Pada 4 Oktober 2022, Hadiah Nobel dalam bidang Fizik telah dianugerahkan kepada tiga orang tokoh utama dalam bidang Fizik Quantum, iaitu Alain Aspect, John Clause dan Anton Zeilinger.
Nama-nama ini mungkin tidak pernah didengari masyarakat umum, namun bagi mereka yang berada dalam bidang Fizik Quantum, rata-rata mengatakan bahawa hadiah Nobel untuk mereka bertiga adalah sesuatu yang “long overdue” — mereka sememangnya layak untuk mendapat anugerah paling berprestij dalam sains hasil dari eksperimen yang mereka lakukan.
Hadiah Nobel pada tahun ini terasa dekat di hati saya. Hal ini adalah kerana hasil kajian mereka merupakan antara bahan bacaan utama sewaktu saya membuat Ijazah Sarjana di Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM).
Pada waktu itu, saya ingin fokus kepada satu subtopik yang dipanggil “Bohmian Mechanics”, satu interpretasi lain bagi matematik yang lahir dari Fizik Quantum. Idea ini bermula dari zaman Ijazah Sarjana Muda lagi, sewaktu saya mempelajari idea bahawa Fizik Quantum itu sifatnya adalah kebarangkalian (probabilistic), dan saya tidak menyukai idea itu.
Saya mula melihat kepada interpretasi lain yang wujud dalam Mekanik Quantum, dan saya kira Mekanik Bohmian adalah apa yang paling hampir dengan apa yang saya faham (atau ingin fahamkan) tentang alam dan fizik.
Ternyata masih banyak yang perlu saya pelajari, apabila saya sedar bahawa tiada Interpretasi Quantum yang sebenar-benarnya boleh memuaskan hati kita.
Interpretasi yang diterimapakai oleh ahli fizik moden (dan yang tidak saya senangi) sekarang adalah Interpretasi Copenhagen, yang bukanlah sebenarnya satu interpretasi, namun lebih kepada semangat orang-orang di Copanhagen, bahawa Fizik Quantum itu sifatnya adalah kebarangkalian, dan tiada keperluan untuk pergi lebih jauh dari itu.
Dari Interpretasi Copenhagen-lah wujudnya perkataan “shut up and calculate” yang mahsyur dalam Fizik Quantum itu sendiri.
Mungkin saya terpengaruh dengan Einstein, atau mungkin bias saya sendiri, namun apabila alam sudah sering dipertontonkan kepada saya wujud dalam bentuk yang deterministik, cubaan untuk menggambarkan alam dalam bentuk kebarangkalian adalah teramat janggal bagi saya.
Adakah bulan akan kekal berada di atas sana, sama ada kita memerhatikannya atau tidak, atau adakah ia “mungkin ada, mungkin tiada”? Mustahil Bulan itu “mungkin ada dan mungkin tiada”.
Mustahil!
Ia akan tetap berada di atas sana, tidak kisahlah sama ada kita sedang memerhatikannya atau tidak.
Namun dalam Fizik Quantum, sifat sesuatu partikel itu wujud dalam bentuk kebarangkalian.
Elektron, sebagai contoh, mempunyai sifat quantum yang istimewa, iaitu spin. Spin suatu elektron boleh diterangkan dalam dua arah, selalunya dalam bentuk atas dan bawah (up and down state).
Masalah utama dalam Fizik Quantum adalah, selagi mana pencerapan (measurement) belum dibuat ke atas elektron tersebut, spin elektron tersebut akan wujud dalam bentuk kebarangkalian, dan elektron itu sendiri dikatakan wujud dalam bentuk Superposisi Quantum — ia memiliki kedua-dua spin, atas dan bawah secara serentak.
Ini merupakan idea awal yang diajarkan dalam kelas Fizik Quantum, dan walau bagaimana ganjil sekalipun kita memikirkan satu elektron mempunyai dua spin berlainan arah serentak, elektron dalam bentuk quantum ini wujud, dan ia dipanggil Qubit — singkatan kepada Quantum Bit.
Kembali kepada saya, pencarian saya dalam Mekanik Bohmian menemukan saya kepada hasil kerja ketiga-tiga Nobel Laureate tahun ini, dan yang lebih penting, orang yang mengasaskan teori kepada kerja mereka, iaitu John Stewart Bell.
John Bell tertarik dengan hujahan EPR yang dibuat oleh kumpulan Einstein. Dalam makalah EPR, Einstein menyatakan bahawa Fizik Quantum pada waktu itu masih lagi belum sempurna — masih lagi ada perkara lain yang diperlukan, satu “punca tersorok”, atau hidden variable, yang diperlukan untuk melengkapkan Fizik Quantum.
Bell juga pada waktu itu tertarik dengan Mekanik Bohmian, kerana Mekanik Bohmian adalah teori punca tersorok yang tak setempat (non local hidden variable theory).
Pada masa yang sama, John von Neumann, seorang ahli matematik ternama, turut mengeluarkan pembuktian matematik bahawa kewujudan punca tersorok dalam Fizik Quantum adalah mustahil.
Meskipun berminat dengan idea punca tersorok, Bell mendapati bahawa teori tersebut bermasalah. Bell menerbitkan makalah “On the Problem of Hidden Variables in Quantum Mechanics” (1966) bagi membincangkan masalah ini, dan menyerang pembuktian von Neumann.
Ujikaji makmal mula dibuat untuk menyemak matematik yang dihasilkan oleh John Bell. Pemenang hadiah Nobel tahun ini, kesemuanya berkaitan dengan pembuktian Bell dan asas binaan Fizik Quantum yang melibatkan punca tersorok.
Clauser etc (1969) memperkenalkan idea eksperimen bagi menyemak idea John Bell, dan Stuart Freedman (1972) melaksanakan eksperimen itu serta membuktikan bahawa berlaku kontradiksi antara Teorem Bell dan Mekanik Quantum.
Alain Aspect (1982) pula menutup kelompongan kajian Clauser, dan Anton Zeilinger serta pasukannya membuat banyak eksperimen yang mengaplikasikan Kebergusutan Quantum (Quantum Entanglement) untuk teleportasi quantum. Kesemua eksperimen ini bermain dengan Teorem Bell.
Pembuktian mereka ini menghasilkan revolusi dalam Fizik Quantum, kerana kebanyakan penganut mazhab Copenhagen mengambil pencabulan Teorem Bell ini sebagai petanda bahawa sememangnya tiada keperluan untuk mengetahui realiti sebenar yang sedang berlaku sewaktu cerapan sedang dibuat, i.e: anti-realist view.
Selagi belum dicerap, tiada keperluan untuk kita tahu sama ada spin elektron itu adalah ke atas atau ke bawah. Elektron wujud dengan spin ke atas dan ke bawah serentak? Tiada masalah.
Bagi kumpulan punca tersorok pula, pembuktian Teorem Bell ini telah membunuh teori punca tersorok setempat (local hidden variable theory), tetapi ia menjadi petanda bahawa mungkin alam semesta ini bersifat tidak setempat.
Teori punca tersorok tak setempat (non local hidden variable theory) pula, sekiranya benar, membawa implikasi bahawa alam semesta membenarkan informasi untuk bergerak lebih laju dari cahaya, sekaligus melanggar aksiom asas Teori Relativiti Khusus (tiada apa yang bergerak lebih laju dari cahaya), serta melawan Einstein secara terus.
Melawan Teori Relativiti Khusus juga pada dasarnya melahirkan semula fenomena tindakan sesaujana (action at a distance), serta menghapuskan makna sebab-akibat (causality).
Mengakhiri tulisan ini, saya pernah ditanya oleh sahabat saya, setelah menghabiskan Ijazah Sarjana saya.
“Eilham, hang rasa Bohmian Mechanics tu betul ka?”
“Hang pernah dengar pasal sekumpulan orang buta cuba melihat gajah dak?”
“Pernah. Orang buta tu semua pegang gajah tu pada lain-lain bahagian, dan dema bagi ciri yang ada pada bahagian tu, tapi semua salah.”
“Itulah jugak yang aku fikir pasal Fizik Quantum ni. Lepas belajar Bohmian Mekanik, aku cenderung cakap yang kita (manusia) sekarang adalah dalam keadaan orang buta tu. Aku semak banyak interpretasi lain, tapi aku rasa macam kita ni tengah sesat.
Satu-satunya cara untuk kita nampak bentuk gajah (Quantum) tu sekarang adalah dengan matematik dan eksperimen. Selagi mana belum ada orang yang celik yang mampu lihat keseluruhan gajah tu, kita akan kekal dalam keadaan sekarang.”
Rujukan
Nobel Prize 2022 — https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/
Max Planck: The Reluctant Revolutionary — https://dept.math.lsa.umich.edu/~krasny/math156_article_planck.pdf
Is the moon there when nobody looks? Reality and the quantum theory — https://physicstoday.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.880968
History: Shut up and Calculate! — https://www.researchgate.net/publication/259653570_History_Shut_up_and_calculate
On the Einstein Podolsky Rosen Paradox — https://cds.cern.ch/record/111654/files/vol1p195-200_001.pdf
On the Problem of Hidden Variables in Quantum Mechanics — https://csiflabs.cs.ucdavis.edu/~gusfield/Bell-Von-Neuman.pdf
Experimental Test of Local Hidden-Variable Theories — https://escholarship.org/content/qt2f18n5nk/qt2f18n5nk.pdf
Proposed Experiment to Test Local Hidden-Variable Theories — https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.23.880
Bell’s Theorem without inequalities — https://www.physik.uni-bielefeld.de/~yorks/qm12/ghsz.pdf
Experiment and the foundations of quantum physics — https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.710.5489&rep=rep1&type=pdf
Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities — https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.49.91
