Fizik Kuantum Untuk Pemula

0
567
views

Sekiranya anda adalah pelajar sains jurusan fizik, anda pastinya pernah ‘berkenalan’ dengan fizik kuantum. Fizik kuantum ini meliputi fizik pada skala yang amat kecil, di mana saiznya sering dikaitkan dengan saiz atum dan sub-partikel, seperti elektron, neutron dan proton.

Sekiranya anda bukan pelajar jurusan sains, anda juga pastinya pernah mendengar terma-terma seperti ‘kuantum’ di dalam filem-filem fiksyen sains, seperti baru-baru ini, dalam filem Ant-Man and The Wasp. Bahkan terminologi pelbagai-dunia (many-world interpretation) dan multimesta (multiverse) juga terhasil daripada fizik kuantum sendiri.

Maka dalam penulisan kali ini, penulis akan cuba menjelaskan beberapa perkara yang perlu kita ketahui sebagai asas, seandainya kita ingin cuba memahami apa itu mekanik kuantum / fizik kuantum.

Rajah 1: Sekiranya kita mengambil bola tenis sebagai contoh objek yang besar, fizik kuantum ini merangkumi objek yang lebih kecil dengan skala 109 lebih kecil berbanding bola tenis!

1. Fizik Kuantum adalah deskripsi fizik untuk benda yang kecil.

Apabila bercakap mengenai skala, skala sering kita rujuk kepada saiz – kita ada benda yang berskala besar, seperti planet, galaksi, dan kita ada benda yang berskala sederhana, seperti saiz manusia itu sendiri, dan kita ada objek yang berskala kecil, seperti kuman dan zarah. Maka, fizik kuantum ini sebenarnya membicarakan berkenaan objek yang lebih halus dari kuman. Apa contoh objek yang lebih halus dari kuman? Kita ada elektron, quark dan partikel-partikel yang lain.

2. Semua objek adalah partikel, dan ia juga adalah gelombang.

Salah satu aspek paling ganjil dalam fizik kuantum adalah bentuk keadaan sesuatu objek. Partikel, kita boleh nisbahkan kepada keadaan di mana sesuatu objek itu berkeadaan fizikal, boleh dipegang, dan mengisi ruang. Sebagai contoh, bola. Bola memenuhi ruang, ia memiliki jisim, berat dan segala aspek fizikal yang dimiliki oleh partikel.

Selain partikel, kita juga ada gelombang. Katakan kita ada sebatang besi, bila kita ketuk satu hujung besi tersebut, gelombang dari hujung besi tu akan bergerak, sehinggalah sampai ke hujung satu lagi. Itu merupakan contoh gelombang yang mudah.

Namun begitu, dalam dunia kuantum, terma gelombang dan partikel menjadi bercelaru. Elektron yang pada asalnya saintis sangkakan adalah partikel, ternyata mempunyai ciri-ciri gelombang, dan gelombang cahaya yang kita sangka adalah sebenar-benar gelombang, ternyata mempunyai ciri-ciri partikel. Hal ini, yang saintis panggil sebagai sifat kedualan zarah-gelombang, dan telah menjadikan Albert Einstein (Eksperimen Fotoeletrik) dan Louis de-Broglie (Gelombang Jirim) pemenang hadiah Nobel atas aplikasi konsep kedualan zarah ini.

Konklusinya, kau sebagai manusia, merupakan partikel (sebab kau memenuhi ruang dan kau mempunyai berat), dan kau juga adalah gelombang, cuma kau tak rasa sebab gelombang kau adalah teramat kecil nilainya.

3. Kita ada gambaran matematik untuk Fizik Kuantum, namun kita tiada realiti fizikal untuk fizik Kuantum.

Sewaktu fizik kuantum pertama kali ditemui, Max Planck pada waktu tersebut membuat hipotesis mengenai tenaga berdasarkan rumus yang dia dapat dari permasalahan tenaga haba dan jasad hitam. Masalahnya, dia sendiri tak tahu bagaimana rumus tersebut boleh terhasil. Apa yang dia tahu adalah rumus tersebut terpakai (applicable), dan hasil dari rumus yang dia dapat itu (out of desperation), dia membuat hipotesis (Planck Hypothesis) bahawa tenaga adalah terdiri dalam bentuk kuanta.

Kebanyakan kemajuan yang dibuat dalam bidang teori fizik kuantum oleh tokoh-tokoh kuantum, seperti Erwin Schroedinger, John Bell dan Von Neumann juga bersifat matematik, dengan contoh Persamaan Schroedinger yang merupakan Second Order Differential Equation yang membayangkan perubahan bagi fungsi gelombang, Psi. (Persamaan Second Order Differential Equation ni susah gila nak selesaikan!)

Oleh sebab fizik kuantum ini dipenuhi dengan deskripsi matematik, maka ramai ahli sains yang pada awalnya menolak fizik kuantum, dengan salah seorang tokoh utamanya adalah Albert Einstein.

Waqaf Saham

4. Apa itu Fungsi Gelombang, Psi, ψ?

Jadi kita ada partikel, tapi partikel ini mempunyai sifat gelombang. Untuk memberi definasi matematik terhadap sifat gelombang bagi partikel ini, Schroedinger telah memperkenalkan apa yang dipanggil sebagai fungsi gelombang (wave function). Sekiranya kita lebih mendalami fizik kuantum, kita akan dapati bahawa keruntuhan fungsi gelombang (wavefunction collapse) merupakan sumber kepada realiti, sepertimana yang dicanangkan oleh puak-puak yang menggunapakai Interpretasi Kopenhagen.

Masalah keruntuhan fungsi gelombang ini menjadi salah satu satu soalan besar dalam fizik: bagaimana realiti mampu terhasil daripada sistem kuantum?

Sepertimana yang kita ketahui, manusia merupakan satu-satunya makhluk yang mampu menggunapakai akal (jika dibandingkan dengan haiwan dan tumbuhan), dan apabila kita semak semula, manusia itu sendiri terdiri dari rantaian DNA. DNA tersebut, sekiranya dipecahkan lagi, kita akan dapati bahawa DNA adalah terhasil daripada bahan-bahan kimia, seperti nucleotides, dan nucleotide itu sendiri terhasil dari molekul seperti oksigen dan hidrogen. Molekul ini pula, seperti yang kita ketahui, termaktub dalam kewujudan fizik fizik kuantum, maka suka atau tidak, realiti paling asas bagi manusia itu sendiri sebenarnya terhasil akibat dari tindak-tanduk dari alam kuantum.

Cuma persoalan besarnya adalah: Bagaimana?

5. Fizik Kuantum adalah Kebarangkalian.

Salah satu ciri utama fizik kuantum yang menyebabkan ia tak begitu diterima oleh saintis pada awalnya adalah kerana ia bersifat kebarangkalian (probabilitic) dan adalah mustahil untuk kita menjangkakan hasil daripada pemerhatian kita dalam sistem kuantum.

Sebagaimana yang diberitahu tadi, kita ada fungsi gelombang yang merupakan mathematical representation bagi sifat gelombang untuk partikel. Menurut hukum Born pula, apabila kita mengambil nilai psi kuasa dua, ψ2, (definasi secara longgar), kita akan mendapat nilai kebarangkalian bagi nilai yang ingin kita cari. Persoalan kebarangkalian dan penentangan idea ini oleh Einstein telah penulis jelaskan dalam salah satu artikel yang lepas.

Disebabkan konsep fizik kuantum adalah dalam bentuk kebarangkalian, maka kesemua kebarangkalian (menurut fizik kuantum) adalah berkemungkinan untuk wujud. Hal inilah apa yang menghasilkan interpretasi pelbagai dunia dalam fizik kuantum, di mana semua kebarangkalian yang mampu wujud, akan wujud di dalam dunianya yang tersendiri.

Sebagai contoh, katakan anda ada dinding di hadapan anda. Menurut penafsiran logik, anda tidak akan mampu menembusi dinding di hadapan anda. Kenapa? Kerana secara fizikalnya memang begitu. Tidak pernah lagi orang mampu berjalan menembusi dinding, melainkan orang tersebut mempunyai karamah-karamah tertentu.

Namun begitu, apabila kita bercakap mengenai kebarangkalian, maka menurut fizik kuantum, kita adalah mungkin mampu menembusi dinding, dan mungkin tidak mampu. Untuk menjadi lebih spesifik, situasi di mana anda mampu melepasi halangan seperti dinding seringkali berlaku dalam fizik kuantum untuk objek-objek kecil, yang dikenali sebagai ‘Quantum Tunelling’.

Rajah 2: Salah satu soalan yang belum mampu dijawab adalah perkaitan antara mekanik kuantum dan realiti.

6. Aneh, bukan magis.

Sebagaimana yang diterangkan di atas, perkara aneh mampu berlaku apabila kita melihat realiti sebagai kebarangkalian. Namun begitu, kesemua keanehan tersebut adalah bertitik tolak daripada matematik yang kita cipta untuk menafsirkan realiti itu sendiri. Justeru, menurut pandangan peribadi penulis, matematik sahaja sebenarnya belum cukup mampu untuk memberi deskripsi penuh terhadap realiti yang cuba ditonjolkan oleh alam.

Sebaliknya, matematik merupakan senjata terutama yang kita ada dalam cubaan kita untuk memberi makna fizikal kepada alam yang teramat kecil.

Rujukan –

‘List of unsolved problems in physics’ retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_physics

‘Six Things Everyone Should Know About Quantum Physics’ retrieved from http://sciencetechworld.com/six-things-everyone-know-quantum-physics/

‘4 Common Misconceptions about Quantum Physics’ retrieved from https://www.theepochtimes.com/4-common-misconceptions-about-quantum-physics_1410931.html