10 Fakta Fisika Kuantum yang Misterius dan Membingungkan

Sebagai perumpamaan, anggaplah kamu sedang pergi ke toko sepatu. Kamu pasti diharuskan memilih sepasang dengan ukuran yang telah dipatok sebelumnya bukan? Nah, dunia sub-atomik kuantum pun juga serupa, dan inilah yang dibuktikan oleh Albert Einstein saat memenangkan Penghargaan Nobel pada 1921.

Dalam penelitiannya pada 1905, "On a Heuristic Point of View Concerning the Production and Transformation of Light", Einstein membuktikan konsep kuantisasi energi, yaitu bahwa energi hadir dalam kelipatan "kuanta". Oleh karena itu, bidang ini dinamai fisika kuantum.

Kuanta adalah "konstanta Planck" dari Max Planck, Bapak dari Fisika Kuantum! Pada 1900, Planck mencoba memecahkan misteri radiasi benda hitam pada 1900 menggunakan objek langit Matahari, menghasilkan Hukum Planck. Hasilnya, teori tersebut sejalan dengan eksperimen Einstein.

Pada 1906, fisikawan Inggris, Sir J. J. Thomson, menang Penghargaan Nobel atas penemuan elektron sebagai partikel. Tetapi, pada 1937, putranya, Sir George P. Thomson menang Penghargaan Nobel pada 1937 karena menunjukkan sifat elektron sebagai gelombang! Nah, lho. Siapa yang benar? Jawabannya adalah "dua-duanya"!

Dualitas gelombang-partikel adalah landasan fisika kuantum yang berlaku untuk cahaya dan elektron. Terkadang, kita perlu melihat cahaya sebagai gelombang elektromagnetik. Tetapi, cahaya juga dapat digambarkan dalam bentuk partikel yang disebut "foton".

Sebagai contoh, teleskop dapat memfokuskan gelombang cahaya dari bintang jauh dan bertindak sebagai wadah cahaya untuk mengumpulkan foton. Berarti, cahaya pun dapat memberikan tekanan saat partikel foton menghantam satu objek!

Apakah penemuan ini baru? Tidak juga. Prinsip ini digunakan untuk menggerakkan pesawat luar angkasa dengan layar matahari, dan mengubah jalur asteroid yang berbahaya agar tidak menabrak Bumi.

Selain landasan fisika kuantum, dualitas gelombang-partikel adalah contoh konsep "superposisi", saat objek kuantum ada dalam beberapa status dalam satu waktu. Sebagai contoh, satu elektron bisa ada di beberapa lokasi di waktu bersamaan. Dengan kata lain, fisika kuantum berbicara mengenai "probabilitas".

Keadaan objek paling mungkin ditafsir setelah kita melihatnya. Kemudian, peluang-peluang ini dirumuskan menjadi "fungsi gelombang"! Namun, melakukan pengamatan dapat membuat fungsi gelombang "kolaps" dan menghancurkan superposisi, sehingga memaksa objek masuk ke salah satu keadaan dari banyak probabilitas.

Inilah yang ingin dibuktikan oleh fisikawan Austria-Irlandia, Erwin Schrödinger, pada 1935 yang dikenal dengan "Kucing Schrödinger". Diperbincangkan dengan Albert Einstein, eksperimen imajiner ini memberikan satu paradoks soal superposisi fisika kuantum.

Anggaplah satu kucing ditempatkan satu ruang dengan zat radioaktif dan pencacah Geiger. Karena perangkat tersebut ada di dua kondisi hingga pengukuran dilakukan, kucing ini berada dalam kondisi hidup dan mati sampai kita yang intervensi. Namun, kalau kita ingin mengamati, maka superposisi tersebut kolaps!

Gagasan bahwa observasi meruntuhkan fungsi gelombang dan memaksa "pilihan" kuantum dikenal sebagai interpretasi Kopenhagen oleh Niels Bohr dan Werner Heisenberg terhadap fisika kuantum. Gagasan tersebut menciptakan paham multiverse atau alam semesta yang berbeda-beda.

Namun, para pendukung gagasan multiverse mengatakan bahwa tak ada "pilihan" sama sekali. Saat pengukuran dilakukan, realitas terpecah jadi dua salinan dirinya sendiri: satu salinan menghasilkan "A", satu lagi menghasilkan "B".

Sebaliknya, sejauh ini dalam teori partikel kuantum, hanya ada satu realitas yang amat aneh dan terdiri dari banyak lapisan "kusut". Saat kita memperkecil realitas ini, lapisan-lapisan tersebut terurai jadi "multiverse". Para fisikawan menyebut proses ini "decoherence".

Pada 1913, fisikawan Denmark, Niels Bohr, dan fisikawan Selandia Baru, Ernest Rutherford, menggambarkan sebuah model bahwa elektron yang mengorbit di dalam atom juga mengalami kuantisasi. Elektron jadi dalam ukuran yang telah ditentukan, konsep yang disebut "tingkat energi".

Saat elektron turun dari tingkat energi tinggi ke rendah, foton dengan tingkat energi yang sama dengan ukuran celahnya dikeluarkan. Elektron dapat menyerap partikel cahaya dan menggunakan energinya untuk melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi. Inilah konsep yang dipakai oleh para astronom.

Kita tahu bahan-bahan bintang karena saat kita memecahkan cahayanya menjadi spektrum pelangi, kita melihat warna-warna yang hilang. Unsur kimia yang berbeda memiliki rentang tingkat energi yang berbeda juga. Jadi, kita dapat menentukan komponen Matahari dan bintang-bintang lain dari warna yang sebelumnya absen.

Matahari menghasilkan energi melalui proses yang disebut "fusi nuklir". Proses ini melibatkan dua proton yang saling menempel. Namun, muatan identik masing-masing proton membuat mereka saling tolak layaknya dua kutub magnet yang sama. Inilah yang disebut "Penghalang Coulomb", dinding di antara dua proton!

Coba pikirkan proton sebagai partikel dan gelombang. Saat menjadi partikel, dua proton hanya bertabrakan dengan penghalang Coulomb dan bergerak terpisah. Namun, saat menjadi gelombang, puncak gelombang proton mencapai penghalang Coulomb, tepi terdepan berhasil melewatinya!

Tinggi gelombang proton menunjukkan probabilitas terbesar lokasi proton. Seolah-olah, proton telah "menggali" melalui penghalang Coulomb dan terjadilah fusi! Para fisikawan menyebut efek ini "Penerowongan Kuantum", dan inilah yang menyebabkan Matahari bersinar terang.

Pada akhirnya, bintang akan berhenti mengalami fusi dan mati. Gravitasi akan membesar, sehingga bintang tersebut pun kolaps. Semakin kecil ukuran bintang, semakin banyak materi yang dijejalkan! Di sini, aturan fisika kuantum yang disebut "Asas Larangan Pauli" pun berlaku.

Asas ini menyatakan bahwa haram untuk jenis partikel tertentu - seperti elektron - untuk ada di keadaan kuantum yang sama. Saat gravitasi melakukannya, terdapat hambatan yang disebut "tekanan degenerasi". Keruntuhan bintang berhenti, dan muncullah objek baru seukuran Bumi yang disebut bintang "katai putih".

Tetapi, tekanan degenerasi hanya dapat menahan hambatan dalam jumlah tertentu. Jika katai putih tumbuh dan mendekati massa setara dengan 1,4 matahari, akan terjadi gelombang fusi yang meledakkannya! Inilah yang disebut dengan supernova tipe 1a dan cukup terang untuk mengaburkan seluruh galaksi.

Asas kuantum yang disebut "Asas ketidakpastian Heisenberg" menyatakan bahwa mustahil untuk mengetahui dua sifat sistem secara bersamaan. Semakin akurat pengenalan akan satu sistem, sistem lain makin tidak dikenali. Asas ini berlaku untuk momentum dan posisi, serta energi dan waktu.

Bayangkan kita mengambil pinjaman uang banyak untuk waktu singkat dan sedikit uang untuk waktu yang lebih lama. Jika energi yang diambil dari alam cukup, maka sepasang partikel dapat muncul seketika, sebelum menghilang dengan cepat.

Fisikawan terkemuka Inggris, Stephen Hawking, menggunakan asas tersebut di batas lubang hitam di mana satu partikel - seperti radiasi Hawking - lolos, tetapi partikel lainnya terserap ke dalam. Seiring waktu, lubang hitam perlahan menguap karena tidak dapat mengembalikan jumlah energi yang diambilnya!

Teori saat ini adalah alam semesta dimulai dari Ledakan Dahsyat. Namun, pada 1980an, teori lain yang disebut "Inflasi" muncul untuk menjelaskan keberadaan alam semesta. Kosmos mengembang dari ukuran lebih kecil dari atom menjadi seukuran jeruk bali, atau 1.078 kali lebih besar!

Karena lebih kecil dari atom, alam semesta muda didominasi oleh fluktuasi kuantum berdasarkan asas ketidakpastian Heisenberg. Inflasi kemudian menyebabkan alam semesta berkembang sebelum fluktuasi tersebut memudar.

Kejadian ini memusatkan energi ke area-area lain, layaknya benih di alam semesta. Para astronom yakin bahwa penjelasan inilah mengapa galaksi-galaksi yang kita amati masa kini bisa terbentuk.

Masa kini, kita tahu bahwa hukum "Keterkaitan Kuantum" itu nyata. Tetapi, manusia belum sepenuhnya memahami apa yang terjadi! Bahkan, Einstein pun mengatakan ini adalah "peristiwa yang mengerikan".

Misalkan, jika kita menyatukan dua partikel sedemikian rupa sehingga keterkaitan kuantum tak terelakkan: satu partikel di keadaan "A", dan yang lain di keadaan "B", maka asas larangan Pauli berlaku. Kedua partikel tidak dapat berada di keadaan yang sama.

Jika kita ubah satu, partikel lain ikut berubah sebagai gantinya. Asas ini terjadi bahkan jika kita memisahkan dua partikel satu sama lain jauh di kedua sisi berlawanan di alam semesta! Seolah-olah informasi perubahan antar partikel tersebut bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Einstein pun mengatakan hal ini tidak mungkin!

Membingungkan, bukan? Konon, fisika kuantum berbicara mengenai hal-hal di sekeliling kita, baik yang terlihat mau pun tak terlihat. Itulah 10 fakta tentang fisika kuantum yang bikin kita garuk-garuk kepala. Tertarik ingin mempelajari fisika kuantum?