Ramai yang anggap fizik kuantum ini pelik. Tok syeikh dalam fizik sendiri, Richard Feynmann, mengatakan bahawa “Kalau anda rasa anda faham fizik kuantum, anda sebenarnya tak faham fizik kuantum.” Uh oh.
Dalam artikel kali ini, kita akan menyingkap beberapa fenomena aneh dan ganjil dalam Fizik Kuantum, dan melihat apa sebenarnya beza Fizik Kuantum ni dengan konsep Fizik yang kita jumpa dalam kehidupan seharian kita.
Suatu Benda Sebenarnya Boleh Miliki Sifat Gelombang dan Partikel Sekali Gus.
Buat sekian lama, sebelum saintis mencipta teori kuantum, perpindahan tenaga boleh dilihat dalam dua keadaan. Keadaan yang pertama adalah dalam bentuk gelombang, dan keadaan yang kedua adalah dalam bentuk partikel.
Selepas bermulanya revolusi Kuantum pada awal abad ke 20, sempadan partikel-gelombang ini kelihatannya telahpun diganggu. Bermula dengan Albert Einstein yang mengusulkan bahawa cahaya yang secara klasikalnya dikenali bersifat gelombang, mampu bertindak seperti partikel, yang dipanggil foton, saintis kemudiannya mula sedar bahawa tidak wujud pun sebenarnya pengkelasan gelombang-partikel pada tahap kuantum.
Sebaliknya, kesemua entiti partikel yang kita kenal ada memiliki sifat gelombang, dan kesemua entiti gelombang yang kita kenal, ada memiliki sifat partikel.
Secara umumnya, berikut adalah nama bagi gelombang-partikel yang kita tahu:
I – Gelombang cahaya @ Foton (Partikel bagi cahaya)
Ii – Gelombang graviti @ Graviton (Partikel bagi graviti, belum ditemui)
Iii – Gelombang elektron @ Elektron (Elektron adalah partikel, dan elektron mempunyai sifat sebagai gelombang)
Sekejap, nanti dulu.
Kalau semua benda ada sifat gelombang dan zarah, bukankah ini bermakna manusia juga, yang terdiri dari atom dan zarah ni, akan mempunyai sifat gelombang?
Betul, manusia pun sebenarnya ada sifat gelombang. Tetapi, apabila kira-kira dibuat oleh saintis, nilai gelombang yang wujud untuk manusia itu teramat-amatlah kecil, kerana manusia sendiri teramat-amat besar kalau nak dibandingkan dengan sistem kuantum.
Dalam erti kata lain, sifat dualiti zarah-gelombang ini hanya akan menunjukkan dirinya kalau berada dalam keadaan kuantum, iaitu keadaan yang teramat-amat kecil.
Kucing yang ‘Hidup dan Mati secara Serentak’.
Satu keganjilan yang biasa akan dikaitkan dengan fizik kuantum adalah superposisi kuantum (Quantum Superposition). Dalam kes superposisi kuantum, penggabungan dua keadaan sistem kuantum (quantum state) akan menghasilkan satu persamaan sistem baharu yang linear (ini sekadar sembang matematik).
Untuk pemahaman yang mudah, katakan kita ada sebiji elektron. Elektron mempunyai satu sifat yang dipanggil sebagai spin, dan spin elektron boleh wujud dalam bentuk up (atas) atau down (bawah).
Maka, sekiranya seorang ahli fizik meletakkan elektron tersebut dalam satu kotak (sebagai contoh), maka elektron tersebut berkebarangkalian untuk wujud dalam kotak tersebut dalam bentuk spin up, atau spin down. Secara matematiknya pula, kita boleh tulis sistem elektron tersebut sebagai ½ kebarangkalian spin up, dan ½ kebarangkalian spin down.
Perkara menarik mengenai fizik kuantum terlahir di sini.
Sepatutnya, menurut akal kita yang rasional, kita akan cakap bahawa elektron itu hanya boleh wujud dalam satu daripada dua keadaan, sama ada up atau down. Tetapi untuk sistem kuantum, apabila berlaku pertambahan sistem kuantum seperti yang dibincangkan tadi, sistem kuantum tersebut wujud sebagai kombinasi kedua-dua kebarangkalian tadi, atau dalam erti kata lain, sistem elektron kita tadi wujud dalam keadaan up dan down secara serentak.
Hal ini telahpun didebatkan oleh ramai ahli saintis dan ahli falsafah, antaranya pencipta fizik kuantum sendiri, Erwin Schroedinger.
Schroedinger membayangkan elektron ditukarkan menjadi kucing, di mana kucing tersebut diletakkan di dalam satu kotak yang berisi racun atau apa-apa yang berkebarangkalian 50% mampu membunuh kucing itu.
Menurut Schroedinger, adalah ganjil sekiranya kita ingin mengatakan bahawa kucing didalam kotak itu wujud dalam dua keadaan, hidup dan mati dalam keadaan serentak. Maka, kalau kucing kita rasa mustahil untuk wujud dalam keadaan sedemikian rupa, kenapa kita mampu rasa benda yang sama boleh terjadi kepada elektron? Hal ini dipanggil sebagai ekperimen minda – Schroedinger’s Cat.
Ternyata idea bahawa mampu wujud dalam dua keadaan ini, meskipun ganjil, namun ia adalah benar. Antara teknologi terkini yang sedang dibangunkan yang menggunakan prinsip elektron mampu wujud dalam keadaan up dan down secara serentak, sama seperti kucing mampu hidup dan mati secara serentak, adalah Komputer Kuantum (Quantum Computer).
Komputer kuantum menggunakan konsep bit computer klasik yang terdiri dari arus on-off yang berada dalam keadaan 0-1, 0 untuk arus off, dan 1 untuk arus off. Disebabkan sistem kuantum boleh berada dalam keadaan superposisi, ia mampu wujud dalam dua keadaan serentak, maka computer kuantum mampu menghasilkan apa yang dipanggil sebagai bit kuantum (Quantum Bit atau Qbit) yang merupakan bit computer dalam keadaan 0 dan 1 serentak.
Apa beza bit kuantum dengan bit computer biasa? Disebabkan Bit Kuantum merupakan gabungan bit biasa dalam keadaan bercampur, maka komputasi atau pengiraan yang mampu dilakukan oleh Komputer Kuantum sepatutnya adalah pengiraan yang lebih pantas berbanding komputer biasa. Jadi, ayuhlah kita tunggu perkembangan komputer kuantum ini di masa akan datang.
Misteri Penerowongan Kuantum.
Satu lagi misteri yang wujud dalam fizik kuantum adalah penerowongan kuantum (Quantum Tunelling). Dalam contoh kehidupan seharian, katakan kita ada sebiji bola, dan satu dinding yang memisahkan kita dengan dunia luar. Kita disini berada di bahagian dalam, dan dunia luar merupakan bahagian yang berada di sebalik dinding tersebut.
Bayangkan kita baling bola. Jika tenaga balingan kita tak cukup, bola itu akan terbang rendah dan dihalang oleh dinding. Jika kita gunakan tenaga untuk baling bola lebih tinggi daripada dinding saja barulah bolah itu boleh ke seberang sana.
Hal ini adalah analogi mudah menggunakan objek sehari-hari.
Namun begitu, berbeza pula dengan situasi di skala kuantum, sekiranya kita memberi tenaga yang kurang dari tenaga yang diperlukan untuk melepasi dinding tersebut, masih ada kebarangkalian untuk bola kita melepasi dinding tersebut (huh?). Fenomena ini dinamakan sebagai penerowongan kuantum. Istilah penerowongan ini seolah-olah memberi gambaran bahawa bola tersebut menerowongi (tak pasti istilah ni wujud atau tak) dinding tersebut, walaupun pada asalnya jumlah tenaga adalah tidak mencukupi untuk melepasi dinding tersebut.
Fenomena penerowongan kuantum ini dipercayai menjadi asas kepada proses pelakuran nuklear (nuclear fusion) dalam bintang-bintang. Dalam kes Matahari yang merupakan bintang sistem solar kita, tenaga dalam Matahari sebenarnya tidak mencukupi untuk melawan rintangan Coulomb, satu bentuk rintangan elektrostatik dalam atom.
Kebergusutan Kuantum (Quantum Entanglement).
Kebergusutan kuantum merujuk kepada satu keadaan di mana partikel yang berada dalam keadaan superposisi berinteraksi dengan satu lagi partikel dalam keadaan superposisi yang lain. Kalau sebelum ni kita ada partikel yang mempunyai keadaan atas ataupun bawah (elektron dengan spin up dan down serentak), dalam kes ini, kita ada dua elektron dengan situasi yang sama (kedua-duanya up dan down secara serentak).
Apa yang ingin kita lakukan kepada elektron tersebut adalah: kita ingin membuat kedua-dua elektron tu saling bergusutan antara satu sama lain (berinteraksi antara satu sama lain), dan kemudiannya kita asingkan kedua-dua elektron tersebut.
Perkara yang ganjil setelah interaksi ini terjadi adalah: sekiranya kita melakukan pemerhatian terhadap satu elektron (satu elektron tu kita ukur sebagai up), elektron yang satu lagi akan menunjukkan sifat yang berbeza (satu lagi elektron akan mempunyai sifat down). Dalam kes ini, kebanyakan ahli fizik berpandangan bahawa berlakunya penghantaran maklumat (information transfer) dari satu elektron ke satu elektron yang lain, ala-ala kalau satu elektron kita semak dalam keadaan up, elektron terbabit akan ‘memberitahu’ elektron lagi satu bahawa dia perlu berada dalam keadaan down, untuk mengikut prinsip ekslusi Pauli (Pauli Exclusion Principle).
Masalah Interpretasi Matematik.
Fizik Kuantum, di sebalik semua keganjilan yang wujud, sebenarnya merupakan satu bentuk sindiran kepada kita manusia bahawa ada beberapa perkara yang kita masih lagi belum mampu untuk teroka. Sepertimana yang diperkatakan dalam salah satu video Ajar mengenai fizik kuantum, proses membina fizik kuantum ini sebenarnya terhasil daripada satu bentuk patch and do yang berterusan, dimulakan oleh saintis lama seperti Max Planck, Einstein dan Schroedinger, dan diteruskan sehingga ke generasi sekarang.
Salah satu kelompongan yang nyata wujud dalam fizik kuantum, seperti yang kita bincangkan di atas, adalah apabila dalam beberapa keadaan, objek-objek makroskopik mampu disebut sebagai wujud dalam dua keadaan yang berbeza, yang, pada akal fikiran kita, tidak masuk akal. Macam mana seekor kucing boleh berada dalam keadaan hidup dan mati serentak?
Namun, keadaan superposisi itu diterima pakai dalam apa yang dipanggil sebagai Interpretasi Kopenhagen, salah satu interpretasi standard dalam fizik kuantum. Dalam kes Interpretasi Kopenhagen, ahli sains berpandangan bahawa tidak wujud pun sebenarnya keperluan untuk kita member justifikasi kenapa sesuatu sistem kuantum mampu berada dalam keadaan superposisi, sebaliknya hal ini perlu diterima sebagai satu bentuk formulasi matematik.
“It is just a mathematical conundrum.”
Saintis yang mengikut pandangan Kopanhagen juga selalunya diajar untuk memiliki pandangan seperti ini dalam berhadapan dengan masalah fizik kuantum – “shut up and calculate.”
Namun perlu diingatkan, bukan semua orang suka dengan interpretasi “biasa” ini. Interpretasi Kopenhagen sendiri pernah diserang berkali-kali, dan sekarang, telah banyak interpretasi lain yang wujud dan dibuat sebagai interpretasi alternative kepada interpretasi Kopenhagen. “Apa? Kucing boleh hidup dan mati? Jangan nak bergurau lah.” Mungkin sebenarnya kucing itu hidup pada satu reality, dan mati pada suatu reality yang lain. Siapa kita untuk cakap bahawa kucing itu perlu mati dalam reality kita, tanpa mengambil kira reality yang berlainan, di mana kucing itu berkemungkinan hidup?
Hal ini dipanggil sebagai Interpretasi Pelbagai Alam (Many World Interpretation), yang diusulkan oleh Hugh Everett.
Ada juga interpretasi lain yang mencadangkan bahawa kucing tersebut pada asalnya tidak wujud pun dalam keadaan hidup dan mati. Sifat hidup dan mati – sifat superposisi ini hanya terjadi kerana kita mengambil sesuatu objek sebagai zarah dan gelombang serentak. Tapi, bagaimana pula kalau sebenarnya, zarah dan gelombang itu wujud dalam keadaan yang berasingan?
Tafsiran ini pula dipanggil sebagai Interpretasi Bohmian.
Sebenarnya, banyak lagi interpretasi, dan formulasi matematik yang wujud untuk membincangkan situasi-situasi ganjil dalam fizik kuantum. Saintis-saintis pada zaman sekarang kebanyakannya mencari alternative baharu kerana rasa tidak puas hati dengan kesemua “keganjilan” yang kita perkatakan dalam artikel ini.
Akhir kata, proses mencarik keganjilan dan mencari kebenaran, lebih-lebih lagi dalam bidang yang seganjil fizik kuantum ini bergantung kepada sejauh mana kita sebagai umat manusia ingin terus mengkaji dan terus mencari tanpa rasa jemu.
Bacaan lanjut:
“Even Physicist Don’t Understand Quantum Mechanics”, Sean Carroll (2019). The New York Times. https://www.nytimes.com/2019/09/07/opinion/sunday/quantum-physics.html
“How Do Quantum Computers Work?”, (2019). Science Alert. https://www.sciencealert.com/quantum-computers
“How The Sun Works: Fusion and Quantum Tunelling”, Minutephysics (2011). https://www.youtube.com/watch?v=gS1dpowPlE8
“It’s The Power of Quantum Mechanics that Allows the Sun to Shine”, Ethan Siegel (2015). Forbes. https://www.forbes.com/sites/ethansiegel/2015/06/22/its-the-power-of-quantum-mechanics-that-allow-the-sun-to-shine/#327e573743f7
“What is Quantum Entanglement?”, Amar Vutha (2019). Cosmos. https://cosmosmagazine.com/physics/what-is-quantum-entanglement
“The Many Interpretations of Quantum Mechanics”, Graham Collins (2007). Scientific American. https://www.scientificamerican.com/article/the-many-interpretations-of-quantum-mechanics/
