Anda mungkin pernah mendengar bahwa fisika kuantum itu aneh dan aneh dan tidak mematuhi hukum fisika yang biasa Anda lakukan. Ini memang benar untuk sebagian besar. Ada alasan fisikawan harus mengembangkan teori baru dan tidak bergantung pada teori lama untuk menjelaskan apa yang terjadi di dunia yang sangat kecil.
Dalam pengantar mekanika kuantum ini Anda akan belajar bagaimana para ilmuwan mendekati perilaku kuantum dan fenomena kuantum serta dari mana ide-ide ini berasal.
Apa itu Mekanika Kuantum?
Memang ada banyak keanehan di dunia kuantum. Mekanika kuantum adalah cabang fisika yang mencoba menjelaskan keanehan itu dan memberikan kerangka yang memungkinkan prediksi dan penjelasan fenomena yang diamati.
Aspek fundamental mekanika kuantum mencakup gagasan kuantisasi. Artinya, terdapat unit terkecil dari sesuatu yang tidak dapat dipecah lagi. Energi terkuantisasi, artinya datang dalam satuan diskrit.
Ukuran satuan terkuantisasi biasanya ditulis dalam konstanta Planck, h = 6,62607004 × 10 -34 m 2 kg/s.
Aspek lain dari mekanika kuantum adalah gagasan bahwa semua partikel sebenarnya memiliki dualitas partikel-gelombang, yang berarti bahwa mereka terkadang bertindak sebagai partikel dan di lain waktu bertindak sebagai gelombang. Faktanya, mereka dijelaskan oleh apa yang disebut fungsi gelombang.
Keanehan kuantum mencakup gagasan bahwa apakah suatu partikel bertindak seperti gelombang atau tidak, tergantung pada cara Anda memutuskan untuk melihatnya. Juga, sifat-sifat tertentu dari sebuah partikel – seperti orientasi putarannya – tampaknya tidak memiliki nilai yang terdefinisi dengan baik sampai Anda mengukurnya.
Itu benar, bukan hanya Anda tidak tahu sampai pengukuran, tetapi nilai perbedaan sebenarnya tidak ada sampai pengukuran.
Bandingkan dan Bandingkan Fisika Kuantum Dengan Fisika Klasik
Mekanika kuantum mungkin paling baik dipahami dengan membandingkannya dengan fisika klasik, yaitu fisika objek sehari-hari yang mungkin lebih Anda kenal.
Perbedaan besar pertama adalah ranah mana yang berlaku untuk setiap cabang. Fisika klasik berlaku sangat baik untuk objek berukuran sehari-hari, seperti bola yang dilempar. Mekanika kuantum berlaku untuk benda-benda yang sangat kecil, seperti proton, elektron, dan sebagainya.
Dalam fisika klasik, partikel dan benda memiliki posisi dan momentum yang berbeda pada suatu titik waktu tertentu, dan keduanya selalu dapat diketahui dengan tepat. Dalam mekanika kuantum, semakin akurat Anda mengetahui posisi suatu objek, semakin kurang akurat Anda mengetahui momentumnya. Partikel tidak selalu memiliki posisi dan momentum yang jelas. Ini disebut prinsip ketidakpastian Heisenberg.
Fisika klasik mengasumsikan bahwa nilai energi yang dimiliki sesuatu bersifat kontinu. Namun, dalam mekanika kuantum, energi ada dalam bongkahan diskrit. Partikel subatomik seperti elektron dalam atom, misalnya, hanya dapat menempati tingkat energi yang berbeda dan tidak menempati nilai apa pun di antaranya.
Cara kerja kausalitas juga berbeda. Fisika klasik sepenuhnya kausal, artinya pengetahuan tentang keadaan awal memungkinkan Anda untuk memprediksi dengan tepat apa yang akan terjadi.
Mekanika kuantum memiliki versi kausalitas yang berbeda. Partikel dijelaskan oleh fungsi gelombang mekanika kuantum, yang memberikan probabilitas relatif dari apa yang mungkin dilakukannya saat diukur. Fungsi gelombang itu mengikuti hukum fisika tertentu dalam cara “berevolusi” dalam waktu dan memberi Anda “awan probabilitas” yang dapat diprediksi dari pengukuran yang mungkin diberikan.
Orang-orang di Balik Teori Kuantum
Banyak ilmuwan terkenal berkontribusi pada teori kuantum selama bertahun-tahun, dan banyak yang memenangkan Hadiah Nobel atas kontribusi mereka. Memang, penemuan dan pengembangan mekanika kuantum bersifat revolusioner. Awal teori kuantum dapat ditelusuri kembali ke tahun 1800-an.
- Fisikawan Max Planck mampu menjelaskan fenomena radiasi benda hitam dengan kuantisasi energi.
- Belakangan, Albert Einstein mengembangkan penjelasan tentang efek fotolistrik dengan memperlakukan cahaya sebagai partikel, bukan gelombang, dan memberinya nilai energi terkuantisasi.
- Neils Bohr terkenal dengan karyanya tentang atom hidrogen, di mana dia mampu menjelaskan garis spektral dalam kerangka prinsip mekanika kuantum.
- Louis de Broglie mempresentasikan gagasan bahwa partikel yang cukup kecil – seperti elektron – juga menampilkan dualitas partikel-gelombang.
- Erwin Schrodinger mengembangkan persamaan Schrodingernya yang terkenal, yang menjelaskan bagaimana fungsi gelombang berevolusi dalam waktu.
- Werner Heisenberg mengembangkan prinsip ketidakpastian, yang membuktikan bahwa baik posisi maupun momentum partikel kuantum tidak dapat diketahui dengan pasti.
- Paul Dirac meramalkan keberadaan antimateri dan membuat langkah-langkah untuk merekonsiliasi teori relativitas umum dengan teori kuantum.
- John Bell terkenal dengan teorema Bell, yang membuktikan bahwa tidak ada variabel tersembunyi. (Dengan kata lain, ini bukan hanya karena Anda tidak mengetahui spin partikel kuantum atau sifat lain sebelum pengukuran, tetapi sebenarnya tidak memiliki nilai yang terdefinisi dengan baik sebelum pengukuran.)
- Richard Feynman mengembangkan teori elektrodinamika kuantum.
Interpretasi Berbeda Mekanika Kuantum
Karena mekanika kuantum sangat aneh dan kontra-intuitif, ilmuwan yang berbeda telah mengembangkan interpretasi yang berbeda tentangnya. Persamaan yang memprediksi apa yang terjadi adalah satu hal – kita tahu persamaan itu bekerja karena konsisten dengan pengamatan – tetapi memahami apa maksud sebenarnya adalah masalah yang lebih filosofis dan telah menjadi bahan perdebatan.
Einstein mencirikan interpretasi yang berbeda berdasarkan empat sifat:
- Realisme, yang berkaitan dengan apakah properti benar-benar ada sebelum pengukuran.
- Kelengkapan, yang membahas apakah teori kuantum saat ini lengkap atau tidak.
- Realisme lokal, subkategori realisme yang berkaitan dengan apakah realisme ada di tingkat lokal dan langsung.
- Determinisme, yang berkaitan dengan seberapa baik mekanika kuantum diyakini bersifat deterministik.
Interpretasi standar mekanika kuantum disebut interpretasi Kopenhagen. Itu dirumuskan oleh Bohr dan Heisenberg ketika berada di Kopenhagen pada tahun 1927. Intinya, interpretasi ini menyatakan bahwa semua partikel kuantum dan semua yang dapat diketahui tentangnya dijelaskan oleh fungsi gelombang. Dengan kata lain, semua keanehan mekanika kuantum benar-benar aneh dan begitulah sebenarnya.
Sudut pandang alternatif adalah Penafsiran Banyak Dunia, yang menghilangkan hasil probabilistik pengamatan kuantum dengan menyatakan bahwa semua hasil yang mungkin benar-benar terjadi, tetapi di dunia berbeda yang merupakan cabang dari realitas kita saat ini.
Teori variabel tersembunyi menyatakan bahwa ada lebih banyak hal di dunia kuantum yang memungkinkan kita membuat prediksi yang tidak didasarkan pada probabilitas, tetapi kita perlu mengungkap variabel tersembunyi tertentu yang akan memberi kita prediksi ini. Dengan kata lain, mekanika kuantum tidak lengkap. Teorema Bell, bagaimanapun, membuktikan bahwa variabel tersembunyi tidak ada pada tingkat lokal.
Teori De Broglie-Bohm, juga dikenal sebagai teori gelombang pilot, membahas gagasan variabel tersembunyi dengan pendekatan global yang tidak bertentangan dengan teorema Bell.
Tidak mengherankan, banyak, banyak interpretasi lain yang ada karena para ilmuwan memiliki lebih dari satu abad untuk mencoba dan memahami sifat dunia kuantum yang benar-benar aneh.
Eksperimen EPR
Banyak eksperimen terkenal telah dilakukan sepanjang jalan yang mengarah pada dan membuktikan berbagai aspek teori kuantum.
Salah satu eksperimen yang sangat terkenal adalah eksperimen EPR, dinamai dari nama ilmuwan Einstein, Podolsky, dan Rosen. Eksperimen ini berurusan dengan gagasan keterikatan dala
m sistem kuantum. Pertimbangkan dua elektron, yang keduanya memiliki sifat yang disebut spin. Putaran mereka, jika diukur, ada di posisi atas atau posisi bawah.
Saat mengukur spin elektron tunggal, ia memiliki peluang 50 persen untuk naik dan 50 persen peluang untuk turun. Hasilnya tidak dapat diprediksi sebelumnya per mekanika kuantum. Namun, dalam percobaan ini, dua elektron terjerat sedemikian rupa sehingga spin gabungannya adalah 0. Namun, berdasarkan mekanika kuantum, kita masih tidak dapat mengetahui mana yang spin ke atas dan mana yang spin ke bawah, dan memang tidak ada yang berada di posisi mana pun dan sebaliknya. dikatakan dalam “superposisi” dari kedua negara.
Kedua elektron terjerat ini dikirim ke arah yang berlawanan ke perangkat berbeda yang akan mengukur putarannya secara bersamaan. Mereka terpisah cukup jauh selama pengukuran sehingga tidak ada waktu bagi salah satu elektron untuk mengirim beberapa “sinyal” tak terlihat ke yang lain untuk memberi tahu seperti apa putarannya diukur. Namun, ketika pengukuran terjadi, keduanya diukur memiliki putaran yang berlawanan.
Kucing Schrodinger
Kucing Schrodinger adalah eksperimen pemikiran terkenal yang dimaksudkan untuk menggambarkan keanehan perilaku kuantum dan mengajukan pertanyaan tentang apa yang sebenarnya dimaksud dengan pengukuran dan apakah objek besar – seperti kucing – dapat menampilkan perilaku kuantum.
Dalam percobaan ini, seekor kucing dikatakan berada di dalam kotak sehingga tidak dapat dilihat oleh pengamat. Kehidupan kucing dibuat bergantung pada peristiwa kuantum – misalnya, mungkin orientasi putaran elektron. Jika berputar, kucing itu mati. Jika diputar ke bawah, kucing itu hidup.
Tetapi keadaan elektron tersembunyi dari pengamat seperti halnya kucing di dalam kotak. Jadi pertanyaannya menjadi, sampai Anda membuka kotaknya, apakah kucing itu hidup, mati atau juga dalam keadaan superposisi yang aneh seperti elektron sebelum pengukuran?
Yakinlah, bagaimanapun, tidak ada yang melakukan percobaan seperti itu dan tidak ada kucing yang dirugikan dalam mengejar pengetahuan kuantum!
Topik Fisika Terkait
Tahun 1900-an adalah masa ketika fisika benar-benar lepas landas. Mekanika klasik tidak bisa lagi menjelaskan dunia yang sangat kecil, dunia yang sangat besar, atau dunia yang sangat cepat. Banyak cabang baru fisika lahir. Diantaranya adalah:
- Teori medan kuantum : Sebuah teori yang menggabungkan gagasan medan dengan mekanika kuantum dan relativitas khusus.
- Fisika partikel : Bidang fisika yang menjelaskan semua partikel fundamental dan cara mereka dapat berinteraksi satu sama lain.
- Komputasi kuantum : Bidang yang mencoba membuat komputer kuantum yang memungkinkan pemrosesan lebih cepat dan enkripsi yang lebih baik karena cara kerja komputer semacam itu didasarkan pada prinsip mekanika kuantum.
- Relativitas khusus : Teori yang menggambarkan perilaku benda yang bergerak mendekati kecepatan cahaya dan didasarkan pada gagasan bahwa tidak ada yang dapat bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya.
- Relativitas umum: Teori yang menggambarkan gravitasi sebagai kelengkungan ruang-waktu.
