Mekanika Kuantum: Sebuah Pengantar

Anda mungkin pernah mendengar bahwa fisika kuantum itu aneh dan aneh dan tidak mematuhi hukum fisika yang biasa Anda lakukan. Hal ini tentu benar untuk sebagian besar. Ada alasan mengapa 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.

Memang ada banyak keanehan di dunia kuantum. Mekanika kuantum adalah cabang fisika yang mencoba menjelaskan keanehan itu dan menyediakan kerangka kerja yang memungkinkan prediksi dan penjelasan fenomena yang diamati.

Aspek fundamental mekanika kuantum mencakup gagasan kuantisasi. Artinya, ada unit terkecil dari sesuatu yang tidak dapat dirinci lebih lanjut. Energi terkuantisasi, artinya energi itu datang dalam satuan diskrit.

Ukuran satuan terkuantisasi biasanya ditulis dalam bentuk konstanta Planckck, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 saya²kg/s.

Aspek lain dari mekanika kuantum adalah gagasan bahwa semua partikel sebenarnya memiliki dualitas gelombang partikel, yang berarti bahwa mereka kadang-kadang bertindak sebagai partikel dan di waktu lain bertindak sebagai gelombang. Bahkan, mereka dijelaskan oleh apa yang disebut fungsi gelombang.

Keanehan kuantum mencakup gagasan bahwa apakah suatu partikel bertindak seperti gelombang atau tidak, entah bagaimana tergantung pada cara Anda memutuskan untuk melihatnya. Juga, sifat-sifat partikel tertentu – 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 pembeda yang sebenarnya tidak ada sampai pengukuran.

Mekanika kuantum mungkin paling baik dipahami dengan membandingkannya dengan fisika klasik, yang merupakan fisika benda sehari-hari yang mungkin lebih Anda kenal.

Perbedaan utama pertama adalah di alam mana setiap cabang berlaku. Fisika klasik berlaku sangat baik untuk benda 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 titik waktu tertentu, dan keduanya selalu dapat diketahui dengan tepat. Dalam mekanika kuantum, semakin akurat Anda mengetahui posisi suatu objek, semakin tidak akurat Anda mengetahui momentumnya. Partikel tidak selalu memiliki posisi dan momentum yang terdefinisi dengan baik. Ini disebut prinsip ketidakpastian Heisenberg.

Fisika klasik berasumsi bahwa nilai energi yang dimiliki sesuatu adalah kontinu. Dalam mekanika kuantum, bagaimanapun, energi ada dalam potongan diskrit. Partikel subatomik seperti elektron dalam atom, misalnya, hanya dapat menempati tingkat energi yang berbeda dan tidak ada nilai di antaranya.

Cara kerja kausalitas juga berbeda. Fisika klasik sepenuhnya bersifat 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 mekanika kuantum fungsi gelombang, yang memberikan probabilitas relatif dari apa yang mungkin dilakukan ketika diukur. Fungsi gelombang itu mengikuti hukum fisika tertentu tentang bagaimana ia "berkembang" dalam waktu dan memberi Anda "awan probabilitas" yang dapat diprediksi dari pengukuran apa yang mungkin diberikan.

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 adalah revolusioner. Awal mula teori kuantum dapat ditelusuri kembali ke tahun 1800-an.

• Fisikawan Max Planck mampu menjelaskan fenomena radiasi benda hitam dengan kuantisasi energi.
• Kemudian, Albert Einstein mengembangkan penjelasan tentang efek fotoelektrik dengan memperlakukan cahaya sebagai partikel bukan gelombang dan memberikan nilai energi terkuantisasi.
• Neils Bohr terkenal dengan karyanya tentang atom hidrogen, di mana ia mampu menjelaskan garis spektral dalam hal prinsip mekanika kuantum.
• Louis de Broglie mempresentasikan gagasan bahwa partikel yang cukup kecil – seperti elektron – juga menampilkan dualitas gelombang partikel.
• Erwin Schrodinger mengembangkan karyanya yang terkenal Persamaan Schrodinger, yang menjelaskan bagaimana fungsi gelombang berkembang 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 menuju rekonsiliasi teori relativitas umum dengan teori kuantum.
• John Bell dikenal dengan teorema Bell, yang membuktikan bahwa tidak ada variabel tersembunyi. (Dengan kata lain, Anda tidak hanya tidak tahu partikel kuantum berputar atau properti lain sebelum pengukuran, tetapi sebenarnya tidak memiliki nilai yang terdefinisi dengan baik sebelum pengukuran.)
• Richard Feynman mengembangkan teori elektrodinamika kuantum.

Karena mekanika kuantum begitu 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 yang sebenarnya mereka maksud adalah masalah yang lebih filosofis dan telah menjadi subyek banyak perdebatan.

Einstein mengkarakterisasi 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 deterministik.

Interpretasi standar mekanika kuantum disebut interpretasi Kopenhagen. Itu dirumuskan oleh Bohr dan Heisenberg saat 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 kenyataannya.

Sudut pandang alternatif adalah Interpretasi Banyak Dunia, yang menghilangkan hasil probabilistik kuantum pengamatan dengan menyatakan bahwa semua hasil yang mungkin benar-benar terjadi, tetapi di dunia berbeda yang merupakan cabang dari arus kita realitas.

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 di 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 ada karena para ilmuwan memiliki lebih dari satu abad untuk mencoba dan memahami sifat dunia kuantum yang benar-benar aneh.

Banyak eksperimen terkenal telah dilakukan di sepanjang jalan yang mengarah pada dan membuktikan berbagai aspek teori kuantum.

Salah satu eksperimen yang sangat terkenal adalah eksperimen EPR, dinamai untuk ilmuwan Einstein, Podolsky dan Rosen. Eksperimen ini membahas gagasan keterjeratan dalam sistem kuantum. Pertimbangkan dua elektron, yang keduanya memiliki sifat yang disebut spin. Putarannya, jika diukur, ada di posisi atas atau bawah.

Saat mengukur putaran elektron tunggal, ia memiliki peluang 50 persen untuk naik dan 50 persen peluang untuk turun. Hasilnya tidak dapat diprediksi sebelumnya per mekanika kuantum. Dalam percobaan ini, bagaimanapun, dua elektron terjerat sedemikian rupa sehingga spin gabungan mereka adalah 0. Namun, per mekanika kuantum, kita masih belum bisa mengetahui mana yang spin up dan mana yang spin down, dan memang tidak ada di salah satu posisi dan malah dikatakan berada dalam "superposisi" dari keduanya negara bagian.

Kedua elektron terjerat ini dikirim ke arah yang berlawanan ke perangkat berbeda yang akan mengukur putarannya secara bersamaan. Jarak mereka cukup jauh selama pengukuran sehingga tidak ada waktu bagi salah satu elektron untuk mengirim "sinyal" tak terlihat ke elektron lain untuk memberi tahu apa yang diukur sebagai putarannya. Namun, ketika pengukuran terjadi, keduanya diukur memiliki putaran yang berlawanan.

Kucing Schrodinger adalah eksperimen pemikiran terkenal yang dimaksudkan untuk menggambarkan keanehan perilaku kuantum dan pertanyaan tentang apa yang sebenarnya dimaksud dengan pengukuran dan apakah objek besar – seperti kucing – dapat menampilkan kuantum tingkah laku.

Dalam percobaan ini, seekor kucing dikatakan berada di dalam sebuah kotak sehingga tidak dapat dilihat oleh pengamat. Kehidupan kucing bergantung pada peristiwa kuantum – misalnya, mungkin orientasi putaran elektron. Jika berputar, kucing mati. Jika diputar ke bawah, kucing itu hidup.

Tapi keadaan elektron tersembunyi dari pengamat seperti kucing di dalam kotak. Jadi pertanyaannya menjadi, sampai Anda membuka kotak itu, apakah kucing itu hidup, mati atau juga dalam keadaan superposisi aneh seperti elektron sampai pengukuran?

Yakinlah, bagaimanapun, tidak ada yang melakukan eksperimen seperti itu dan tidak ada kucing yang dirugikan dalam mengejar pengetahuan kuantum!

Tahun 1900-an adalah masa ketika fisika benar-benar berkembang. 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 ide 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 lebih baik enkripsi karena cara kerja komputer semacam itu akan didasarkan pada mekanika kuantum prinsip.
• ​relativitas khusus:Teori yang menggambarkan perilaku benda yang bergerak mendekati kecepatan cahaya dan didasarkan pada gagasan bahwa tidak ada yang dapat bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya.
• ​Relativitas umum:Teori yang menggambarkan gravitasi sebagai kelengkungan ruang-waktu.