Alam Quantum Bukan Alam Ghaib!

0
1370
views

Merujuk kepada tulisan saudara Zamir Mohyedin pada 12 Julai yang lalu berkaitan dengan ‘quantum realm’ yang ditonjolkan dalam filem ‘Ant Man & The Wasp’, penulis berasa terpanggil untuk menjawab persoalan yang ditanya oleh mereka yang bertanya mengenai alam kuantum, yang kebanyakannya kelihatan seperti cuba mengaitkan alam kuantum yang ditonjolkan di dalam filem tersebut dengan alam ghaib, alam bunian atau alam mistik yang masyarakat Melayu yakini.

Menurut Prof. Scott Aaronson dalam bukunya Quantum Computing since Democritus, orang boleh mula mendekati fizik kuantum melalui dua cara – pertama adalah dengan memperkenalkan sejarah bagaimana fizik kuantum mula diadaptasi ke dalam sains moden. Sepertimana dalam tulisan saudara Zamir di pautan https://www.thepatriots.asia/max-planck-pengasas-fizik-kuantum/ , sejarah asal kewujudan fizik kuantum daripada permasalahan radiasi jasad hitam, kesan fotoelektrik dan bagaimana fizik kuantum membantu dalam menjelaskan fenomena-fenomena ini, fenomena yang tak mampu dijelaskan oleh fizik klasik.

Jetpack Langkawi

Cara kedua bagaimana fizik kuantum boleh diperkenalkan adalah lebih kepada aspek praktikal menurut Prof. Aaronson adalah dengan memperkenalkan asas matematik yang membentuk fizik kuantum. Cabang ini adalah antara cara yang diadaptasi untuk mengajar pelajar jurusan fizik subjek-subjek dalam fizik kuantum, seperti mekanik kuantum dan solid state physics.

Konsep Realiti dalam Fizik Kuantum

Untuk orang yang baru sahajan mengenali Fizik Kuantum, adalah biasa bagi mereka untuk mendapat gambaran yang salah berkenaan Fizik Kuantum. Justeru, sebelum masuk ke dalam subtopik yang lebih berat, penulis ingin menekankan bahawa Fizik Kuantum adalah terhasil daripada pemerhatian manusia terhadap objek-objek berskala kecil, yang selalunya pada tahap molekul atau pada skala atomik, yang pastinya lebih kecil daripada saiz nyamuk.

Di dalam Fizik Kuantum, definasi realiti yang deterministik tidak muncul bagi ahli fizik. Maksud deterministik ini adalah sesuatu yang mampu diduga terjadi mengikut logik akal kita. Sebagai contoh, sekiranya kita melempar telur ke dinding, akal kita akan menyatakan bahawa telur tersebut akan pecah sekiranya kekuatan lemparan kita mencukupi. Hal ini, proses di mana kita melakukan sesuatu dan kita mengharapkan bahawa outputnya adalah sesuatu yang mampu kita ramal, adalah apa yang saintis rujuk sebagai deterministik.

Berbeza dengan konsep deterministik yang dibawa dalam Fizik Klasik, formulasi matematik yang dibina di dalam Fizik Kuantum bukanlah dalam bentuk deterministik, sebaliknya adalah dalam bentuk probabilistik. Probabilistik di sini, jika dirujuk kepada telur yang dibaling tadi, memberi makna bahawa apabila kita baling telur ke dinding, telur tersebut mungkin akan pecah, dan mungkin tidak akan pecah, bergantung kepada konsep kebarangkalian (probability).

Aspek probabilistik ini pada asal kemunculan Fizik Kuantum, telah ditentang oleh beberapa orang saintis terkemuka, antaranya Albert Einstein. Memetik kata-kata Einstein sendiri berkenaan aspek realiti yang dibawa oleh Fizik Kuantum,

[I can’t accept quantum mechanics because] “I like to think the moon is there even if I am not looking at it.”

Einstein kemudiannya terkenal sebagai antara watak utama yang menolak Fizik Kuantum, meskipun Einstein sendiri mengakui bahawa aspek matematik Fizik Kuantum adalah betul dan terpakai dalam banyak kajian-kajian sains. Antara kritikan utama Einstein sendiri, dan kini dikenali sebagai kata-kata terkenal di dalam Fizik Kuantum berbunyi “God does not play dice with the universe”, merujuk kepada aspek probabilistik Fizik Kuantum yang Einstein tidak percaya. Sehingga ke akhir hayatnya, Einstein masih terus mencuba untuk membina semula Fizik Kuantum dari kerangkan yang mampu memasukkan aspek realiti, sepertimana yang sering kita rasai dalam dunia biasa.

Kucing Schroedinger – Kucing yang Hidup dan Mati?!

Selain Einstein, Erwin Schroedinger, salah seorang pengasas utama Fizik Kuantum juga turut mengkritik aspek realiti dalam Fizik Kuantum, dalam bentuk Gedanken Experiment (Eksperimen Minda). Eksperimen ini boleh dijelaskan dalam bentuk yang berikut:

  1. Katakan anda ada sebuah kotak, dan anda masukkan ke dalam kotak tersebut seekor kucing dan satu sumber racun.
  2. Setelah anda menutup kotak tersebut, kucing dan racun itu akan berada dalam keadaan satu sistem – yang kini kita panggil sebagai sistem tertutup yang bercampur.
  3. Menurut definasi probabilistik Fizik Kuantum, sistem kotak tersebut akan menghasilkan dua hasil kemungkinan (probable outcome), iaitu dalam bentuk kucing tersebut mati akibat racun, ataupun kucing tersebut hidup kerana racun kita tidak berkesan terhadap beliau.
  4. Menurut interpretasi matematik Fizik Kuantum pula, sebelum kotak itu dibuka, kucing tersebut dikatakan berada dalam keadaan superposition.
  5. Kita boleh memberi makna realiti terhadap hasil eksperimen ini – kucing itu mungkin hidup dan mungkin mati. Tapi apa makna realiti terhadap keadaan superposition yang kita perkatakan tadi?
  6. Ini memaksa Schroedinger memberi makna realiti kepada keadaan superposition itu tadi – bahawa kucing tersebut berada dalam keadaan hidup dan mati!

Memberi definasi terhadap sesuatu formulasi matematik bukanlah sesuatu yang baru. Menurut perspektif fizik, setiap model matematik yang dibina perlulah mempunyai maknanya yang tersendiri. Sebagai contoh sewaktu Newton membina formulasi Gravitinya, segala aspek matematik yang Newton bawa mempunyai nilai yang bertepatan dengan alam fizikal – dua jasad akan merasai tarikan antara satu sama lain.

Berbalik kepada kucing yang kita katakan tadi, saintis sehingga kini bercanggah pendapat mengenai interpretasi yang dibawa dalam Eksperimen Kucing Schroedinger tersebut. Sebahagian saintis pada zaman tersebut memegang teguh idea bahawa matematik yang dibawa oleh Fizik Kuantum adalah benar, dan aspek realiti tidak termaktub bagi Dunia Kuantum yang terbina, kerana kesemua formulasi matematik tersebut selari dengan eksperimen yang telah dibuat.

Gambar 1: Salah tafsir Kucing Schroedinger dalam kalangan masyarakat.

Antara saintis yang memegang pandangan bahawa Dunia Kuantum tidak memerlukan realiti sebagaimana Dunia Klasikal adalah Neils Bohr, seorang lagi pencipta Fizik Kuantum. Kedegilan Bohr dalam menambah aspek realiti juga telah melahirkan salah satu debat penting dalam falsafah sains, iaitu Debat Bohr-Einstein, di mana ia adalah debat di antara anti-realist (Bohr) dan realist (Einstein). Debat ini juga adalah penting kerana selepas debat ini berlangsung, kebanyakan falsafah baru mula diteroka bagi menerangkan aspek-aspek ganjil lain dalam Fizik Kuantum.

Tafsiran Pelbagai Dunia (Multiverse)

Selain tafsiran anti-realist, ramai lagi ahli sains dan falsafah yang cuba untuk menerangkan aspek Fizik Kuantum dalam kerangka realism, kerangka yang mampu kita fahami dan mampu menggambarkan alam semulajadi yang kita kenali, tanpa memasukkan aspek probabilistik kedalamnya. Antara tafsiran anti-realist lain yang terkenal adalah tafsiran pelbagai dunia (many world interpretation), yang diformulasikan oleh Hugh Everett pada tahun 1957.

Mengambil semula eksperimen Kucing Schroedinger tadi, sewaktu kotak tersebut dalam keadaan bergusut (entangled state/superposition state), kucing tersebut masih dilihat sebagai hidup dan mati. Namun begitu, apabila kita melakukan pemerhatian kepada sistem kotak tersebut, aspek kebarangkalian itu akan berpecah – menghasilkan cabang dunia baru: dunia di mana kucing tersebut hidup, dan satu lagi dunia di mana kucing tersebut mati.

Interpretasi bahawa dunia terpecah ini membawa kepada kelahiran multiverse – tafsiran di mana dunia ini sebenarnya wujud dalam keadaan yang teramat banyak (infinite universe/multiverse), dengan setiap pilihan yang kita buat akan mencambahkan lagi dunia-dunia baharu. Sebelum idea many world interpretation ini dibuat oleh Everett, Erwin Schroedinger turut mempunyai idea yang sama, dengan meletakkan amaran bahawa idea ini “seem lunatic”, kelihatan amat gila jika diteruskan. Interpretasi pelbagai dunia ini mendapat banyak sambutan, lebih-lebih lagi dalam bidang sains fiksyen, dengan watak seperti siri The Flash dan Doctor Strange mempunyai multiverse mereka sendiri.

Entanglement Itu Benar

Perkara yang menjadi tanda tanya bagi pembaca pastinya adalah dari aspek entanglement itu sendiri. Bagaimana sesuatu boleh hidup dan mati pada masa yang sama? Bagaimana sesuatu perkara yang berbeza, boleh wujud dalam masa yang sama?

Keadaan tergusut (entangled state) wujud dalam sistem kuantum sebenar, di mana spin elektron wujud dalam dua keadaan –  atas (up spin) dan bawah (down spin). Keadaan ketiga yang dipanggil keadaan bergusut (entangled state) terjadi apabila dua elektron dari satu sumber yang bergusut (up and down spin) wujud pada masa yang sama.

Fungsi entanglement ini kini digunapakai dalam bidang komputer, dengan saintis di International Business Machines (IBM) sedang membina sistem pengkomputeran kuantum universal, yang dipanggil sebagai IBM Q pada Mac 2017. Banyak aspek lain entanglement dan superposition yang ingin penulis ketengahkan, namun penulis mungkin memerlukan ruang penulisan yang lain, kerana topik ini amat berat.

Sebagai pandangan peribadi, penulis bersetuju dengan pendapat Einstein bahawa dunia Fizik Kuantum adalah antara dunia fizik yang masih belum lengkap. Asas matematik Kuantum yang dibina oleh tokoh-tokoh besar seperti Paul Dirac, David Hilbert dan von Neumann mempunyai pelbagai tafsiran berbeza yang dibina daripada kerangka yang sama.

Mungkin satu hari nanti ahli fizik akan mampu untuk membuat formulasi Fizik Kuantum yang elegant, yang memasukkan elemen realism, tanpa perlu perkaitan alam ghaib di dalamnya. Penulis juga ingin memetik kata-kata dari dua tokoh Fizik Kuantum – Neils Bohr dan Richard Feynman.

If Quantum Mechanics hasn’t profoundly shocked you, you haven’t understood it yet.” – Neils Bohr

I think I can safely say that nobody understands Quantum Mechanics.” – Richard Feynman

Gambar 2 : Antara tafsiran yang wujud dalam Fizik Kuantum. Penulis hanya menekankan Interpretasi Bohr dan Einstein sebagai contoh interpretasi realism dan anti-realism.

Rujukan:-

Scott Aaronson, (2013). Quantum Computing since Democritus. Cambridge University Press.

https://www.scottaaronson.com/democritus/lec11.html

Vaidman, L. (2002, March 24). Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics.

https://plato.stanford.edu/entries/qm-manyworlds/#Teg98

Matson, John. “What Is Quantum Mechanics Good for?”, Scientific American.

https://www.scientificamerican.com/article/everyday-quantum-physics/

Einstein Quotes – http://quantumenigma.com/nutshell/notable-quotes-on-quantum-physics/

Schrödinger, Erwin (November 1935). “Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (The present situation in quantum mechanics)”. Naturwissenschaften. Translated by J. D. Trimmer(1980).

Everett, Hugh (1957). “Relative State Formulation of Quantum Mechanics”Reviews of Modern Physics.

Quantum Computer – “IBM Announces Advances to IBM Quantum Systems & Ecosystem”. 10 November 2017.