Tujuh Pelajaran Ringkas Fisika, Karya Carlo Rovelli
(Penerjemah: Muh. Syahrul Padli — versi satu kali sunting)
Pelajaran Kedua
Kuanta
Dua pilar fisika abad ke-20 — Relativitas Umum, yang sudah saya bahas dalam pelajaran pertama dan Mekanika Kuantum, yang sekarang saya jelaskan — tidaklah terlalu berbeda satu sama lain. Kedua teori ini mengajarkan bahwa struktur alam yang halus lebih halus daripada yang tampak. Tetapi Relativitas Umum adalah permata sejati: dirumuskan oleh satu pikiran, yaitu Albert Einstein, adalah pandangan dunia yang sederhana dan masuk akal tentang gravitasi, ruang dan waktu. Mekanika Kuantum, atau ‘Teori Kuantum’, di sisi lain, telah memperoleh validasi eksperimen yang tiada banding kesuksesannya dan mengarah pada pemanfaatan yang telah mengubah kehidupan kita sehari-hari (komputer tempat saya menulis, misalnya); namun lebih dari satu abad setelah kelahirannya masih diselimuti misteri dan belum bisa dipahami sepenuhnya.
Mekanika Kuantum lahir tepat pada tahun 1900, yang pada dasarnya kemudian disempurnakan dari satu abad pergulatan pemikiran yang berlangsung terus menurus. Fisikawan Jerman, Max Planck menghitung medan listrik di titik kesetimbangannya dalam sebuah kotak bertemperatur tinggi. Untuk melakukannya, dia menggunakan trik: dia membayangkan bahwa energi medan didistribusikan dalam ‘kuanta’, yaitu dalam paket atau gumpalan energi. Prosedur matematisnya mengarah pada hasil yang sesuai dengan eksperimen berulang-ulang (dan karenanya pastinya dalam beberapa aspek benar) tetapi berbenturan dengan semua yang diketahui saat itu. Energi dulu dianggap sebagai sesuatu yang berubah terus menerus, dan tidak ada alasan untuk memperlakukannya seolah-olah terbuat dari blok bangunan kecil. Untuk mengakali energi yang elah-olah terdiri dari paket terbatas, Planck, memakai sebuah trik perhitungan yang aneh, dan dia sendiri tidak sepenuhnya yakin keakuratannya. Dan Einstein sekali lagi yang, lima tahun kemudian, mengerti bahwa ‘paket energi’ itu nyata.
Einstein menunjukkan bahwa cahaya terdiri dari paket: partikel cahaya. Hari ini kita menyebutnya ‘foton’. Dia menulis begini dalam pengantar artikel ilmiahnya:
Bagi saya tampaknya pengamatan atas fenomena radiasi benda hitam, fluoresensi, produksi sinar katoda oleh sinar ultraviolet, dan fenomena terkait lainnya yang berhubungan dengan emisi atau transformasi cahaya lebih mudah dipahami jika orang menganggap bahwa energi cahaya terdistribusi secara kontinu di dalam ruang. Berikut bukti yang mendukung asumsi tersebut, energi dari sinar cahaya yang menyebar dari sumber titik tidak terus didistribusikan di ruang yang meluas tetapi terdiri dari sejumlah energi kuanta yang terlokalilasi pada titik-titik dalam ruang, yang bergerak tanpa terbagi, di mana hanya diproduksi dan diserap sebagai unit lengkap.
Kalimat-kalimat sederhana dan jelas ini adalah akte kelahiran asli dari Teori Kuantum. Perhatikan awalan kalimat luar biasa ‘Sepertinya bagi saya …’, yang mengingatkan kita pada ‘Saya pikir …’ di mana Darwin memperkenalkan dalam buku catatannya gagasan besar tentang evolusi spesies, atau ‘keragu-raguan’ yang dibicarakan oleh Faraday ketika memperkenalkan pertama kali gagasan revolusioner tentang medan magnet. Seorang jenius peragu.
Karya Einstein pada awalnya diperlakukan oleh rekannya sebagai karya remaja tidak masuk akal yang dihasilkan di masa muda yang berapi-api. Anehnya, di tahun berikutnya justru dengan artikel imliah inilah dia menerima Hadiah Nobel. Jika Planck adalah bapak Teori Kuantum, Einstein adalah orang tua yang mengasuhnya.
Tetapi seperti semua anak (yang memiliki takdirnya masing-masing — penerjemah), teori kemudian mengikuti jalannya sendiri, dan tidak diakui oleh Einstein sendiri. Pada dekade kedua dan ketiga abad kedua puluh, Dane Niels Bohr memelopori perkembangan Teori Kuantum. Bohr yang mengerti bahwa energi elektron dalam atom hanya dapat memiliki nilai-nilai tertentu, seperti energi cahaya, dan yang terpenting elektron hanya dapat ‘melompat’ antara satu orbit atom ke orbit lain dengan energi tetap, memancarkan atau menyerap foton ketika mereka melompat. Ini adalah ‘lompatan kuantum’ yang terkenal. Dan di lembaganya di Kopenhagen itulah para pemuda yang paling cemerlang abad itu berkumpul untuk menyelidiki dan mencoba menertibkan aspek-aspek perilaku yang membingungkan di dunia atom ini, dan untuk membangun dari sana teori yang kokoh. Pada tahun 1925 persamaan-persamaan teori ini akhirnya muncul, dan mengganti seluruh mekanika Newton.
Sulit membayangkan pencapaian yang lebih besar. Dengan sebuah persamaan, semuanya dapat dimengerti, dan Anda dapat mengalkulasi semuanya. Ambil satu contoh: apakah Anda ingat tabel periodik unsur, yang dirancang oleh Mendeleev, yang berisi daftar hampir semua unsur dasar pembentuk alam semestra, dari Hidrogen sampai Uranium, dan yang digantung di banyak dinding ruang-ruang kelas? Mengapa unsur-unsur itu terdaftar di sana, dan mengapa tabel periodik memiliki struktur khusus itu, dengan periodenya masing-masing, dan dengan sifat-sifat spesifiknya sendiri-sendiri? Jawabannya adalah bahwa setiap unsur sesuai dengan satu solusi dari persamaan utama Mekanika Kuantum. Seluruh unsur kimia muncul dari sebuah persamaan.
Yang pertama menulis persamaan teori baru ini, yang mendasarkannya pada ide–ide membingungkan, adalah pemuda Jerman, bernama Werner Heisenberg.
Heisenberg membayangkan bahwa elektron tidak selalu ada. Mereka hanya ada ketika seseorang atau sesuatu mengawasi mereka, atau jelasnya, ketika mereka berinteraksi dengan sesuatu yang lain. Mereka terwujud di suatu tempat, dengan peluang keberadaan terbesar, ketika bertabrakan dengan sesuatu yang lain. ‘Lompatan kuantum’ dari satu orbit ke orbit lainnya adalah satu-satunya cara elektron menjadi ‘nyata’: sebuah elektron adalah serangkaian lompatan dari satu interaksi ke interaksi lainnya. Ketika tidak ada yang menyebabkan lompatan kuantum, tidak ada lokasi pastinya. Elektron itu tidak di mana-mana.
Seolah-olah Tuhan tidak merancang realitas dengan garis yang telah ditakdirkan, tetapi hanya menandainya dengan garis samar.
Dalam Mekanika Kuantum tidak ada objek yang memiliki posisi pasti, kecuali saat bertabrakan dengan sesuatu yang lain. Untuk menggambarkannya dengan sedikit lebih mudah, antara satu interaksi dan yang lain, kita menggunakan rumus matematika abstrak yang tidak memiliki keberadaan dalam ruang nyata, hanya dalam ruang matematika yang juga abstrak. Tapi ada yang lebih buruk: lompatan interaktif yang dilewati oleh setiap objek dari satu tempat ke tempat lain tidak terjadi dengan cara yang dapat diprediksi tetapi sebagian besarnya acak. Mustahil memprediksi di mana elektron akan muncul kembali, karena kita hanya bisa menghitung probabilitas bahwa elektron itu akan muncul di sini atau di sana. Pertanyaan tentang probabilitas masuk kedalam jantung Fisika, yang mana segala sesuatu tampaknya diatur oleh hukum yang universal dan tidak dapat diubah.
Apakah ini tampak absurd? Bagi Einstein, itu juga tampak tidak masuk akal. Di satu sisi dia mengusulkan Heisenberg untuk mendapat Hadiah Nobel, mengakui bahwa Heisenberg mengerti sesuatu yang mendasar tentang dunia ini; sementara di sisi lain Einstein tidak ketinggalan di setiap kesempatan menggerutu bahwa Teori Kuantum ini tidak masuk akal.
Singa-singa muda dari kelompok Kopenhagen kecewa: bagaimana bisa Einstein berpikiran seperti itu? Ayah spiritual mereka, pria yang telah menunjukkan keberanian untuk memikirkan yang tak terpikirkan, sekarang mundur dan takut dengan lompatan pemahaman baru yang mengarah pada hal-hal yang tidak diketahuinya yang mana dia sendiri adalah pemicu awalnya. Einstein yang sama yang menunjukkan bahwa waktu itu tidak berlaku serba sama dan ruang itu melengkung sekarang mengatakan bahwa dunia tidak mungkin seaneh itu.
Dengan sabar, Bohr menjelaskan ide-ide barunya kepada Einstein. Einstein keberatan. Dia merancang eksperimen pikiran untuk menunjukkan bahwa ide-ide baru dalam Mekanika Kuantum itu saling kontradiktif: ‘Bayangkan sebuah kotak diisi cahaya, yang membolehkan satu foton melarikan diri sesaat …’ Maka dimulailah salah satu contoh terkenalnya, percobaan pikiran ‘kotak cahaya’. Pada akhirnya Bohr selalu berhasil menemukan jawaban untuk membantah keberatan Einstein ini. Selama bertahun-tahun, diskusi mereka dilanjutkan dengan ceramah, surat, artikel … Selama bertukar pendapat kedua pria hebat ini perlu kembali ke rute sebelumnya, untuk mengecek pemikiran mereka. Einstein harus mengakui bahwa sebenarnya tidak ada kontradiksi di dalam ide-ide baru Mekanika Kuantum. Bohr pastinya menyadari bahwa segala sesuatunya tidak sesederhana dan sejelas yang dia awalnya pikir. Einstein tidak melunak pada apa yang menjadi kunci masalah baginya: bahwa ada realitas objektif terlepas dari siapa pun yang berinteraksi dengan apa pun. Bohr tidak melunak pada validitas yang sangat baru di mana kenyataan dikonseptualisasikan oleh teori baru. Akhirnya, Einstein mengakui bahwa teori itu adalah langkah maju yang besar untuk memahami dunia, tetapi dia tetap yakin bahwa segala sesuatu tidak mungkin terjadi seaneh yang diusulkan — karena ‘di belakang’ kenyataan itu harus ada yang lebih mendasar, penjelasan yang lebih masuk akal.
Satu abad kemudian kita berada di titik yang sama. Persamaan Mekanika Kuantum dan konsekuensinya diaplikasikan setiap hari di berbagai bidang: oleh fisikawan, insinyur, ahli kimia dan ahli biologi. Teori Kuantum sangat berguna dalam semua teknologi kontemporer. Tanpa Mekanika Kuantum tidak akan ada transistor. Namun Mekanika Kuantum tetap misterius. Karena Mekanika Kuantum tidak menggambarkan apa yang terjadi pada sistem fisik, tetapi hanya menggambarkan bagaimana sistem fisik mempengaruhi sistem fisik yang lain.
Apa artinya itu? Bahwa realitas esensial dari suatu sistem itu tak terjelaskan? Apakah itu berarti bahwa kita hanya kekurangan sepotong puzzle? Atau apakah itu artinya, sebagaimana yang tampak bagi saya, kita harus menerima gagasan bahwa realitas itu hanyalah interaksi belaka? Pengetahuan kita tumbuh, dalam makna sebenarnya. Itu memungkinkan kita melakukan hal-hal baru yang sebelumnya tidak pernah kita bayangkan. Tetapi perkembangan itu telah membuka pertanyaan baru. Misteri baru. Mereka yang menggunakan persamaan Teori Kuantum di laboratorium dapat melakukan banyak hal, tetapi dalam artikel dan konferensi yang semakin banyak diselenggarakan dalam beberapa tahun terakhir, fisikawan dan filsuf terus mencari. Apa itu Teori Kuantum seabad setelah kelahirannya? Apakah sebuah penyelaman mengagumkan jauh ke dalam sifat realitas? Apakah itu kekeliruan yang kebetulan bekerja? Ataukah bagian dari puzzle yang tidak lengkap? Ataukah petunjuk untuk sesuatu yang mendalam tentang struktur dunia yang belum kita cerna dengan baik?
Ketika Einstein meninggal, saingan terbesarnya, Bohr, menuliskan kalimat-kalimat belasungkawa yang berisi ketakjubannya kepada Einstein. Ketika beberapa tahun kemudian giliran Bohr yang meninggal, seseorang mengambil foto papan tulis di ruang kerjanya. Ada gambar di atasnya. Sebuah gambar ‘kotak penuh cahaya’ dalam eksperimen pikiran Einstein. Hingga saat-saat terakhir mereka memendam hasrat menantang dan keinginan lebih memahami satu sama lain. Dan hingga momen yang paling akhir: tetap ragu-ragu.
