[Buku Bahasa Indonesia stephen hawking] Grand Design
BAB 4 : SEJARAH ALTERNATIF
PADA TAHUN 1999 SEBUAH TIM FISIKAWAN di Austria menembakkan serangkaian molekul berbentuk bola sepak ke arah sebuah penghalang. Molekul-molekul tersebut, masing-masing tersusun dari enam puluh atom karbon, kadang-kadang disebut buckyball karena arsitek Buckminster Fuller membangun bangunan dengan bentuk seperti itu. Kubah geodesik Fuller mungkin merupakan objek berbentuk bola sepak terbesar yang pernah ada. Buckyball adalah yang terkecil. Penghalang yang menjadi sasaran para ilmuwan itu pada dasarnya memiliki dua celah yang dapat dilalui buckyball. Di balik dinding tersebut, para fisikawan menempatkan semacam layar untuk mendeteksi dan menghitung molekul-molekul yang muncul.
Jika kita menyiapkan eksperimen serupa dengan bola sepak sungguhan, kita memerlukan seorang pemain dengan akurasi yang agak goyah tetapi mampu menendang bola secara konsisten pada kecepatan yang kita tentukan. Kita akan menempatkan pemain itu di depan sebuah dinding yang memiliki dua celah. Di sisi lain dinding, sejajar dengannya, kita akan memasang jaring yang sangat panjang.
Sebagian besar tendangan pemain akan mengenai dinding dan memantul kembali, tetapi sebagian akan melewati salah satu celah dan masuk ke dalam jaring. Jika celah tersebut hanya sedikit lebih besar daripada bola, dua aliran yang sangat terarah akan muncul di sisi lain. Jika celah sedikit lebih lebar, masing-masing aliran akan menyebar sedikit, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah.
Perhatikan bahwa jika salah satu celah ditutup, aliran bola yang bersesuaian tidak lagi dapat lewat, tetapi hal itu tidak memengaruhi aliran yang lain. Jika kita membuka kembali celah kedua, hal itu hanya akan menambah jumlah bola yang mendarat pada titik tertentu di sisi lain, karena kita akan memperoleh semua bola yang melewati celah yang tetap terbuka, ditambah bola-bola lain yang datang dari celah yang baru dibuka. Dengan kata lain, apa yang kita amati ketika kedua celah terbuka adalah jumlah dari apa yang kita amati ketika masing-masing celah dibuka secara terpisah. Itulah realitas yang biasa kita kenal dalam kehidupan sehari-hari. Namun, itulah bukan yang ditemukan para peneliti Austria ketika mereka menembakkan molekul-molekul mereka.
Dalam eksperimen Austria tersebut, membuka celah kedua memang meningkatkan jumlah molekul yang tiba pada beberapa titik di layar—tetapi justru mengurangi jumlahnya pada titik-titik lain, seperti pada gambar di bawah. Bahkan ada titik-titik di mana tidak ada buckyball yang mendarat ketika kedua celah terbuka, tetapi ada yang mendarat ketika hanya salah satu celah yang terbuka. Hal ini tampak sangat ganjil. Bagaimana mungkin membuka celah kedua justru menyebabkan lebih sedikit molekul tiba pada titik-titik tertentu?
Kita dapat memperoleh petunjuk jawabannya dengan menelaah rinciannya. Dalam eksperimen itu, banyak bola sepak molekuler mendarat pada suatu titik yang terletak tepat di tengah antara posisi yang diharapkan jika bola melewati salah satu celah atau celah lainnya. Sedikit lebih jauh dari posisi pusat tersebut, sangat sedikit molekul yang tiba, tetapi agak lebih jauh lagi dari pusat, molekul kembali teramati tiba. Pola ini bukanlah jumlah dari pola yang terbentuk ketika masing-masing celah dibuka secara terpisah, melainkan pola yang mungkin Anda kenali dari Bab 3 sebagai pola khas gelombang yang saling berinterferensi. Daerah-daerah di mana tidak ada molekul yang tiba bersesuaian dengan wilayah di mana gelombang yang dipancarkan dari kedua celah tiba dalam keadaan tidak sefasa dan menghasilkan interferensi destruktif; sedangkan daerah-daerah di mana banyak molekul tiba bersesuaian dengan wilayah di mana gelombang tiba dalam keadaan sefasa dan menghasilkan interferensi konstruktif.
Dalam sekitar dua ribu tahun pertama pemikiran ilmiah, pengalaman biasa dan intuisi menjadi dasar penjelasan teoretis. Seiring peningkatan teknologi dan meluasnya rentang fenomena yang dapat kita amati, kita mulai menemukan bahwa alam berperilaku dengan cara yang semakin tidak selaras dengan pengalaman sehari-hari kita dan karenanya dengan intuisi kita, sebagaimana ditunjukkan oleh eksperimen buckyball. Eksperimen tersebut merupakan contoh khas fenomena yang tidak dapat dicakup oleh sains klasik, tetapi dijelaskan oleh apa yang disebut fisika kuantum. Bahkan, Richard Feynman menulis bahwa eksperimen dua celah seperti yang kita uraikan di atas “mengandung seluruh misteri mekanika kuantum.”
Prinsip-prinsip fisika kuantum dikembangkan pada beberapa dekade pertama abad kedua puluh setelah teori Newton dianggap tidak memadai untuk menggambarkan alam pada tingkat atom—atau subatom. Teori-teori fundamental fisika menggambarkan gaya-gaya alam dan bagaimana benda-benda bereaksi terhadapnya. Teori klasik seperti teori Newton dibangun di atas kerangka yang mencerminkan pengalaman sehari-hari, di mana objek material memiliki keberadaan individual, dapat berada di lokasi yang pasti, mengikuti lintasan tertentu, dan sebagainya. Fisika kuantum menyediakan kerangka untuk memahami bagaimana alam beroperasi pada skala atom dan subatom, tetapi seperti yang akan kita lihat lebih rinci nanti, ia menetapkan skema konseptual yang sepenuhnya berbeda, di mana posisi, lintasan, bahkan masa lalu dan masa depan suatu objek tidak ditentukan secara presisi. Teori-teori kuantum tentang gaya seperti gravitasi atau gaya elektromagnetik dibangun dalam kerangka tersebut.
Dapatkah teori yang dibangun di atas kerangka yang begitu asing dari pengalaman sehari-hari juga menjelaskan peristiwa-peristiwa pengalaman biasa yang dimodelkan dengan sangat akurat oleh fisika klasik? Dapat, karena kita dan lingkungan kita adalah struktur majemuk, tersusun dari jumlah atom yang tak terbayangkan banyaknya, lebih banyak daripada jumlah bintang di alam semesta teramati. Meskipun atom-atom penyusunnya mematuhi prinsip fisika kuantum, dapat ditunjukkan bahwa kumpulan besar yang membentuk bola sepak, lobak, dan pesawat jet raksasa—serta diri kita—akan berhasil menghindari difraksi melalui celah. Jadi, meskipun komponen objek sehari-hari mematuhi fisika kuantum, hukum Newton membentuk teori efektif yang sangat akurat dalam menggambarkan bagaimana struktur majemuk yang membentuk dunia sehari-hari kita berperilaku.
Oleh karena itu, prediksi teori Newton selaras dengan pandangan tentang realitas yang kita semua kembangkan melalui pengalaman terhadap dunia di sekitar kita. Namun atom dan molekul individual beroperasi dengan cara yang sangat berbeda dari pengalaman sehari-hari kita. Fisika kuantum adalah model realitas yang baru yang memberikan gambaran tentang alam semesta kepada kita. Ia adalah gambaran di mana banyak konsep yang mendasar bagi pemahaman intuitif kita tentang realitas tidak lagi memiliki makna.
Eksperimen dua celah pertama kali dilakukan pada tahun 1927 oleh Clinton Davisson dan Lester Germer, fisikawan eksperimental di Bell Labs yang sedang meneliti bagaimana berkas elektron—objek yang jauh lebih sederhana daripada buckyball—berinteraksi dengan kristal nikel. Fakta bahwa partikel materi seperti elektron berperilaku seperti gelombang air merupakan jenis eksperimen yang mengejutkan dan mengilhami lahirnya fisika kuantum. Karena perilaku ini tidak diamati pada skala makroskopik, para ilmuwan telah lama bertanya-tanya seberapa besar dan kompleks suatu objek masih dapat menunjukkan sifat seperti gelombang. Akan menimbulkan kegemparan besar jika efek tersebut dapat diperlihatkan menggunakan manusia atau seekor kuda nil, tetapi seperti yang telah disebutkan, secara umum semakin besar objeknya, semakin kurang tampak dan semakin lemah efek kuantumnya. Karena itu, kecil kemungkinan hewan kebun binatang akan melintas seperti gelombang melalui jeruji kandangnya. Meski demikian, fisikawan eksperimental telah mengamati fenomena gelombang pada partikel dengan ukuran yang terus meningkat. Para ilmuwan berharap suatu hari dapat mengulangi eksperimen buckyball menggunakan virus, yang bukan saja jauh lebih besar tetapi juga oleh sebagian orang dianggap sebagai makhluk hidup.
Hanya ada beberapa aspek fisika kuantum yang diperlukan untuk memahami argumen yang akan kita ajukan dalam bab-bab berikutnya. Salah satu ciri kuncinya adalah dualitas gelombang/partikel. Bahwa partikel materi berperilaku seperti gelombang mengejutkan semua orang. Bahwa cahaya berperilaku seperti gelombang tidak lagi mengejutkan siapa pun. Perilaku cahaya yang menyerupai gelombang terasa alami bagi kita dan telah dianggap sebagai fakta yang diterima selama hampir dua abad. Jika Anda menyinari berkas cahaya pada dua celah dalam eksperimen di atas, dua gelombang akan muncul dan bertemu di layar. Pada beberapa titik, puncak atau lembahnya akan bertepatan dan membentuk daerah terang; pada titik lain, puncak dari satu berkas akan bertemu dengan lembah berkas lainnya, saling meniadakan, dan menghasilkan daerah gelap. Fisikawan Inggris Thomas Young melakukan eksperimen ini pada awal abad kesembilan belas, meyakinkan orang-orang bahwa cahaya adalah gelombang dan bukan, seperti yang diyakini Newton, tersusun dari partikel.
Meskipun seseorang mungkin menyimpulkan bahwa Newton keliru ketika mengatakan bahwa cahaya bukanlah gelombang, ia benar ketika menyatakan bahwa cahaya dapat bertindak seolah-olah tersusun dari partikel. Kini kita menyebutnya foton. Sama seperti kita tersusun dari sejumlah besar atom, cahaya yang kita lihat dalam kehidupan sehari-hari bersifat majemuk dalam arti bahwa ia terdiri dari sangat banyak foton—bahkan lampu malam 1 watt memancarkan satu miliar miliar foton setiap detik. Foton tunggal biasanya tidak tampak, tetapi di laboratorium kita dapat menghasilkan berkas cahaya yang begitu redup sehingga terdiri dari aliran foton tunggal, yang dapat kita deteksi secara individual sebagaimana kita mendeteksi elektron atau buckyball satu per satu.
Kita pun dapat mengulangi eksperimen Young dengan menggunakan berkas yang cukup jarang sehingga foton mencapai penghalang satu per satu, dengan selang beberapa detik di antara setiap kedatangan. Jika kita melakukannya, lalu menjumlahkan semua tumbukan individual yang tercatat pada layar di sisi lain penghalang, kita akan mendapati bahwa secara bersama-sama tumbukan itu membentuk pola interferensi yang sama seperti yang terbentuk jika kita melakukan eksperimen Davisson-Germer tetapi menembakkan elektron (atau buckyball) ke layar satu per satu. Bagi para fisikawan, ini merupakan penemuan yang mengejutkan: jika partikel individual dapat berinterferensi dengan dirinya sendiri, maka sifat gelombang cahaya bukan hanya milik berkas atau kumpulan besar foton, melainkan juga milik partikel individual.
Salah satu prinsip utama lain dalam fisika kuantum adalah prinsip ketidakpastian, yang dirumuskan oleh Werner Heisenberg pada tahun 1926. Prinsip ketidakpastian menyatakan bahwa terdapat batas terhadap kemampuan kita untuk secara simultan mengukur data tertentu, seperti posisi dan kecepatan suatu partikel. Menurut prinsip ini, jika Anda mengalikan ketidakpastian posisi suatu partikel dengan ketidakpastian momentumnya (massa dikalikan kecepatannya), hasilnya tidak pernah dapat lebih kecil dari suatu besaran tetap tertentu yang disebut konstanta Planck. Ini terdengar rumit, tetapi intinya sederhana:
semakin presisi Anda mengukur kecepatan, semakin tidak presisi Anda dapat mengukur posisi, dan sebaliknya. Misalnya, jika Anda mengurangi setengah ketidakpastian posisi, Anda harus menggandakan ketidakpastian kecepatan. Penting pula untuk dicatat bahwa dibandingkan dengan satuan sehari-hari seperti meter, kilogram, dan detik, konstanta Planck sangat kecil.
Dalam satuan tersebut nilainya kira-kira 6/10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000. Akibatnya, jika Anda menentukan posisi objek makroskopik seperti bola sepak bermassa sepertiga kilogram hingga ketelitian 1 milimeter ke segala arah, kita masih dapat mengukur kecepatannya dengan presisi jauh lebih besar daripada sepersejuta dari sepersejuta dari sepersejuta kilometer per jam. Hal ini karena, dalam satuan tersebut, massa bola sepak adalah 1/3 dan ketidakpastian posisinya 1/1.000. Kedua nilai itu tidak cukup untuk menjelaskan semua nol dalam konstanta Planck, sehingga peran tersebut diambil oleh ketidakpastian kecepatan. Namun dalam satuan yang sama, elektron memiliki massa .000000000000000000000000000001, sehingga bagi elektron situasinya sangat berbeda. Jika kita mengukur posisi elektron dengan ketelitian kira-kira sebesar ukuran atom, prinsip ketidakpastian menyatakan bahwa kita tidak dapat mengetahui kecepatannya dengan ketelitian lebih baik daripada sekitar plus atau minus 1.000 kilometer per detik, yang jelas tidak presisi.
Comments (0)