[BUKU BAHASA INDONESIA] A BRIEF HISTORY OF TIME - STEPHEN HAWKING

BAB 4 : PRINSIP KETIDAKPASTIAN

Keberhasilan teori-teori ilmiah, khususnya teori gravitasi Newton, mendorong ilmuwan Prancis Marquis de Laplace pada awal abad kesembilan belas untuk berpendapat bahwa alam semesta sepenuhnya bersifat deterministik. Laplace mengemukakan bahwa seharusnya ada seperangkat hukum ilmiah yang memungkinkan kita meramalkan segala sesuatu yang akan terjadi di alam semesta, seandainya saja kita mengetahui keadaan lengkap alam semesta pada satu waktu tertentu.

Sebagai contoh, jika kita mengetahui posisi dan kecepatan matahari serta planet-planet pada suatu saat, maka kita dapat menggunakan hukum-hukum Newton untuk menghitung keadaan Tata Surya pada waktu lain mana pun. Determinisme tampak cukup jelas dalam kasus ini, tetapi Laplace melangkah lebih jauh dengan menganggap bahwa terdapat hukum-hukum serupa yang mengatur segala sesuatu, termasuk perilaku manusia.

Doktrin determinisme ilmiah ini ditentang keras oleh banyak orang, yang merasa bahwa hal itu melanggar kebebasan Tuhan untuk campur tangan dalam dunia. Namun demikian, doktrin ini tetap menjadi asumsi standar ilmu pengetahuan hingga tahun-tahun awal abad ini. Salah satu petunjuk pertama bahwa keyakinan tersebut harus ditinggalkan muncul ketika perhitungan oleh ilmuwan Inggris Lord Rayleigh dan Sir James Jeans menunjukkan bahwa suatu benda panas, seperti bintang, seharusnya memancarkan energi dengan laju tak terhingga.

Menurut hukum-hukum yang kita yakini saat itu, benda panas seharusnya memancarkan gelombang elektromagnetik (seperti gelombang radio, cahaya tampak, atau sinar-X) secara merata pada semua frekuensi. Sebagai contoh, benda panas seharusnya memancarkan jumlah energi yang sama pada gelombang dengan frekuensi antara satu dan dua juta juta gelombang per detik seperti pada gelombang dengan frekuensi antara dua dan tiga juta juta gelombang per detik. Karena jumlah gelombang per detik tidak terbatas, maka hal ini berarti total energi yang dipancarkan akan tak terhingga.

Untuk menghindari hasil yang jelas-jelas tidak masuk akal ini, ilmuwan Jerman Max Planck pada tahun 1900 mengusulkan bahwa cahaya, sinar-X, dan gelombang lainnya tidak dapat dipancarkan secara sembarang laju, melainkan hanya dalam paket-paket tertentu yang ia sebut kuanta. Selain itu, setiap kuantum memiliki sejumlah energi yang semakin besar seiring meningkatnya frekuensi gelombang, sehingga pada frekuensi yang cukup tinggi, pemancaran satu kuantum tunggal akan memerlukan energi yang lebih besar daripada yang tersedia. Dengan demikian, radiasi pada frekuensi tinggi akan berkurang, dan laju kehilangan energi oleh benda tersebut menjadi terbatas.

Hipotesis kuantum menjelaskan dengan sangat baik laju pemancaran radiasi dari benda panas yang diamati, tetapi implikasinya terhadap determinisme baru disadari pada tahun 1926, ketika ilmuwan Jerman lainnya, Werner Heisenberg, merumuskan prinsip ketidakpastiannya yang terkenal. Untuk meramalkan posisi dan kecepatan masa depan suatu partikel, seseorang harus mampu mengukur posisi dan kecepatannya saat ini secara akurat.

Cara yang jelas untuk melakukannya adalah dengan menyinari partikel tersebut dengan cahaya. Sebagian gelombang cahaya akan dipantulkan oleh partikel dan ini akan menunjukkan posisinya. Namun, seseorang tidak dapat menentukan posisi partikel dengan ketelitian yang lebih tinggi daripada jarak antara puncak-puncak gelombang cahaya, sehingga diperlukan cahaya dengan panjang gelombang pendek untuk mengukur posisi partikel secara tepat.

Menurut hipotesis kuantum Planck, seseorang tidak dapat menggunakan jumlah cahaya yang sangat kecil secara sembarang; setidaknya harus digunakan satu kuantum. Kuantum ini akan mengganggu partikel dan mengubah kecepatannya dengan cara yang tidak dapat diprediksi. Lebih jauh lagi, semakin akurat seseorang mengukur posisi, semakin pendek panjang gelombang cahaya yang dibutuhkan dan dengan demikian semakin tinggi energi satu kuantum tunggal. Maka, kecepatan partikel akan terganggu dalam jumlah yang lebih besar.

Distributor pusat penjualan segala alat listrik tenaga surya. Toko online jual listrik tenaga matahari. Produsen Produk solar sel murah.www.tokosolarcell.net . daftar Paket harga penjualan listrik tenaga matahari

Dengan kata lain, semakin akurat Anda berusaha mengukur posisi partikel, semakin tidak akurat Anda dapat mengukur kecepatannya, dan sebaliknya. Heisenberg menunjukkan bahwa ketidakpastian dalam posisi partikel dikalikan dengan ketidakpastian dalam kecepatannya dikalikan dengan massa partikel tersebut tidak pernah dapat lebih kecil daripada suatu besaran tertentu, yang dikenal sebagai konstanta Planck. Selain itu, batas ini tidak bergantung pada cara pengukuran posisi atau kecepatan partikel, maupun pada jenis partikelnya: prinsip ketidakpastian Heisenberg merupakan sifat fundamental dunia yang tidak dapat dihindari.

Prinsip ketidakpastian memiliki implikasi yang mendalam terhadap cara kita memandang dunia. Bahkan setelah lebih dari tujuh puluh tahun, implikasi tersebut belum sepenuhnya dihargai oleh banyak filsuf dan masih menjadi subjek perdebatan luas. Prinsip ketidakpastian menandai berakhirnya impian Laplace tentang suatu teori sains, suatu model alam semesta yang sepenuhnya deterministik: seseorang tentu tidak dapat meramalkan peristiwa masa depan secara tepat jika ia bahkan tidak dapat mengukur keadaan alam semesta saat ini secara tepat.

Kita masih dapat membayangkan bahwa terdapat seperangkat hukum yang sepenuhnya menentukan peristiwa bagi suatu makhluk supranatural yang dapat mengamati keadaan alam semesta saat ini tanpa mengganggunya. Namun, model-model alam semesta semacam itu tidak terlalu menarik bagi kita sebagai manusia biasa. Tampaknya lebih baik menerapkan prinsip kesederhanaan yang dikenal sebagai pisau cukur Occam dan menyingkirkan semua unsur teori yang tidak dapat diamati.

Pendekatan ini mendorong Heisenberg, Erwin Schrödinger, dan Paul Dirac pada tahun 1920-an untuk merumuskan ulang mekanika menjadi suatu teori baru yang disebut mekanika kuantum, yang didasarkan pada prinsip ketidakpastian. Dalam teori ini, partikel tidak lagi memiliki posisi dan kecepatan terpisah yang terdefinisi dengan jelas dan tidak dapat diamati; sebaliknya, mereka memiliki keadaan kuantum, yang merupakan gabungan dari posisi dan kecepatan.

Secara umum, mekanika kuantum tidak meramalkan satu hasil pasti bagi suatu pengamatan. Sebaliknya, ia meramalkan sejumlah hasil yang mungkin dan memberi tahu kita seberapa besar kemungkinan masing-masing terjadi. Artinya, jika seseorang melakukan pengukuran yang sama pada sejumlah besar sistem serupa yang semuanya dimulai dengan cara yang sama, ia akan mendapati bahwa hasil pengukuran adalah A dalam sejumlah kasus tertentu, B dalam jumlah yang berbeda, dan seterusnya.

Seseorang dapat meramalkan kira-kira berapa kali hasilnya akan berupa A atau B, tetapi tidak dapat meramalkan hasil spesifik dari satu pengukuran individual. Oleh karena itu, mekanika kuantum memperkenalkan unsur ketidakpastian atau keacakan yang tidak dapat dihindari ke dalam sains.

Einstein sangat menentang hal ini, meskipun ia memainkan peran penting dalam pengembangan gagasan-gagasan tersebut. Einstein dianugerahi Hadiah Nobel atas kontribusinya terhadap teori kuantum. Namun demikian, Einstein tidak pernah menerima bahwa alam semesta diatur oleh kebetulan; perasaannya dirangkum dalam pernyataannya yang terkenal, “Tuhan tidak bermain dadu.”

Sebagian besar ilmuwan lainnya, bagaimanapun, bersedia menerima mekanika kuantum karena teori ini sepenuhnya sesuai dengan eksperimen. Sesungguhnya, teori ini sangat berhasil dan mendasari hampir seluruh sains dan teknologi modern. Ia mengatur perilaku transistor dan sirkuit terpadu, yang merupakan komponen penting perangkat elektronik seperti televisi dan komputer, dan juga menjadi dasar kimia dan biologi modern. Satu-satunya bidang ilmu fisika yang belum sepenuhnya memasukkan mekanika kuantum adalah gravitasi dan struktur alam semesta dalam skala besar.

Meskipun cahaya tersusun atas gelombang, hipotesis kuantum Planck menyatakan bahwa dalam beberapa hal ia berperilaku seolah-olah terdiri atas partikel: ia hanya dapat dipancarkan atau diserap dalam paket-paket, atau kuanta. Demikian pula, prinsip ketidakpastian Heisenberg menyiratkan bahwa partikel dalam beberapa hal berperilaku seperti gelombang: mereka tidak memiliki posisi pasti, melainkan “tersebar” dengan distribusi probabilitas tertentu.

Teori mekanika kuantum didasarkan pada jenis matematika yang sepenuhnya baru yang tidak lagi menggambarkan dunia nyata dalam istilah partikel dan gelombang; hanya pengamatan terhadap dunia yang dapat digambarkan dalam istilah tersebut. Dengan demikian, terdapat dualitas antara gelombang dan partikel dalam mekanika kuantum: untuk beberapa tujuan, lebih berguna memandang partikel sebagai gelombang, dan untuk tujuan lain, lebih baik memandang gelombang sebagai partikel.

Konsekuensi penting dari hal ini adalah bahwa seseorang dapat mengamati apa yang disebut interferensi antara dua kumpulan gelombang atau partikel. Artinya, puncak gelombang dari satu kumpulan dapat bertepatan dengan lembah gelombang dari kumpulan lainnya. Kedua kumpulan gelombang tersebut kemudian saling meniadakan alih-alih bertambah menjadi gelombang yang lebih kuat seperti yang mungkin diharapkan (Gambar 4:1).

Contoh interferensi yang akrab dalam kasus cahaya adalah warna-warna yang sering terlihat pada gelembung sabun. Warna-warna ini disebabkan oleh pemantulan cahaya dari kedua sisi lapisan tipis air yang membentuk gelembung tersebut. Cahaya putih terdiri atas gelombang cahaya dengan berbagai panjang gelombang, atau warna. Untuk panjang gelombang tertentu, puncak gelombang yang dipantulkan dari satu sisi lapisan sabun bertepatan dengan lembah gelombang yang dipantulkan dari sisi lainnya. Warna-warna yang bersesuaian dengan panjang gelombang ini tidak terdapat dalam cahaya yang dipantulkan, sehingga cahaya tersebut tampak berwarna.

Interferensi juga dapat terjadi pada partikel, karena dualitas yang diperkenalkan oleh mekanika kuantum. Contoh terkenal adalah apa yang disebut eksperimen dua celah (Gambar 4:2).

Bayangkan sebuah sekat dengan dua celah sempit sejajar di dalamnya. Di satu sisi sekat ditempatkan sumber cahaya dengan warna tertentu (yakni panjang gelombang tertentu). Sebagian besar cahaya akan mengenai sekat, tetapi sebagian kecil akan melewati celah-celah tersebut. Sekarang bayangkan sebuah layar ditempatkan di sisi lain sekat. Setiap titik pada layar akan menerima gelombang dari kedua celah.

Namun secara umum, jarak yang harus ditempuh cahaya dari sumber ke layar melalui kedua celah akan berbeda. Ini berarti gelombang dari kedua celah tidak akan sefase ketika tiba di layar: di beberapa tempat gelombang akan saling meniadakan, dan di tempat lain saling memperkuat. Hasilnya adalah pola khas garis terang dan gelap.

Hal yang mengagumkan adalah bahwa pola garis yang sama persis akan muncul jika sumber cahaya diganti dengan sumber partikel seperti elektron dengan kecepatan tertentu (yang berarti gelombang yang bersesuaian memiliki panjang tertentu). Ini tampak semakin aneh karena jika hanya ada satu celah, tidak akan muncul garis-garis, melainkan hanya distribusi elektron yang seragam pada layar.

Seseorang mungkin mengira bahwa membuka celah kedua hanya akan meningkatkan jumlah elektron yang mengenai setiap titik layar, tetapi karena interferensi, justru jumlahnya berkurang di beberapa tempat. Jika elektron dikirim melalui celah satu per satu, seseorang akan mengira bahwa masing-masing hanya melewati salah satu celah, dan karenanya berperilaku seolah-olah celah yang dilewatinya adalah satu-satunya celah yang ada—menghasilkan distribusi seragam pada layar.

Namun kenyataannya, bahkan ketika elektron dikirim satu per satu, pola garis tetap muncul. Dengan demikian, setiap elektron harus melewati kedua celah pada saat yang sama