Apa Itu Teori Kuantum? (1)

Teori Quantum,dan Alam Semesta (1)

Pada fisika klasik, dengan sistem fisik apa pun, ruang keadaan dikaitkan, yang mewakili totalitas cara yang mungkin untuk menetapkan nilai ke variabel dinamis yang mencirikan keadaan sistem. Untuk sistem dengan banyak derajat kebebasan, spesifikasi lengkap dari status sistem mungkin tidak tersedia atau berat; mekanika statistik klasik berurusan dengan situasi seperti itu dengan menerapkan distribusi probabilitas atas ruang keadaan sistem. 

Distribusi probabilitas yang memberikan probabilitas apa pun selain satu atau nol untuk beberapa kuantitas fisik dianggap sebagai spesifikasi yang tidak lengkap dari keadaan sistem. Dalam mekanika kuantum, semuanya berbeda. Tidak ada keadaan kuantum yang menetapkan nilai pasti untuk semua kuantitas fisik, dan probabilitas dibangun ke dalam rumusan standar teori.

Pada upaya  merumuskan teori kuantum dari beberapa sistem, biasanya dimulai dengan perumusan Hamiltonian atau Lagrangian dari teori mekanik klasik sistem itu. Dalam perumusan Hamiltonan mekanika klasik, konfigurasi suatu sistem diwakili oleh suatu himpunan koordinat. Ini dapat berupa, misalnya, posisi masing-masing kumpulan partikel titik, tetapi kita juga dapat mempertimbangkan kasus yang lebih umum, seperti koordinat sudut yang menentukan orientasi benda tegar. 

Untuk setiap koordinat ada momentum konjugasi terkait. Jika koordinat menunjukkan posisi beberapa objek, momentum yang terkonjugasi ke koordinat itu mungkin yang biasa kita sebut "momentum", yaitu kecepatan benda dikalikan dengan massanya. Jika koordinatnya suatu sudut, maka momentum yang terkonjugasi dengannya adalah momentum sudut.

Terlepas dari statusnya sebagai bagian inti dari fisika kontemporer, tidak ada konsensus di antara fisikawan atau filsuf fisika tentang pertanyaan tentang apa, jika ada, keberhasilan empiris teori kuantum memberitahu kita tentang dunia fisik. Hal ini memunculkan kumpulan masalah filosofis yang dikenal sebagai "interpretasi mekanika kuantum". Seseorang tidak boleh disesatkan oleh terminologi ini untuk berpikir bahwa apa yang kita miliki adalah formalisme matematika yang tidak ditafsirkan tanpa koneksi ke dunia fisik. 

Sebaliknya, ada inti operasional umum yang terdiri dari resep untuk menghitung probabilitas hasil eksperimen yang dilakukan pada sistem yang tunduk pada prosedur persiapan keadaan tertentu. Apa yang sering disebut sebagai "interpretasi" yang berbeda dari mekanika kuantum berbeda pada apa, jika ada, yang ditambahkan ke inti umum. Dua dari pendekatan utama, teori variabel tersembunyi dan teori keruntuhan, melibatkan perumusan teori fisika yang berbeda dari mekanika kuantum standar; ini membuat terminologi "interpretasi" semakin tidak tepat.

 Sebagian besar literatur filosofis yang berhubungan dengan teori kuantum berpusat pada masalah apakah kita harus menafsirkan teori, atau perluasan atau revisi yang sesuai, dalam istilah realis, dan, jika demikian, bagaimana hal ini harus dilakukan. Berbagai pendekatan untuk apa yang disebut "Masalah Pengukuran" mengusulkan jawaban yang berbeda untuk pertanyaan-pertanyaan ini. 

Namun, ada pertanyaan lain yang menarik secara filosofis. Ini termasuk bantalan nonlokalitas kuantum pada pemahaman kita tentang struktur ruang-waktu dan kausalitas, pertanyaan tentang karakter ontologis keadaan kuantum, implikasi mekanika kuantum untuk teori informasi, dan tugas menempatkan teori kuantum sehubungan dengan teori lain, baik aktual dan hipotetis. 

Dikursus di Kompasiana ini, saya akan meminjam pemikiran pada buku  The Routledge Companion to Philosophy of Physics (Knox dan Wilson, eds., 2021); The Oxford Handbook of the History of Quantum Interpretations (Freire, et al. eds., 2022) berisi esai tentang sejarah diskusi tentang masalah ini.

 Teori Quantum adalah salah satu pilar dasar Fisika saat ini. Ini mengumpulkan satu set ide-ide baru yang diperkenalkan sepanjang sepertiga pertama abad ke-20 untuk menjelaskan proses yang pemahamannya bertentangan dengan konsepsi fisik saat ini. Kerangka aplikasinya terbatas, hampir secara eksklusif, pada tingkat atom, subatom, dan nuklir, di mana ia sangat penting. Tetapi itu  berlaku di bidang lain, seperti elektronik, dalam fisika material baru, dalam fisika energi tinggi, dalam desain instrumentasi medis, dalam kriptografi dan komputasi kuantum, dan dalam kosmologi teoretis alam semesta awal. 

Teori Quantum adalah teori probabilistik murni: teori ini menggambarkan probabilitas bahwa suatu peristiwa tertentu akan terjadi pada waktu tertentu, tanpa menentukan kapan itu akan terjadi. Tidak seperti apa yang terjadi dalam Fisika Klasik, dalam Teori Kuantum, probabilitas memiliki nilai objektif yang esensial, dan tidak tunduk pada status pengetahuan subjek, tetapi, dengan cara tertentu;

Teori Quantum adalah salah satu pilar dasar Fisika saat ini. Ini adalah teori yang menyatukan formalisme matematika dan konseptual, dan mencakup serangkaian ide baru yang diperkenalkan sepanjang sepertiga pertama abad ke-20, untuk menjelaskan proses yang pemahamannya bertentangan dengan konsep fisik saat ini.

Oleh karena itu, gagasan yang mendukung Teori Kuantum muncul sebagai alternatif ketika mencoba menjelaskan perilaku sistem di mana aparatus konseptual Fisika Klasik tidak mencukupi. Artinya, serangkaian pengamatan empiris yang penjelasannya tidak dapat didekati melalui metode yang ada, memunculkan ide-ide baru.

Penting untuk menyoroti konfrontasi kuat yang muncul antara ide-ide Fisika Kuantum, dan ide-ide yang valid sampai saat itu, katakanlah Fisika Klasik. Ini menjadi lebih akut jika kita memperhitungkan keberhasilan eksperimen yang luar biasa yang telah mereka tunjukkan sepanjang abad ke-19, mendasarkan diri mereka pada dasarnya pada mekanika Newton dan teori elektromagnetik Maxwell (1865).

Begitulah tingkat kepuasan komunitas ilmiah sehingga beberapa fisikawan, termasuk salah satu yang paling terkenal dari abad kesembilan belas, William Thompson (Lord Kelvin), bahkan menyatakan:

Hari ini Fisika membentuk, pada dasarnya, keseluruhan yang sangat harmonis, keseluruhan yang praktis selesai! ... Masih ada "dua awan kecil" yang mengaburkan kemegahan ansambel ini. Yang pertama adalah hasil negatif dari percobaan perbedaan mendalam antara pengalaman dan Hukum Rayleigh-Jeans.

Hilangnya yang pertama dari "dua awan kecil" ini mengarah pada penciptaan Teori Relativitas Khusus oleh Einstein (1905), yaitu runtuhnya konsep absolut ruang dan waktu, tipikal mekanika Newton, sejak pengenalan "relativisme" dalam deskripsi fisik realitas. "Awan" kedua menurunkan badai ide-ide kuantum pertama, karena fisikawan Jerman Max Planck (1900).

Apa yang coba dijelaskan oleh Hukum Rayleigh-Jeans (1899), dengan cara yang tidak menguntungkan? Fenomena fisik yang disebut radiasi benda hitam , yaitu proses yang menggambarkan interaksi antara materi dan radiasi, cara materi bertukar energi, memancarkan atau menyerapnya, dengan sumber radiasi. Namun selain Hukum Rayleigh-Jeans ada hukum lain, Hukum Wien (1893), yang  berusaha menjelaskan fenomena yang sama.

Hukum Wien memberikan penjelasan eksperimental yang benar jika frekuensi radiasi tinggi, tetapi gagal untuk frekuensi rendah. Untuk bagiannya, Hukum Rayleigh-Jeans memberikan penjelasan eksperimental yang benar jika frekuensi radiasi rendah, tetapi gagal untuk frekuensi tinggi.

Frekuensi adalah salah satu karakteristik yang menentukan radiasi, dan secara umum setiap fenomena di mana gelombang terlibat. Frekuensi dapat diartikan sebagai banyaknya getaran per satuan waktu. Seluruh rentang frekuensi yang mungkin untuk radiasi di Alam terkandung dalam spektrum elektromagnetik , yang, tergantung pada nilai frekuensi yang dipilih, menentukan satu jenis atau jenis radiasi lainnya.

Pada tahun 1900, Max Planck meletakkan batu fondasi untuk pembangunan Teori Kuantum. Dia mendalilkan hukum (Hukum Planck) yang menjelaskan radiasi benda hitam secara terpadu, di seluruh spektrum frekuensi.

Apa yang ditambahkan oleh hukum Planck yang belum tersirat dalam hukum Wien dan Rayleigh-Jeans? Bahan yang sama pentingnya dengan novel. Sedemikian rupa sehingga dia bertanggung jawab atas krisis besar pertama yang disebabkan oleh Teori Kuantum pada kerangka konseptual Fisika Klasik. Ini mengasumsikan bahwa pertukaran energi antara radiasi dan materi terjadi melalui proses yang berkesinambungan, yaitu radiasi frekuensi f dapat melepaskan sejumlah energi ketika diserap oleh materi.

Apa yang didalilkan Planck ketika memperkenalkan hukumnya adalah bahwa satu-satunya cara untuk mendapatkan formula yang benar secara eksperimental memerlukan asumsi baru dan berani bahwa pertukaran energi tersebut harus terjadi secara terputus-putus, yaitu melalui emisi dan penyerapan energi diskrit jumlah, yang hari ini kita sebut radiasi "kuantum". Jumlah energi E dari kuantum radiasi frekuensi f diperoleh dengan hubungan Planck: E = hxf, di mana h adalah konstanta universal Planck = 6'62 x 10 (expo-34) (satuan "aksi" ).

Hubungan Planck dapat dipahami dengan mengatakan bahwa setiap radiasi frekuensi f berperilaku seperti aliran partikel, kuantum, masing-masing membawa energi E = hxf, yang dapat dipancarkan atau diserap oleh materi.

Hipotesis Planck memberikan sifat materi sel pada fenomena gelombang tradisional, seperti radiasi. Tetapi yang lebih penting, ia mengandaikan peralihan dari konsepsi Kontinuis tentang Alam ke konsepsi diskontinuis, yang khususnya terbukti dalam studi struktur atom, di mana elektron hanya dapat memiliki kumpulan energi yang diskrit dan terputus-putus. nilai-nilai.

Hipotesis Planck dikonfirmasi secara eksperimental, tidak hanya dalam proses radiasi benda hitam, dari mana penjelasan itu muncul, tetapi  dalam penjelasan efek fotolistrik , karena Einstein (1905), dan Arthur Compton (1923).

Kerangka aplikasi Teori Kuantum terbatas, hampir secara eksklusif, pada tingkat atom, subatom, dan nuklir, di mana ia sangat penting. Tetapi  penting di bidang lain, seperti elektronik (dalam desain transistor, mikroprosesor dan semua jenis komponen elektronik), dalam fisika bahan baru (semikonduktor dan superkonduktor), dalam fisika energi tinggi, dalam desain medis. instrumentasi (laser, tomografi, dll.), dalam kriptografi dan komputasi kuantum, dan dalam kosmologi teoretis alam semesta awal. Jadi Teori Quantum berhasil diperluas ke konteks yang sangat berbeda, yang memperkuat validitasnya.

Tetapi mengapa teori klasik gagal dalam usahanya menjelaskan fenomena dunia mikro? Bukankah itu, bagaimanapun, perbedaan sederhana dalam skala antara besar dan kecil, relatif terhadap ukuran sistem? Jawabannya adalah negatif. Mari kita ingat bahwa tidak selalu mungkin untuk memodelkan sistem yang sama pada skala yang berbeda untuk mempelajari sifat-sifatnya.

Untuk melihat bahwa variasi skala adalah proses dengan batasan intrinsik tertentu, misalkan kita ingin melakukan studi hidrodinamika yang berkaitan dengan pergerakan arus laut. Dalam kondisi tertentu, kita dapat membuat model skala yang cukup lengkap yang tidak mengabaikan faktor-faktor esensial dari fenomena tersebut. Untuk tujuan praktis, pengurangan skala mungkin cukup deskriptif.

Tetapi jika kita mengurangi skala berulang kali, kita akan secara berturut-turut melalui situasi yang akan sesuai dengan tingkat yang lebih rendah dengan kasus nyata. Sampai akhirnya mencapai inti dari materi yang sedang dipelajari, molekul air, yang jelas-jelas tidak menerima perlakuan hidrodinamik, dan kita harus menggunakan teori jenis lain, teori jenis molekul. Artinya, dalam pengurangan skala berturut-turut, efek dan proses yang dihasilkan oleh aglutinasi molekul telah hilang.

Demikian pula, dapat dipikirkan bahwa salah satu alasan mengapa Fisika Klasik tidak dapat diterapkan pada fenomena atom adalah karena kita telah mengurangi skala menjadi suatu realitas yang "terlalu esensial" dan itu menjadi perlu, seperti pada contoh sebelumnya, sebuah perubahan teori. Dan faktanya, inilah yang terjadi: Teori Kuantum mempelajari aspek-aspek tertinggi dari zat, unsur-unsur paling esensial dari materi (yang disebut "partikel dasar") dan sifat alami radiasi.

Maka, kita harus mengasumsikan karakter absolut dari kecilnya sistem yang diterapkan Teori Kuantum. Artinya, kualitas "kecil" atau "kuantum" tidak lagi menjadi relatif terhadap ukuran sistem, dan memperoleh karakter absolut. Dan apa yang memberitahu kita jika suatu sistem harus dianggap "kecil" dan dipelajari melalui Teori Kuantum? Ada "penggaris", "pola pengukuran" yang menangani hal ini, tetapi itu bukan penggaris yang dikalibrasi dalam satuan panjang, tetapi dalam satuan besaran fisik penting lainnya yang disebut "aksi".

Tindakan adalah besaran fisik, seperti panjang, waktu, kecepatan, energi, suhu, daya, arus listrik, gaya, dll, meskipun kurang dikenal. Dan seperti halnya suhu menunjukkan kualitas dingin atau panas sistem, dan kecepatan kualitas istirahat atau gerakannya, tindakan menunjukkan kualitas kecil (kuantum) atau besar (klasik) sistem. Seperti energi, atau panjang, setiap sistem  memiliki aksi yang mencirikannya.

Tindakan karakteristik ini, A, diperoleh dari perkalian besaran berikut: A = P x L, di mana P mewakili jumlah karakteristik gerakan sistem (produk dari massa dikalikan kecepatannya) dan L karakteristik "panjang". Satuan dari "penggaris" yang kami sebutkan, yang dengannya kami mengukur aksi sistem, adalah konstanta Planck, h. Jika nilai dari aksi karakteristik sistem adalah dalam orde konstanta Planck, kita harus menggunakan Teori Kuantum saat mempelajarinya.

Sebaliknya, jika h sangat kecil dibandingkan dengan aksi tipikal sistem, kita dapat mempelajarinya melalui metode teori klasik. Artinya: Jika A berorde h kita harus mempelajari sistem menurut Teori Kuantum. Jika A jauh lebih besar dari h, kita dapat mempelajarinya melalui Fisika Klasik.

Aspek-aspek yang pada dasarnya baru (non-klasik) yang diturunkan dari Teori Quantum adalah: (a) Sifat radiasi korpuskular (hipotesis Planck). (b) Penampilan partikel seperti gelombang (hipotesis Broglie). Dan (c) Adanya besaran-besaran fisis yang spektrum nilainya terputus-putus. Misalnya tingkat energi atom hidrogen (model atom Bohr). Maka implikasi dari a): karakter sel dari radiasi.

Radiasi secara tradisional dianggap sebagai fenomena gelombang. Tapi hipotesis Planck menganggapnya sebagai aliran partikel, "kuantum". Jadi, sifat apa yang dimiliki radiasi: gelombang atau sel darah? Keduanya. Ini memanifestasikan karakter "ganda" yang nyata. Ini adalah aspek yang tidak dikecualikan dalam formalisme kuantum, dan diintegrasikan ke dalam konsep "kuantum".

Kuantum radiasi dapat memanifestasikan sifat sel dan gelombang, tergantung pada nilai frekuensi radiasi. Untuk nilai frekuensi yang tinggi (di wilayah spektrum gamma) karakter sel darah mendominasi. Sedangkan untuk frekuensi rendah (dalam wilayah spektrum yang menggambarkan gelombang radio) aspek gelombang mendominasi.

Implikasi dari b): karakter gelombang partikel.

Itu diverifikasi dalam percobaan difraksi elektron dan neutron. Apa yang diungkapkan oleh eksperimen ini adalah bahwa sejenis gelombang menyertai pergerakan partikel sebagai penyebab fenomena difraksi. Jadi sekali lagi kita punya contoh dualitas antara sifat sel dan gelombang, dalam hal ini terkait dengan partikel.

Tetapi munculnya fenomena gelombang tidak hanya terjadi pada tingkat mikroskopis, tetapi  memanifestasikan dirinya untuk objek makroskopik, meskipun dalam hal ini gelombang yang terkait memiliki panjang gelombang yang sangat kecil sehingga dalam praktiknya dapat diabaikan dan tidak mungkin dilakukan. percobaan gelombang difraksi yang mengungkapkannya.

Implikasi dari c): adanya besaran fisis yang terputus-putus.

Ini menyoroti karakter Alam yang terputus secara intrinsik, yang dibuktikan, sebagai contoh paling menonjol, dalam spektrum energi atom. Stabilitas materi dijelaskan dari adanya diskontinuitas energik ini.

Gambaran paling umum dari keadaan elektron atom hidrogen diberikan oleh "superposisi" fungsi keadaan yang berbeda. Superposisi seperti itu dikenal sebagai "fungsi gelombang". Superposisi keadaan yang mungkin adalah tipikal Teori Kuantum, dan tidak muncul dalam deskripsi berdasarkan Fisika Klasik.

Dalam yang terakhir, keadaan yang mungkin tidak pernah tumpang tindih, tetapi ditampilkan secara langsung sebagai properti nyata yang dikaitkan dengan keadaan sistem. Sebaliknya, menentukan keadaan sistem dalam Teori Kuantum menyiratkan mempertimbangkan superposisi dari semua kemungkinan keadaannya. Fungsi gelombang bukanlah gelombang yang terkait dengan propagasi medan fisik apa pun (listrik, magnet, dll.), melainkan representasi yang memungkinkan status partikel yang terkait untuk dikarakterisasi secara matematis.

Fisikawan Jerman Max Born menawarkan interpretasi fisik pertama dari fungsi gelombang, yang menurutnya kuadrat amplitudonya adalah ukuran probabilitas menemukan partikel terkait pada titik tertentu dalam ruang pada saat tertentu. Di sini sebuah fakta yang akan diulang sepanjang perkembangan Teori Kuantum dimanifestasikan, dan itu adalah kemunculan probabilitas sebagai komponen penting dari sebagian besar analisis.

Teori Quantum adalah teori probabilistik murni. Ini memberitahu kita tentang probabilitas bahwa suatu peristiwa tertentu akan terjadi pada waktu tertentu, bukan tentang kapan peristiwa tersebut pasti akan terjadi. Pentingnya probabilitas dalam formalismenya adalah titik utama konflik antara Einstein dan Bohr di Kongres Fisika Solvay V pada tahun 1927.

Einstein berpendapat bahwa kehadiran probabilitas yang kuat dalam Teori Kuantum membuatnya menjadi teori yang tidak lengkap yang dapat digantikan oleh teori hipotetis yang lebih baik, kurang prediksi probabilistik, dan karena itu deterministik . Dia menciptakan pandangan ini dalam ungkapannya yang sekarang terkenal, "Tuhan tidak bermain dadu dengan Semesta."

Posisi Einstein didasarkan pada fakta bahwa peran yang diberikan pada probabilitas dalam Teori Kuantum sangat berbeda dengan yang dimainkannya dalam Fisika Klasik. Dalam hal ini, probabilitas dianggap sebagai ukuran ketidaktahuan subjek, karena kurangnya informasi, tentang beberapa sifat dari sistem yang dipelajari. Maka, kita dapat berbicara tentang nilai probabilitas subjektif. Tetapi dalam Teori Kuantum, probabilitas memiliki nilai objektif yang esensial, dan ia tidak tunduk pada keadaan pengetahuan subjek, tetapi, dengan cara tertentu, menentukannya.

Menurut pendapat Einstein, Teori Quantum perlu dilengkapi dengan memperkenalkan dalam formalismenya satu set elemen realitas tambahan (disebut "variabel tersembunyi"), yang dianggap diabaikan oleh teori, yang, bila diperhitungkan, akan memberikan informasi yang hilang. yang akan mengubah prediksi probabilistik   menjadi prediksi deterministik.

Citasi:

• Einstein, Albert,., 1954, "Physics and reality", in Ideas and Opinions, New York: Crown Publishers, Inc., (translation of Einstein 1936).
• Alastair Wilson.,2021., The Routledge Companion to Philosophy of Physics.,Edited By .,Eleanor Knox.