tidak suka kebarangkalian. Bagi Einstein, konsep dalam Measurement Problem – suatu keadaan itu akan bercampur selagi mana pemerhatian tidak dilakukan adalah amat janggal – adalah amat bertentangan dengan apa yang Einstein perjuangkan. Bayangkan. Kalau elektron boleh berada dalam keadaan spin up dan spin down, menurut Fizik Kuantum, selama mana kita tidak mencerap elektron tersebut, elektron tersebut akan terus berada dalam keadaan bercampur tersebut sehinggalah cerapan dilakukan. Dari sini juga terhasil kisah kucing yang terkenal: Kucing Schroedinger.
Dari sinilah lahirnya ungkapan Einstein bahawa
“Aku ingin percaya bahawa bulan tetap berada di atas sana walaupun ketika aku tidak melihatnya.” Tidak logik bahawa akan wujud keadaan “bulan itu wujud dan tidak wujud serentak”.
Ini bukan aliran sufi yang ingin menerangkan keberwujudan objek, ini sains!
Maka Einstein mula menyerang Fizik Kuantum bertali arus. Dalam Konferens Solvey, Einstein “bergaduh besar” dengan si Neils Bohr, sehingga Debat Bohr-Einstein mencorakkan pemikiran saintis pada zaman mereka. Siapa yg percaya bahawa Einstein betul, dikategorikan sebagai Realist, manakala yang berpihak pada Bohr, dipanggil anti-realist.
Einstein terus menerus menyerang, dan salah satu serangan yang kekal sampai hari ini, pastinya serangan paling terkenal, hadir daripada gabungan Einstein, Podolsky dan Rosen (EPR paradoks).
Kebergusutan Kuantum (Quantum Entanglement) – Asas Teleportasi?
Dalam paradoks ini, Einstein ingin membuktikan bahawa Fizik Kuantum tidak masuk akal, kerana akan berlakunya proses pemindahan maklumat dengan kelajuan melebihi cahaya (Faster Than Light Tramsmission). Sebelumnya, dalam Teori Kenisbian (Relativity Theory), Einstein telah meletakkan had kepada apa-apa kelajuan: halaju cahaya. Objek tidak boleh bergerak lebih laju dari cahaya, atau sekiranya objek itu bergerak lebih laju dari cahaya, ia akan memecahkan prinsip kesan-akibat (causality).
Maka, Einstein dan rakannya memulakan serangan mereka. Terdapat suatu kes dalam Fizik Kuantum, yang diberi nama Kebergusutan Kuantum (Quantum Entanglement). Kebergusutan ini terhasil apabila pasangan objek pada awalnya bergusut bersama (entangled together).
Mengambil contoh mudah dua elektron yang bergusut bersama. Elektron, seperti yg kita terangkan tadi, mempunyai sifat kuantum yg dikenali sebagai Spin. Spin ini ada dua keadaan, spin atas dan spin bawah.
Perkara yang menarik bagi objek yang bergusut ini adalah, apabila pasangan objek bergusut, satu objek akan memiliki satu sifat, manakala objek lain akan memiliki sifat sebaliknya. Maksudnya di sini, apabila satu elektron itu kita cerap sebagai memiliki spin atas, satu lagi elektron akan memiliki spin bawah.
Menurut Einstein, perkara ini adalah ganjil. Bayangkan sepasang objek digusutkan bersama – sepasang elektron misalnya. Kemudian, satu elektron kita bawak ke hujung alam, dan satu lagi elektron kita bawa ke hujung alam yang bertentangan.
Sekarang, sebelum kita mencerap, kita perlu ingat beberapa perkara.
– Kedua-dua objek tersebut bergusut antara satu sama lain.
– Sewaktu mereka sedang bergusut, mereka sedang berada dalam keadaan superposition (seperti yang dijelaskan tadi), mereka dalam keadaan atas dan bawah secara serentak.
– Sewaktu kita mencerap, akan berlaku apa yang dipanggil sebagai keruntuhan fungsi gelombang (wave function collapse) yang akan menjadikan elektron tersebut dari dua keadaan bercampur (superposition state) menjadi hanya satu keadaan : sama ada atas dan bawah.
Menurut Einstein, benda ini ganjil kerana informasi yang kita dapat adalah serta merta (instantaneous), sedangkan had kepada kelajuan objek di alam semesta adalah halaju cahaya. Maksudnya kalau satu cerapan kita dapat elektron tersebut adalah atas, maka cerapan lain kita akan tahu serta merta bahawa ia adalah bawah.
Menurut Einstein, perkara ini adalah ganjil, dan Einstein menggelarkan fenomena ini
“Spooky Action at a Distance”
Fenomena ini lebih tepatnya dikenali sebagai Quantum Entanglement (Kebergusutan Kuantum).
Walaupun Einstein menyerang hebat Fizik Kuantum, keberhasilan yang lahir akibat Fizik Kuantum adalah amat banyak. Maka sesetengah ahli Fizik seperti Bohr dan Feynmann mengambil jalan mudah – shut up and calculate.
Sehingga ke hari ini pun, saintis seperti Gerard t’ Hooft berpendapat bahawa matematik Fizik Kuantum ini amat berguna, it is a useful tool, as how he says it.
Adakah Fizik Kuantum akan Berjaya Dirungkai?
Kembali kepada Einstein, sehingga ke hari kematiannya, Einstein percaya dan yakin bahawa Fizik Kuantum tidak lengkap. Ya, ia berguna, namun ia belum lagi menyeluruh. Einstein merupakan antara tokoh pelopor bagi Teori Hidden Variable, salah satu cara saintis untuk bagitahu bahawa teori bagi Fizik Kuantum belum cukup sempurna, we need something else.
Selang beberapa era selepas Einstein, John Bell hadir. John Bell telahpun melahirkan apa yg disebut sebagai Bell’s Inequality Theorem – satu formulasi matematik.
Bergantung kepada cara bagaimana anda ingin melihatnya, ada sesetengah saintis melihat Bell’s Theorem sebagai kemenangan kepada Bohr dan geng anti realist – Fizik Kuantum memang tak sama dengan Fizik Klasikal. Ada juga yg berpandangan sebaliknya, Einstein mungkin betul mengenai hidden variable, namun hidden variable tersebut bukanlah dalam bentuk hidden variable yang lokal, sebaliknya tak lokal (non-local hidden variable).
Hasil kerja Einstein et al. dan John Bell ini telahpun membenarkan kita pada hari ini untuk mula berjinak-jinak dengan apa yang dipanggil sebagai Quantum Teleportation. Ingat elektron yang berada dalam dua keadaan serentak tadi? Dalam Teori Informasi Kuantum (Quantum Information Theory), objek seperti elektron ini benar-benar wujud. Namanya adalah Qubit, short for Quantum Bit.
Kalau kita rujuk kepada bit biasa dalam komputer, kita akan ada dua keadaan (two state) iaitu 0 dan 1 (binary). Bagi Qubit pula, ia mampu wujud dalam 3 keadaan, iaitu 0 dan 1 (binary state) dan juga campuran antara 0 dan 1 (superposition state). Maka 2 Qubit dalam keadaan campuran ini adalah model yang amat sesuai sebagai model EPR, dan saintis telah berkali-kali mengkaji dan merumuskan bahawa Fenomena Kebergusutan ini benar-benar berlaku dan bukan sekadar teori, dan ia sedang merevolusikan teknologi komunikasi.
Panjang lagi sebenarnya perjalanan dalam penerokaan sejarah fizik kuantum sebenarnya, dan kerana semua perkara inilah sebenarnya ada sesetengah ahli falsafah yang berpandangan bahawa pemahaman dalan fizik kuantum akan membawa kepada pemahaman baru dalam penafsiran alam.
“To understand reality, you need to understand Quantum Physics”
But then, Richard Feynmann and Neils Bohr famously said,
“I believe nobody ever truly understand Quantum Physics”
Oleh : Muhammad Eilham
Rujukan dan bacaan sambungan:
A. Einstein, B. Podolsky, and N. Rosen, “Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?” Phys. Rev. 47 777 (1935).
Bell, J. S. (1966). “On the problem of hidden variables in quantum mechanics”. Rev. Mod. Phys. 38 (3): 447–452.
D. Bouwmeester, J.-W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H. Weinfurter, A. Zeilinger, “Experimental Quantum Teleportation”, Nature 390, 6660, 575-579 (1997).
Ji-Gang Ren et al. “Ground-to-satellite quantum teleportation”, arxiv:1707.00934
https://www.quantamagazine.org/wormhole-entanglement-and-th…
https://www.phys.org/…/2014-06-einstein-quantum-mechanics-h…
