Bab Keempat The Grand Design, Alternative Histories (bagian 1)

Dapatkah teori yang dibangun berdasarkan kerangka kerja yang begitu asing dalam kehidupan sehari-hari juga menjelaskan kejadian-kejadian biasa yang dimodelkan dengan begitu akurat oleh fisika klasik? Bisa, untuk kita dan orang-orang di sekitar kita yang terbentuk dari struktur yang padat, tersusun dari sekian banyaknya atom, lebih banyak daripada jumlah bintang di alam semesta yang teramati.

Pada tahun 1999 SEKELOMPOK FISIKAWAN di Austria menembakkan rangkaian molekul berbentuk bola sepak ke sebuah penghalang. Molekul-molekul ini, masing-masing terbuat dari enampuluh atom karbon, terkadang disebut bola bucky karena arsitek Buckminster Fuller membangun bangunan berbentuk bola sepak. Kubah geodesi Fuller mungkin benda berbentuk bola sepak terbesar yang ada. Sedangkan bola bucky adalah yang terkecil. Penghalang memiliki dua celah di mana bola bucky dapat memasukinya. Di belakang dinding itu, fisikawan meletakkan sebuah layar untuk mendeteksi dan menghitung molekul-molekul yang lolos.

Jika kita merancang percobaan serupa dengan bola sepak sebenarnya, kita memerlukan seorang pemain yang bidikannya bergetar tapi mampu menendang bola dengan konsisten sesuai kecepatan yang kita pilih. Kita akan memposisikan pemain ini di depan dinding di mana terdapat dua celah. Di belakang dinding kita letakkan jaring sangat panjang yang sejajar dengan dinding itu. Sebagian besar tendangan pemain akan membentur dinding dan terpental kembali, namun beberapa akan lolos melalui satu celah atau lainnya sehingga sampai ke jaring. Jika celah hanya sedikit lebih besar dari bola, dua aliran besar bola akan timbul pada jaring. Jika celah sedikit lebih lebar, tiap aliran akan mengecil , seperti tampak pada gambar.

Amati bila kita menutup salah satu celah, aliran yang bersesuaian tidak bisa lolos lagi, tapi hal ini tidak mempengaruhi aliran yang lain. Jika kita membuka kembali celah kedua, itu hanya menambah jumlah bola yang mendarat pada sisi mana pun dari jaring, sehingga jumlah bola yang lolos adalah bola yang melewati celah yang tetap terbuka, ditambah bola-bola lain yang lolos dari celah yang baru dibuka. Dengan kata lain, yang kita amati saat kedua celah terbuka adalah penjumlahan dari yang kita amati ketika tiap celah terbuka secara terpisah. Ini adalah hal biasa dalam kehidupan sehari-hari. Tetapi hal ini tidak sama dengan yang diamati peneliti Austria ketika mereka menembakkan molekul.

Pada percobaan tersebut, membuka celah kedua memang menambah jumlah molekul yang tiba pada sembarang titik pada layar – tetapi hal ini mengurangi jumlah molekul yang tiba pada titik-titik lainnya, sebagaimana gambar di bawah. Nyatanya, ada lokasi-lokasi di mana tidak ada bola bucky yang mendarat ketika dua celah terbuka tetapi bola bucky mendarat ketika hanya satu celah yang terbuka. Hal ini sepertinya amat aneh. Bagaimana bisa membuka celah kedua menyebabkan molekul lebih sedikit mendarat pada titik tertentu?

Kita akan dapat petunjuk dengan memeriksa detilnya. Pada percobaan, banyak bola molekul mendarat pada suatu lokasi di tengah-tengah separuh jalur antara mana anda berharap bola-bola itu mendarat jika bola-bola itu melewati salah satu celah. Sedikit lebih jauh dari posisi tengah itu sedikit sekali molekul mendarat, tetapi lebih jauh lagi, banyak molekul lagi-lagi mendarat. Pola ini bukanlah penjumlahan dari pola-pola yang dibentuk ketika tiap celah dibuka terpisah, namun mungkin anda mengenalinya dari Bab 3 sebagai ciri pola interferensi gelombang. Daerah-daerah di mana tidak ada molekul yang mendarat sesuai dengan daerah di mana gelombang-gelombang dari dua celah tiba keluar fase, sehingga menciptakan interferensi destruktif; daerah-daerah di mana banyak molekul datang sesuai dengan daerah di mana gelombang-gelombang tiba di dalam fase sehingga menciptakan interferensi konstruktif.

Selama dua ribu tahun pertama atau lebih dari ide-ide ilmiah, pengalaman dan intuisi biasa merupakan dasar penjelasan teori. Saat kita memperbaiki teknologi dan memperluas jangkauan fenomena yang dapat kita amati, kita mulai menemukan perilaku alam yang makin tidak sejalan dengan pengalaman sehari-hari dan karena itu tidak sejalan dengan intuisi kita, sebagaimana percobaan dengan memakai bola bucky. Percobaan ini merupakan jenis fenomena di mana tak dapat dijelaskan oleh sains klasik tapi dapat digambarkan oleh apa yang disebut fisika kuantum. Nyatanya, Richard Feynman menulis bahwa percobaan dua-celah seperti di atas “mengandung semua misteri mekanika kuantum.”

Prinsip-prinsip fisika kuantum dikembangkan pada dekade-dekade pertama abad keduapuluh setelah teori Newton ditemukan tidak memadai untuk menggambarkan alam pada level atom atau sub-atom. Teori dasar fisika menjelaskan gaya-gaya alam dan bagaimana benda bereaksi terhadapnya. Teori klasik Newton dibangun dengan kerangka-kerja yang mencerminkan kehidupan sehari-hari, di mana benda material memiliki keberadaan satu per satu, dapat diletakkan pada tempat yang pasti, mengikuti jalur yang ditentukan dan sebagainya.  Fisika kuantum menyediakan kerangka kerja untuk memahami bagaimana alam bekerja pada skala atom dan sub-atom, tetapi sebagaimana kita lihat lebih detil, teori ini mengajarkan skema konseptual yang sama sekali berbeda, di mana posisi, jalur dan masa lalu atau masa depan tidak dapat diramalkan dengan akurat. Gaya dalam teori kuantum seperti gravitasi  atau elektromagnetik dibangun pada kerangka dasar itu.

Dapatkah teori yang dibangun berdasarkan kerangka kerja yang begitu asing dalam kehidupan sehari-hari juga menjelaskan kejadian-kejadian biasa yang dimodelkan dengan begitu akurat oleh fisika klasik? Bisa, untuk kita dan orang-orang di sekitar kita yang terbentuk dari struktur yang padat, tersusun dari sekian banyaknya atom, lebih banyak daripada jumlah bintang di alam semesta yang teramati. Dan meskipun atom-atom penyusun mematuhi prinsip-prinsip fisika kuantum, seseorang dapat menunjukkan bahwa sekumpulan besar unsur-unsur penyusun bola sepak, lobak, jumbo jet – dan kita – akan menghindari penyebaran saat ditembakkan melewati celah-celah. Sehingga meskipun komponen-komponen benda sehari-hari mematuhi fisika kuantum, hukum Newton tetap membentuk teori efektif yang menggambarkan dengan sangat akurat bagaimana struktur padat yang menyusun dunia sehari-hari berperilaku.

Hal di atas mungkin terdengar aneh, tetapi ada banyak kejadian dalam sains di mana sekumpulan besar bertindak sedemikian hingga berbeda dengan tindakan satu per satu komponennya. Tanggapan satu sel saraf sangat sulit mewakili tanggapan sekumpulan saraf otak manusia, demikian pula perilaku sebuah molekul air tidak dapat menggambarkan perilaku danau. Dalam teori fisika kuantum, fisikawan masih bekerja untuk mencari tahu secara rinci bagaimana hukum Newton timbul dari ranah kuantum. Apa yang kami tahu adalah bahwa komponen dari semua benda mematuhi fisika kuantum, dan hukum Newton merupakla pendekatan yang baik untuk menggambarkan bagaimana benda-benda besar yang terbuat dari komponen kuantum berperilaku.

Dengan demikian prediksi teori Newton cocok dengan gambaran kenyataan yang kita kembangkan selagi kita mengalami dunia di sekitar kita. Namun satu per satu atom dan molekul bertindak dengan cara yang jelas berbeda dari sifat-sifat yang kita alami sehari-hari. Fisika kuantum adalah model baru kenyataan yang memberi kita gambaran alam semesta. Ini adalah gambaran di mana banyak konsep dasar kenyataan menurut pemahaman intuitif kita ternyata tak lagi bermakna.

Percobaan celah ganda dilakukan pertama kali pada tahun 1927 oleh Clinton Davisson dan Lester Germer, keduanya adalah fisikawan eksperimental di Laboratorium Bell yang mempelajari bagaimana sinar elektron – benda yang jauh lebih sederhana dari bola bucky – berinteraksi dengan sebuah kristal yang terbuat dari nikel. Kenyataan bahwa partikel materi seperti elektron berperilaku seperti gelombang air merupakan jenis percobaan mengagumkan yang menggugah fisika kuantum. Karena perilaku ini tidak teramati pada skala makroskopis, sudah lama para ilmuwan bertanya-tanya seberapa besar dan rumit suatu benda tetapi masih menunjukkan sifat-sifat gelombang. Tentunya amat mengherankan bila hasil percobaan ini dapat ditunjukkan dengan memakai manusia atau kuda nil, namun sebagaimana kami katakan, secara umum, semakin besar benda maka semakin tak terlihat dan samar efek kuantumnya. Maka tidak mungkin bila sembarang binatang di kebun binatang akan bersifat gelombang saat melalui jeruji-jeruji kandang mereka. Tetapi, fisikawan eksperimental telah mengamati fenomena gelombang dengan partikel yang makin lama makin besar. Ilmuwan berharap mengulang percobaan bola bucky suatu hari nanti dengan memakai virus, yang tidak hanya jauh lebih besar tetapi dianggap sebagai benda hidup.

Hanya ada beberapa aspek fisika kuantum yang diperlukan untuk memahami pendapat-pendapat kami pada bab-bab berikutnya. Salah satu aspek adalah dualitas gelombang/partikel. Bahwa partikel materi yang bertindak seperti gelombang mengherankan semua orang. Bahwa cahaya bertindak seperti gelombang tidak lagi mengherankan. Perilaku cahaya seperti gelombang terlihat alami bagi kita dan telah diterima sebagai kenyataan selama hampir dua abad. Jika anda menyinari dua celah pada percobaan di atas, dua gelombang akan timbul dan bertemu di layar. Pada beberapa titik tertentu puncak-puncak dan lembah-lembah gelombang akan bertemu dan membentuk daerah terang; pada titik-titik yang lain puncak dari satu sinar akan bertemu dengan lembah gelombang sinar yang lain, saling membatalkan, dan membentuk daerah gelap. Fisikawan Inggris Thomas Young telah melakukan percobaan ini pada awal abad kesembilanbelas, meyakinkan orang-orang bahwa cahaya adalah gelombang dan bukan, sebagaimana keyakinan Newton, tersusun dari partikel.

Meski seseorang boleh saja menyimpulkan bahwa Newton salah saat mengatakan cahaya bukanlah gelombang, dia benar saat dia berkata bahwa cahaya dapat bertindak seakan-akan tersusun dari partikel. Hari ini kita menyebut partikel-partikel itu sebagai foton. Karena kita tersusun dari banyak sekali atom, cahaya yang kita lihat setiap hari berbentuk padat dalam arti terbuat dari banyak sekali foton – bahkan cahaya malam 1 watt memancarkan milyaran milyaran foton tiap detik. Satu per satu foton biasanya tidak dapat dibuktikan, namun di laboratorium kita dapat menghasilkan seberkas cahaya yang begitu lemah yang tersusun dari aliran satu foton, yang dapat kita deteksi sebagai satu foton seperti kita mendeteksi satu per satu elektron atau bola bucky. Dan kita dapat mengulang percobaan Young dengan memakai sinar yang sedemikian tipis sehingga foton-foton mencapai penghalang satu demi satu, dengan jeda beberapa detik antara tiap kedatangan. Jika kita dapat melakukannya, lalu menjumlah semua tumbukan yang tercatat pada layar yang jauh dari penghalang, kita temukan bahwa secara bersama-sama foton membentuk pola interferensi yang sama bila kita melakukan percobaan Davisson-Germer. Percobaan Davisson-Germer menembakkan elektron (atau bola bucky) pada layar satu demi satu. Bagi para fisikawan, percobaan ini merupakan pembuktian yang mengejutkan: jika satu per satu partikel berinterferensi dengan sesamanya, maka partikel itu menjadi bersifat gelombang cahaya; berlaku tidak hanya untuk seberkas sinar sekumpulan foton tetapi juga untuk masing-masing partikel.

Sumber: The Grand Design karya Hawking & Mlodinow

3 Tanggapan

  1. saya dah punya pdf buku ini versi inggrisnya, mau terjemahin buat sendiri, tapi dah ada yang duluin….bravo gan! ini kalo di copas gimana?

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: