Bab Ke-4 The Grand Design, Alternative Histories (versi penuh)

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.

Inilah, menurut Einstein, seakan-akan Tuhan melempar dadu sebelum memutuskan keluaran dari setiap proses fisik. Gagasan ini membuat Einstein tidak nyaman sehingga meskipun dia adalah salah satu bapak fisika kuantum, dia kemudian menjadi kritis terhadapnya.

Prinsip utama lainnya dari fisika kuantum adalah prinsip ketidakpastian, dirumuskan oleh Werner Heisenberg pada tahun 1926. Prinsip ketidakpastian menjelaskan bahwa ada batasan pada kemampuan kita untuk mengukur data-data tertentu secara sekaligus, misalnya posisi dan kecepatan partikel. Contohnya, menurut prinsip ketidakpastian, jika anda mengalikan ketidakpastian posisi partikel dengan ketidaskpastian momentumnya (massa partikel kali kecepatan partikel), maka hasilnya tak pernah lebih kecil dari angka tertentu, yang disebut tetapan Planck. Sulit mengatakannya tetapi gampangnya begini: Semakin akurat anda mengukur kecepatan, maka semakin tidak akurat anda dapat ukur posisinya, dan sebaliknya. Misalnya, jika ketidakpastian posisi mencapai setengahnya maka ketidakpastian kecepatan harus anda gandakan (penerjemah, 2 kalinya). Penting pula dicatat bahwa — dibandingkan dengan satuan sehari-hari misalnya meter, kilogram dan detik – tetapan Planck amat kecil. Nyatanya, jika dijadikan satuan, nilainya sekitar 6/10.000.000.000.000.000.000.000. 000.000.000.000. Maka hasilnya, jika anda mencari benda besar seperti bola sepak, dengan massa sepertiga kilogram, dengan kisaran 1 milimeter pada sembarang arah, maka kita masih dapat mengukur kecepatannya dengan presisi bahkan lebih besar dari sepermilyar milyar milyar kilometer per jam. Karena, jika diukur dalam satuan Internasional, berat bola adalah 1/3, dan ketidakpastian posisinya 1/1.000. Karena nilainya terlalu besar dibandingkan tetapan Planck, maka kecepatan bola ini masih dapat dipastikan atau prinsip ketidakpastian tidak berlaku. Tetapi dalam satuan yang sama sebuah elektron yang bermassa 0,000000000000000000000000000001, maka situasinya cukup berbeda. Jika kita mengukur posisi elektron dengan presisi seukuran atom, prinsip ketidakpastian menjelaskan bahwa kita tak dapat mengetahui kecepatan elektron lebih presisi dari sekitar plus atau minus 1.000 kilometer per detik, yang sama sekali tidak akurat.

Menurut fisika kuantum, tidak perduli sebanyak apapun informasi yang kita dapat atau sekuat apapun kemampuan komputasi kita, keluaran dari proses fisik tak dapat diduga dengan pasti karena proses tersebut tidak ditentukan dengan kepastian. Alih-alih, dengan data keadaan awal sebuah sistem, alam menentukan keadaan masa depan sistem itu melalui proses yang tidak pasti secara mendasar. Dengan kata lain, alam tidak mendikte keluaran sembarang proses atau percobaan, bahkan dalam situasi yang paling sederhana. Malahan, alam mengijinkan banyak keluaran yang berbeda, masing-masing dengan peluang tertentu untuk terjadi. Inilah, menurut Einstein, seakan-akan Tuhan melempar dadu sebelum memutuskan keluaran dari setiap proses fisik. Gagasan ini membuat Einstein tidak nyaman sehingga meskipun dia adalah salah satu bapak fisika kuantum, dia kemudian menjadi kritis terhadapnya.

Fisika kuantum sepertinya mengesampingkan gagasan bahwa alam diatur oleh hukum, namun bukan itu intinya. Alih-alih, fisika kuantum mengarahkan kita untuk menerima bentuk baru determinisme: Jika diberikan data kondisi sistem pada suatu waktu, hukum alam menentukan probabilitas berbagai kondisi masa depan dan masa lalu, bukan menentukan keduanya dengan kepastian. Meskipun hal ini tidak menyenangkan bagi beberapa orang, fisikawan harus menerima teori-teori yang sesuai dengan percobaan, bukannya sesuai dengan gagasan awal mereka sendiri.

Apa yang dituntut sains pada sebuah teori adalah bahwa teori itu dapat diuji. Jika sifat probabilistik dari prediksi fisika kuantum tidak mungkin mengonfirmasi prediksi-prediksi itu, maka teori kuantum tidak memenuhi persyaratan teori yang valid. Namun terlepas dari sifat probabilistik dari prediksi-prediksi itu, kita masih dapat menguji teori kuantum. Contohnya, kita dapat mengulang sebuah percobaan beberapa kali dan mengonfirmasi bahwa frekuensi dari berbagai keluaran cocok dengan peluang yang diprediksi. Ambil contoh percobaan bola bucky. Fisika kuantum memberitahu kita bahwa bola bucky tidak dapat dipastikan pada lokasi tertentu sebab jika dapat dipastikan maka ketidakpastian dalam momentum menjadi tak terhingga. Nyatanya, menurut fisika kuantum, tiap partikel mempunyai sejumlah peluang ditemukan pada sembarang tempat di alam. Maka meskipun jika peluang untuk menemukan sebuah elektron di dalam peralatan celah ganda sangatlah tinggi, selalu ada peluang untuk menemukan elektron yang sama pada sisi jauh bintang Alpha Centauri, atau di kue sopir di kantin kantor. Maka, jika anda menendang bola bucky kuantum dan membuatnya terbang, tak ada keahlian atau pengetahuan yang dapat membuat anda dapat meramalkan dengan pasti di mana bola itu mendarat. Namun jika anda mengulang percobaan itu banyak kali, data yang anda dapat mewakili peluang untuk menemukan bola itu pada berbagai lokasi, dan pelaku percobaan mengonfirmasi bahwa hasil dari percobaan demikian sesuai dengan prediksi teori.

Penting untuk menyadari bahwa peluang dalam fisika kuantum berbeda dengan peluang dalam fisika Newtonian atau dalam kehidupan sehari-hari. Kita dapat memahami ini dengan cara membandingkan pola dari aliran stabil bola bucky yang ditembakkan pada layar dengan pola lubang-lubang yang dibuat oleh para pemain yang menyasar mata-banteng pada permainandartboard. Kecuali para pemain terlalu banyak minum bir, peluang anak panah mendarat dekat pusat adalah yang paling besar dan makin berkurang bila anda bergerak menjauh. Seperti bola bucky, sembarang anak panah dapat mendarat di manapun dan makin lama sebuah pola lubang yang mencerminkan peluang akan timbul. Pada kehidupan sehari-hari kita mungkin menyatakan kondisi ini dengan mengatakan bahwa sebuah panah memiliki peluang tertentu untuk mendarat pada berbagai lokasi; namun kita mengatakan demikian, tidak sama dengan kasus bola bucky, hanya karena pengetahuan kita mengenai kondisi pelemparan adalah tidak lengkap. Kita dapat memperbaiki gambaran kita bila kita tahu persis bagaimana pemain melemparkan anak-panah, sudutnya, putarannya, kecepatan dan lain-lain. Maka pada prinsipnya kita dapat menduga di mana anak-panah mendarat dengan presisi sebaik yang kita kehendaki. Karena itu kita memakai istilah probabilistik untuk menggambarkan keluaran kejadian dalam kehidupan sehari-hari bukanlah untuk mencerminkan sifat intrinsik proses itu tetapi untuk mengabaikan aspek-aspek tertentu dari proses itu.

Probabilitas dalam teori kuantum berbeda. Probabilitas ini mencerminkan keacakan mendasar di alam. Model kuantum untuk alam mengarahkan pada prinsip-prinsip yang tidak hanya berlawanan dengan pengalaman sehari-hari kita tetapi juga dengan konsep intuitif kita mengenai kenyataan. Mereka yang menemukan prinsip-prinsip ini aneh dan sulit dipercaya ada dalam jaringan yang baik, sebuah jaringan fisikawan besar seperti Einstein dan bahkan Feynman, yang gambarannya mengenai teori kuantum akan segera kami ketengahkan. Nyatanya, Feynman pernah menulis,”Saya kira saya dengan aman dapat mengatakan bahwa tak seorang pun memahami mekanika kuantum.” Namun fisika kuantum sesuai dengan pengamatan. Fisika kuantum tak pernah gagal ujian, dan telah diuji dengan lebih banyak ujian daripada teori-teori dalam sains.

Pada tahun 1940-an Richard Feynman mempunyai pandangan menarik mengenai perbedaan antara dunia kuantum dan Newtonian. Feynman terusik dengan pertanyaan bagaimana pola interferensi timbul pada percobaan celah ganda. Ingatlah bahwa pola yang kita temukan saat menembakkan molekul dengan kedua celah terbuka bukanlah penjumlahan dari pola yang kita temukan saat kita melakukan percobaan dua kali, sekali dengan hanya satu celah terbuka, dan sekali dengan hanya celah lainnya terbuka. Alih-alih, ketika dua celah terbuka kita menemukan urutan pita terang dan gelap, yang terakhir adalah daerah di mana tak ada partikel yang mendarat. Itu berarti bahwa partikel-partikel yang akan mendarat pada pita gelap jika hanya satu celah yang terbuka ternyata tidak mendarat jika celah kedua juga terbuka. Kelihatannya seakan-akan, pada suatu tempat di perjalanannya dari sumber ke layar, partikel-partikel mendapatkan informasi mengenai kedua celah. Jenis perilaku ini berbeda drastis dari bagaimana sesuatu kelihatannya berperilaku pada kehidupan sehari-hari, di mana sebuah bola akan mengikuti jalur melalui salah satu celah dan tidak terpengaruh dengan kondisi pada jalur yang lain.

Menurut fisika Newtonian – dan sejalan dengan percobaan yang kita lakukan dengan bola sepak bukannya molekul – tiap partikel mengikuti satu trayek tunggal yang jelas dari sumbernya menuju layar. Tak ada ruang pada gambaran ini untuk penyimpangan di mana partikel berkunjung ke celah tetangganya dalam perjalanannya. Tetapi menurut model kuantum, partikel tersebut dikatakan tidak punya posisi yang jelas selama perjalanannya dari titik awal ke titik akhir. Feynman menyadari bahwa hal ini tidak harus berarti bahwa partikel tidak melalui jalur ketika berjalan dari sumber ke layar. Alih-alih, hal ini bisa berarti partikel-partikel itu melalui setiap jalur yang mungkin yang menghubungkan titik-titik itu. Inilah, tegas Feynman, yang membedakan fisika kuantum dan fisika Newtonian. Kondisi pada kedua celah berpengaruh karena, bukannya mengikuti satu jalur tunggal yang jelas, partikel-partikel melalui tiap jalur, dan mereka melalui semua jalur itusekaligus! Kedengarannya seperti fiksi ilmiah, tetapi bukan. Feynman merumuskan suatu rumusan matematis – Penjumlahan Sejarah Feynman – yang menggambarkan gagasan ini dan mereproduksi semua hukum fisika kuantum. Pada teori Feynman, gambar matematika dan fisika berbeda dengan gambaran rumusan awal fisika kuantum, tetapi prediksinya sama.

Pada percobaan celah ganda, gagasan Feynman maksudnya partikel-partikel melalui jalur yang memasuki hanya satu celah atau hanya celah lainnya; jalur yang memutar masuk melalui celah pertama, keluar melalui celah kedua lalu melalui celah pertama lagi; jalur yang mengunjungi resto yang menghidangkan udang besar lalu mengelilingi Jupiter beberapa kali sebelum kembali pulang; bahkan jalur-jalur yang menyeberangi alam semesta lalu kembali. Menurut pandangan Feynman, ini menjelaskan bagaimana partikel mendapatkan informasi mengenai celah mana yang terbuka – jika sebuah celah terbuka maka partikel-partikel itu mengambil jalur melaluinya. Saat kedua celah terbuka, jalur-jalur di mana partikel bergerak melalui satu celah dapat bercampur dengan jalur-jalur di mana partikel bergerak melalui celah lainnya, menyebabkan interferensi. Mungkin ini kedengarannya konyol, tetapi demi tujuan sebagian besar fisika-fisika dasar yang dikerjakan hari ini – dan demi tujuan buku ini – rumusan Feynman telah terbukti lebih berguna dibandingkan rumusan-rumusan sebelumnya.

Fisika kuantum memberitahu kita bahwa selengkap apapun pengamatan kita tentang masa kini, masa lalu (yang tak teramati), seperti masa depan, tidaklah tertentu dan ada hanya sebagai spektrum kemungkinan. Alam semesta, menurut fisika kuantum, tidak memiliki masa lalu atau sejarah tunggal.

Pandangan Feynman mengenai kenyataan kuantum adalah penting untuk memahami teori-teori yang akan segera kami sajikan, maka tak ada ruginya menyisihkan sedikit waktu untuk merasakan bagaimana pandangan ini bekerja. Bayangkan suatu proses sederhana di mana sebuah partikel mulai pada suatu lokasi A dan bergerak bebas. Menurut model Newtonian partikel itu akan mengikuti suatu garis lurus. Setelah beberapa waktu yang pasti, kita akan temukan partikel pada lokasi pasti B. Menurut model Feynman suatu partikel kuantum akan mengambil sampel tiap jalur yang menghubungkan A dan B, mengumpulkan suatu angka yang disebut fase untuk tiap jalur. Fase itu mewakili posisi dalam daur gelombang yaitu apakah gelombang berada dalam kondisi puncak atau lembah atau posisi akurat di antaranya. Resep matematika Feynman untuk menghitung fase itu menunjukkan bahwa ketika anda menjumlahkan semua gelombang dari semua jalur anda akan dapatkan “ukuran peluang” bahwa partikel, mulai dari A, akan mencapai B. Kemudian kuadrat dari ukuran peluang itu memberikan peluang yang tepat bahwa partikel akan mencapai B.

Fase di mana tiap jalur berkontribusi pada penjumlahan Feynman (dan tentunya peluang dari A menuju B) dapat digambarkan sebagai sebuah panah yang panjangnya tetap tetapi dapat menunjuk ke sembarang arah. Untuk menambah dua fase, anda tempatkan panah yang mewakili satu fase pada ujung panah yang mewakili fase lainnya, sehingga menghasilkan panah baru yang mewakili jumlah. Untuk menambah lebih banyak fase, lanjutkan saja proses tadi. Perhatikan ketika fase-fase itu membentuk barisan, panah yang mewakilinya akan cukup panjang. Tetapi bila fase-fase itu menunjuk ke arah yang berbeda-beda, mereka cenderung membatalkan satu sama lain ketika anda menambahkannya, sehingga tidak berbentuk panah sama sekali. Gagasan ini tampak pada gambar di bawah.

Untuk melakukan resep Feynman dalam menghitung ukuran peluang bahwa sebuah partikel yang mulai pada lokasi A akan berakhir pada lokasi B, anda tambahkan fase-fase, atau panah-panah, yang bersesuaian dengan setiap jalur yang menghubungkan A dan B. Jumlah jalurnya tak terhingga sehingga persamaan matematikanya menjadi rumit, tetapi hal ini berhasil. Beberapa jalur digambarkan berikut.

Teori Feynman memberikan gambaran jelas bagaimana gambaran dunia Newtonian dapat ditimbulkan dari fisika kuantum, yang terlihat amat berbeda. Menurut teori Feynman, fase-fase yang bersesuaian dengan tiap jalur bergantung pada tetapan Planck. Teori menjelaskan bahwa karena tetapan Planck sangat kecil, ketika anda menambahkan jalur-jalur yang dekat satu sama lain maka fase-fase itu akan sangat bervariasi, sehingga sesuai gambar di atas, jumlahnya akan mendekati nol. Namun teori itu juga menunjukkan ada jalur-jalur tertentu di mana fase-fase cenderung membentuk barisan sehingga jalur-jalur ini menarik; yaitu jalur-jalur ini memberikan kontribusi lebih besar pada perilaku partikel yang diamati. Jalur-jalur tersebut menunjukkan bahwa untuk benda-benda besar, jalur-jalur yang sangat mirip dengan jalur yang diramalkan oleh Newton akan memiliki fase-fase yang mirip dan kontribusinya terbesar terhadap jumlah, sehingga satu-satunya tujuan yang peluangnya lebih dari nol adalah tujuan yang diramalkan oleh teori Newton, dan tujuan itu mempunyai peluang sangat mendekati satu. Maka benda besar bergerak sebagaimana prediksi teori Newton.

Sejauh ini kita telah membahas gagasan Feynman dalam lingkup percobaan celah ganda. Pada percobaan tersebut, partikel ditembakkan ke sebuah dinding dengan celah-celah, lalu kita mengukur lokasinya, pada sebuah layar di belakang dinding, di mana partikel mendarat. Alih-alih hanya satu partikel, teori Feynman dapat meramalkan peluang keluaran sebuah “sistem” yang lebih umum, yang bisa berarti satu partikel, satu set partikel, atau bahkan seluruh alam semesta. Antara kondisi awal sistem dan pengukuran kita tentang sifat-sifatnya, sifat-sifat itu berevolusi sedemikian rupa, yang fisikawan menyebutnya sejarah sistem. Contohnya pada percobaan celah ganda, sejarah partikel adalah jalurnya. Sama seperti percobaan celah ganda, peluang mengamati partikel mendarat pada sembarang titik bergantung pada jalur yang membawanya ke sana, Feynman menunjukkan bahwa, untuk sistem yang umum, peluang sembarang pengamatan terbentuk dari semua kemungkinan sejarah yang dapat mengarah ke pengamatan. Karena inilah metodenya disebut formulasi “jumlah atas sejarah” atau “sejarah-sejarah alternatif” dari fisika kuantum.

Sekarang kita telah memahami pendekatan Feynman untuk fisika kuantum, ini saatnya mengamati prinsip utama kuantum lainnya yang akan kami pakai kemudian – sebuah prinsip bahwa mengamati sebuah sistem berarti harus mengubah tujuan sistem itu. Tak bisakah kita, seperti yang kita lakukan ketika atasan kita tertempel noda bumbu pada dagunya, sekedar mengamatinya tetapi tidak ikut campur? Tidak. Menurut fisika kuantum, anda tak bisa “sekedar” mengamati sesuatu. Itulah, fisika kuantum menjelaskan untuk melakukan pengamatan, anda harus berinteraksi dengan obyek yang anda tengah amati. Contohnya, mengamati obyek dengan cara lama, anda menyinari obyek itu. Menyinari sebuah labu tentu menimbulkan sedikit pengaruh. Tetapi sedikit menyinari sebuah partikel mungil kuantum — yaitu menembakkan proton pada partikel itu – tentu berpengaruh besar, dan percobaan menunjukkan bahwa penyinaran ini mengubah hasil percobaan persis seperti fisika kuantum menggambarkannya.

Andaikan sebelumnya kita mengirim satu aliran partikel menuju dinding pada percobaan celah ganda lalu mengumpulkan data pada sejuta partikel pertama yang melaluinya. Ketika kita memetakan jumlah partikel yang mendarat pada berbagai titik, data akan membentuk gambar pola interferensi, lalu kita menambahkan fase-fase yang sesuai dengan semua jalur yang mungkin dari titik awal A ke titik pendaratan B, akan kita temukan bahwa peluang yang kita hitung mengenai pendaratan pada berbagai titik sesuai dengan data itu.

Sekarang kita ulangi percobaan itu, kali ini sinari celah-celah itu sehingga kita mengetahui titik antara, C, di mana partikel melaluinya. (C adalah posisi pada salah satu celah.) Ini disebut informasi “pilihan jalur” karena memberitahu kita di mana tiap partikel berjalan dari A ke celah 1 ke B, atau dari A ke celah 2 ke B. Karena kita sekarang tahu pada celah mana partikel berlalu, jalur-jalur pada penjumlahan kita untuk partikel itu hanya mengandung jalur-jalur yang berlalu melalui celah 1, atau hanya jalur-jalur yang melalui celah 2. Jalur-jalur itu tidak pernah mengandung semua jalur-jalur yang melalui celah 1 dan jalur-jalur yang melalui celah 2. Karena Feynman menjelaskan pola interferensi dengan mengatakan bahwa jalur-jalur yang melalui satu celah mempengaruhi jalur-jalur yang melalui celah yang lain maka jika anda menyinari untuk menentukan celah di mana partikel berlalu, berarti menghilangkan opsi lainnya, anda akan menghilangkan pola interferensi. Dan memang, saat percobaan dilakukan, menyalakan lampu mengubah hasil dari pola interferensi menjadi pola seperti itu ! Terlebih lagi, kita dapat membuat variasi percobaan dengan memakai sinar yang amat lemah sehingga tidak semua partikel berinteraksi dengan cahaya. Pada kasus itu kita mampu mendapatkan info pilihan-jalur untuk sekedar beberapa subkelompok partikel. Jika kita pisahkan data pendaratan partikel menurut adanya info pilihan-jalur atau tidak, akan kita temukan bahwa data untuk subkelompok yang tidak ada info pilihan-jalur akan membentuk sebuah pola interferensi, dan subkelompok data yang ada info pilihan-jalur tidak akan menunjukkan interferensi.

Gagasan ini mempunyai dampak yang penting untuk konsep kita mengenai “masa lalu”. Pada teori Newtonian, masa lalu diasumsikan ada sebagai rangkaian kejadian tertentu. Jika anda melihat bahwa vas bunga yang anda beli di Italia tahun lalu pecah di lantai dan anak batita anda berdiri di atasnya terlihat menyesal, anda dapat melacak ke belakang kejadian-kejadian itu yang mengarah ke musibah tadi: jari-jari kecil melepaskannya, vas jatuh dan meledak menjadi ribuan keping ketika menyentuh lantai. Nyatanya, dengan memberi data yang lengkap tentang masa kini, hukum Newton membuat seseorang dapat menghitung gambaran lengkap masa lalu. Ini sejalan dengan pemahaman intuitif kita bahwa, apakah suka maupun duka, dunia mempunyai masa lalu tertentu. Mungkin tak ada yang memperhatikan, tetapi masa lalu memang ada dengan pasti seakan-akan anda telah mengambil beberapa foto tentangnya. Namun sebuah bola bucky kuantum tak dapat dikatakan mempunyai jalur tertentu dari sumber ke layar. Mungkin kita telah menandai lokasi-lokasi bola bucky dengan mengamatinya, tapi di antara pengamatan-pengamatan kita, bola bucky melalui semua jalur. Fisika kuantum memberitahu kita bahwa selengkap apapun pengamatan kita tentang masa kini, masa lalu (yang tak teramati), seperti masa depan, tidaklah tertentu dan ada hanya sebagai spektrum kemungkinan. Alam semesta, menurut fisika kuantum, tidak memiliki masa lalu atau sejarah tunggal.

Kenyataan bahwa masa lalu tidak memiliki bentuk yang jelas berarti bahwa pengamatan yang anda lakukan pada sistem pada masa kini mempengaruhi masa lalu dari sistem itu. Itulah yang digarisbawahi secara dramatis oleh sejenis percobaan yang dilakukan oleh John Wheeler, yang disebut percobaan pilihan-tunda. Secara skematis, percobaan ini mirip percobaan celah ganda yang baru saja kami gambarkan, di mana anda punya pilihan untuk mengamati jalur yang partikel lalui, kecuali dalam percobaan pilihan-tunda anda menunda keputusan anda mengenai apakah mengamati jalur atau tidak hingga tepat sebelum partikel menyentuh layar deteksi.

Percobaan pilihan-tunda menghasilkan data yang identik dengan data yang kita dapat ketika memilih untuk mengamati (atau tidak mengamati) info pilihan-jalur dengan mengamati celah-celah itu sendiri. Tapi pada kasus ini jalur di mana tiap partikel lalui – yaitu masa lalu – ditentukan jauh setelah partikel itu melalui celah-celah dan kemungkinan besar harus “memutuskan” apakah melalui hanya satu celah, yang tidak menghasilkan interferensi, atau keduanya, yang menghasilkan interferensi.

Wheeler bahkan melakukan sebuah versi kosmos mengenai percobaan ini, di mana partikel yang terlibat adalah proton-proton yang dipancarkan oleh quasar-quasar yang jaraknya milyaran tahun-cahaya. Cahaya demikian dapat dipisah ke dalam dua jalur dan difokuskan ulang ke bumi dengan cara gaya gravitasi oleh sebuah galaksi yang ikut terlibat. Meskipun percobaan ini masih di luar jangkauan teknologi terkini, jika kita dapat mengumpulkan cukup proton dari cahaya demikian, proton-proton itu pasti membentuk pola interferensi. Namun jika kita menempatkan sebuah alat untuk mengukur info pilihan-jalur beberapa saat sebelum proton terdeteksi, pola itu pasti hilang. Pilihan untuk memilih satu atau kedua jalur pada kasus ini telah diputuskan miliaran tahun yang lalu, sebelum bumi atau bahkan mungkin matahari terbentuk, akan tetapi pengamatan kita di laboratorium telah mempengaruhi pilihan itu.

Pada bab ini kami telah menggambarkan fisika kuantum dengan memakai percobaan celah ganda. Berikutnya kami akan memakai rumusan Feynman mengenai mekanika kuantum terhadap alam semesta secara menyeluruh. Kita akan melihat bahwa, seperti partikel, alam semesta tidak mempunyai sejarah tunggal, tetapi setiap sejarah yang mungkin, masing-masing dengan peluangnya sendiri-sendiri; dan pengamatan kita terhadap kondisi saat ini mempengaruhi masa lalu dan menentukan sejarah-sejarah alam semesta yang berbeda-beda, persis pengamatan partikel pada percobaan celah ganda mempengaruhi masa lalu partikel. Analisa ini akan menunjukkan bagaimana hukum alam pada alam semesta kita timbul dari dentuman besar. Namun sebelum kita memeriksa bagaimana hukum ini timbul, kita akan berbincang sedikit mengenai apa saja hukum-hukum itu, dan beberapa misteri yang mereka hasilkan.

SumberThe Grand Design karya Hawking & Mlodinow

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: