Eksperimen Dua Belah: Pencantum Idea Gelombang dan Zarah

237

Sebelum meneruskan pembacaan, penulis mencadangkan beberapa siri artikel yang telah ditulis di dalam majalah sains, iaitu:

Pengenalan Mekanik Kuantum. https://www.majalahsains.com/pengenalan-mekanik-kuantum/

Siri Falsafah Kuantum: Dari Fizik ke Metafizik (Bahagian 1 hingga 6), oleh Aqil Fitri. https://www.majalahsains.com/falsafah-kuantum-dari-fizik-ke-metafizik/

 “Tafsiran-tafsiran yang Wujud untuk Memahami Alam Kuantum”, oleh Taza Aznam. https://www.majalahsains.com/tafsiran-alam-kuantum/

Dalam artikel “Tafsiran-tafsiran yang wujud untuk memahami alam kuantum”, penulis Taza Aznam menerangkan bahawa terdapat beberapa tafsiran atau interpretasi, sebagaimana satu cubaan, oleh ahli-ahli fizik, bagi cuba merungkai erti fizikal yang terbit dari eksperimen-eksperimen dalam Fizik Kuantum.

Eksperimen Dua Celah dan Belauan.

Antara eksperimen mudah untuk memberi gambaran betapa rumit dan kompleksnya Fizik Kuantum, jika dinisbahkan kepada fizik biasa (atau disebut Fizik Klasikal), adalah eksperimen belauan.

Belauan, menurut pemahaman fizik klasikal, merupakan salah satu ciri khusus bagi gelombang. Sebagai contoh, sekiranya kita mempunyai suatu sumber cahaya (gelombang cahaya), dan cahaya tersebut melalui dua celah, gelombang cahaya tersebut akan menghasilkan corak belauan.

Kaitan antara corak belauan dan gelombang cahaya ini adalah antara hujah Thomas Young pada tahun 1803, di mana Young menyatakan bahawa cahaya itu sifatnya adalah gelombang, berlawanan dengan idea Newton pada masa tersebut, bahawa cahaya itu sifatnya adalah dalam bentuk zarah.

Figure 1: Gambar lukisan Thomas Young yang menunjukkan belauan berlaku apabila satu gelombang melalui dua belahan. Sumber: wiki
Figure 2: Gambar sebenar eksperimen belauan gelombang. Eksperimen ini diberi nama bersempena dengan nama Thomas Young, iaitu Young’s Double Slit Experiment. Sumber: simplyscience.
Figure 3: Corak interferens yang akan muncul sekiranya kita letakkan satu tabir di bahagian hujung eksperimen kita. Sumber: Schmoop.

Maka, pada awal abad ke 19 lagi, saintis telah bersetuju bahawa gelombang akan menghasilkan belauan, dan belauan merupakan ciri khusus untuk mengenalpasti suatu gelombang.

Namun satu perkara yang perlu kita ingat adalah, “belauan merupakan ciri khusus untuk mengenalpasti gelombang” ini hanya terpakai untuk situasi fizik klasikal sahaja. Hal ini kerana, dalam kertas kajian Albert Einstein pada tahun 1905, “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt” (On a Heuristic Point of View about the Creation and Conversion of Light), Einstein telah mengambil pandangan radikal Max Planck bahawa tenaga adalah terkuanta (energy is quantized), dan cahaya merupakan satu bentuk tenaga, maka cahaya juga seharusnya terdiri dari entiti kuanta (yang kini dikenali sebagai foton).

Figure 4: Untuk menerangkan fenomena fotoelektrik, Einstein menganggap bahawa cahaya itu terdiri daripada kuanta yang dipanggil foton. Foton kini dianggap sebagai partikel cahaya. Sumber: wiki

Hal ini (idea berkenaan foton) adalah ganjil, kerana menurut fizik klasikal, sekiranya cahaya terdiri dari zarah foton atau cahaya yang terkuanta, maka fenomena belauan (dari eksperimen klasik tadi) tidak sepatutnya terjadi. Maka, mengambil langkah berhati-hati, Einstein menyatakan bahawa cahaya MUNGKIN memiliki sifat gelombang, dan pada masa yang sama, memiliki sifat partikel. Hal ini dikenali sebagai Sifat Dualiti Gelombang-Zarah (wave-particle duality).

Memandangkan Einstein memberikan idea yang agak radikal berkenaan sifat duality tersebut, seorang lagi saintis pada zaman tersebut, de Broglie kemudiannya membuat sedikit kelainan terhadap hipothesis Einstein itu. Sekiranya cahaya yang merupakan gelombang, mampu memiliki ciri-ciri zarah, bagaimana pula dengan zarah seperti elektron? Bolehkah zarah elektron memiliki sifat gelombang?

Berpaksikan kepada idea de Broglie, Clinton Davisson dan Lester Germer kemudiannya menyiapkan eksperimen bagi mencuba idea zarah elektron mempunyai sifat gelombang. Eksperimen apa yang mereka gunapakai untuk melihat sifat gelombang bagi zarah tadi? Tak lain tak bukan, eksperimen Thomas Young.

Kini dikenali dengan nama eksperimen Davisson-Germer, secara mudahnya, zarah elektron akan ditembak satu-persatu untuk melalui dua belahan, sama seperti kes gelombang cahaya kita tadi. Menurut teori fizik klasikal, sekiranya zarah melalui dua belahan tadi, zarah tersebut pastinya akan memilih satu daripada dua belahan tersebut, dan akan melalui belahan tersebut seperti biasa, sama seperti bola boling melalui lorongnya dalam keadaan lurus. Namun, sesuatu yang menarik berlaku.

Figure 5: Pada asalnya,apabila elektron ditembak satu-persatu, tiada apa-apa sifat menarik dapat diperhatikan. Namun begitu, dengan bertambahnya bilangan elektron yang ditembak, suatu corak menarik terhasil. Corak interferens! Sumber: wiki

Apabila saintis mula menyedari bahawa zarah memiliki sifat gelombang (berdasarkan eksperimen Davisson-Germer), maka keadaan mula menjadi bertambah gila. Ahli fizik teori mula berlumba-lumba untuk membina matematik bagi menerangkan situasi “gelombang elektron” ini, dan antara yang terawal adalah Erwin Schroedinger dan Werner Heisenberg. Sehingga ke hari ini juga, eksperimen dua celah ini menjadi subjek tumpuan utama kajian dalam bidang asas pembentukan teori fizik kuantum (Fundamental of Quantum Theory).

P/s: Untuk maklumat lebih lanjut berkenaan Fizik Kuantum, boleh rujuk “Pengenalan Fizik Kuantum”.

Figure 6:Sedikit jenaka mengenai sifat cahaya yang ganjil. Sumber: fb majalahsains

RUJUKAN:

Davisson, C. J.; Germer, L. H. (1928). “Reflection of Electrons by a Crystal of Nickel”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 14 (4): 317–322.

Einstein, Albert (1905). “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt” (PDF). Annalen der Physik. 17 (6): 132–148. doi:10.1002/andp.19053220607. English translations: “On a Heuristic Point of View about the Creation and Conversion of Light“. Translated by Dirk ter Haar

Robinson, Andrew (2006). The Last Man Who Knew Everything. New York, NY: Pi Press. pp. 123–124. ISBN 978-0-13-134304-7.

Komen yang ditutup, tetapi jejak balik dan ping balik terbuka.