Fisika kuantum: apa yang sebenarnya nyata?

Menurut Owen Maruni, seorang ahli fisika di Universitas Oxford, sejak munculnya teori kuantum pada tahun 1900-an, semua orang telah berbicara tentang keanehan teori ini. Bagaimana itu memungkinkan partikel dan atom bergerak dalam beberapa arah secara bersamaan, atau secara simultan memutar searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam. Tetapi Anda tidak dapat membuktikan apa pun dengan kata-kata. "Jika kita memberi tahu publik bahwa teori kuantum sangat aneh, kita perlu memverifikasi pernyataan ini secara eksperimental," kata Maruni. "Kalau tidak, kita tidak melakukan sains, tetapi berbicara tentang semua jenis coretan di papan tulis."

Inilah yang menyebabkan rekan Maruni mengembangkan serangkaian percobaan baru untuk mengungkap esensi fungsi gelombang - esensi misterius yang mendasari keanehan kuantum. Di atas kertas, fungsi gelombang hanyalah objek matematika, dilambangkan dengan huruf psi (Ψ) (salah satu coretan yang sama), dan digunakan untuk menggambarkan perilaku kuantum partikel. Bergantung pada eksperimen, fungsi gelombang memungkinkan para ilmuwan untuk menghitung probabilitas mengamati elektron di tempat tertentu, atau kemungkinan putarannya berorientasi ke atas atau ke bawah. Tetapi matematika tidak mengatakan apa fungsi gelombang sebenarnya. Apakah ini sesuatu yang fisik? Atau hanya alat komputasi yang memungkinkan Anda untuk bekerja dengan pengamat ketidaktahuan tentang dunia nyata?

Tes yang digunakan untuk menjawab pertanyaan sangat halus, dan mereka masih harus memberikan jawaban yang pasti. Tetapi para peneliti optimis bahwa penghentian itu sudah dekat. Dan akhirnya, mereka akan dapat menjawab pertanyaan-pertanyaan yang telah menjangkiti semua dekade. Dapatkah sebuah partikel benar-benar berada di banyak tempat pada saat yang bersamaan? Apakah alam semesta secara konstan dibagi menjadi dunia paralel, di mana masing-masing versi alternatif kita ada? Adakah yang disebut realitas objektif?

"Pertanyaan seperti itu cepat atau lambat datang kepada siapa pun," kata Alessandro Fedricci, seorang ahli fisika di University of Queensland (Australia). "Apa yang sebenarnya nyata?"

Perdebatan tentang esensi realitas dimulai bahkan ketika fisikawan menemukan bahwa gelombang dan partikel hanya dua sisi dari mata uang yang sama. Contoh klasik adalah percobaan dengan dua slot, di mana elektron individu menembak pada penghalang dengan dua slot: elektron berperilaku seolah-olah melewati dua celah pada saat yang sama, menciptakan pola interferensi bergaris dari sisi lainnya. Pada tahun 1926, fisikawan Austria Erwin Schrödinger menemukan fungsi gelombang untuk menggambarkan perilaku ini dan menghasilkan persamaan yang memungkinkan untuk menghitungnya untuk situasi apa pun. Tetapi baik dia maupun orang lain tidak bisa mengatakan apa pun tentang sifat dari fungsi ini.

Rahmat karena ketidaktahuan

Dari sudut pandang praktis, sifatnya tidak penting. Penafsiran teori kuantum Kopenhagen, dibuat pada 1920-an oleh Niels Bohr dan Werner Heisenberg, menggunakan fungsi gelombang hanya sebagai alat untuk memprediksi hasil pengamatan, memungkinkan Anda untuk tidak memikirkan apa yang terjadi dalam kenyataan. "Anda tidak dapat menyalahkan fisikawan untuk model perilaku seperti itu, tutup mulut dan berhitung, karena telah menyebabkan terobosan signifikan dalam fisika nuklir dan atom, fisika keadaan padat, dan fisika partikel elementer," kata Gene Brickmont, spesialis fisika statistik di Universitas Katolik Belgia. "Karena itu, orang disarankan untuk tidak khawatir tentang masalah mendasar."

Namun ada juga yang masih khawatir. Pada 1930-an, Einstein menolak interpretasi Kopenhagen, paling tidak karena memungkinkan dua partikel untuk membingungkan fungsi gelombang mereka, yang menyebabkan situasi di mana pengukuran salah satu dari mereka langsung dapat memberikan keadaan yang lain, bahkan jika mereka dipisahkan oleh besar jarak. Agar tidak tahan dengan "interaksi yang menakutkan di kejauhan", Einstein lebih suka percaya bahwa fungsi gelombang dari partikel tidak lengkap. Dia mengatakan bahwa ada kemungkinan bahwa partikel memiliki beberapa variabel tersembunyi yang menentukan hasil pengukuran, yang tidak diperhatikan oleh teori kuantum.

Eksperimen telah menunjukkan kinerja interaksi yang menakutkan di kejauhan, yang menolak konsep variabel tersembunyi. tetapi ini tidak menghentikan fisikawan lain untuk menafsirkannya dengan cara mereka sendiri. Interpretasi ini dibagi menjadi dua kubu. Beberapa setuju dengan Einstein bahwa fungsi gelombang mencerminkan ketidaktahuan kita. Inilah yang disebut oleh para filsuf sebagai model psi-epistemik. Dan yang lain melihat fungsi gelombang sebagai hal yang nyata - model psi-ontic.

Untuk memahami perbedaannya, bayangkan eksperimen mental Schrodinger yang dijelaskan pada tahun 1935 dalam sebuah surat kepada Einstein. Kucing itu ada di dalam kotak baja. Kotak tersebut berisi sampel bahan radioaktif, yang memiliki peluang 50% untuk mengeluarkan produk peluruhan dalam satu jam, dan peralatan yang meracuni kucing jika produk ini terdeteksi. Karena peluruhan radioaktif adalah peristiwa tingkat kuantum, Schrödinger menulis, aturan teori kuantum mengatakan bahwa pada akhir jam fungsi gelombang bagian dalam kotak harus menjadi campuran kucing yang mati dan kucing yang hidup.

"Secara kasar," kata Fedricci dengan lembut, "dalam model psi-epistemik, kucing di dalam kotak itu hidup atau mati, dan kami tidak tahu ini karena kotak itu tertutup." Dan dalam sebagian besar model psi-ontik ada kesepakatan dengan interpretasi Kopenhagen: sampai pengamat membuka kotak, kucing akan hidup dan mati.

Tapi di sini argumen terhenti. Manakah dari interpretasi yang benar? Pertanyaan ini sulit dijawab secara eksperimental, karena perbedaan antara model sangat halus. Intinya, mereka harus memprediksi fenomena kuantum yang sama dengan interpretasi Kopenhagen yang sangat sukses. Andrew White, seorang ahli fisika di University of Queensland, mengatakan bahwa selama 20 tahun berkarir di bidang teknologi kuantum, "tugas ini seperti gunung halus yang besar tanpa tepian, yang tidak dapat didekati."

Semuanya berubah pada tahun 2011, dengan publikasi teorema tentang pengukuran kuantum, yang tampaknya telah menghilangkan pendekatan "fungsi gelombang sebagai ketidaktahuan". Tetapi setelah diteliti lebih dekat, ternyata teorema ini memberikan ruang yang cukup untuk manuver mereka. Namun, itu mengilhami fisikawan untuk secara serius memikirkan cara-cara menyelesaikan perselisihan dengan menguji realitas fungsi gelombang. Maruni telah mengembangkan eksperimen, yang pada prinsipnya bisa diterapkan, dan ia dan rekan-rekannya segera menemukan cara untuk membuatnya bekerja dalam praktik. Percobaan ini dilakukan tahun lalu oleh Fedricci, White dan lainnya.

Untuk memahami ide ujian, bayangkan dua setumpuk kartu. Dalam satu hanya ada yang merah, yang lain hanya kartu As. "Mereka memberi Anda kartu dan meminta Anda menentukan dari mana kartu itu berasal," kata Martin Ringbauer, seorang ahli fisika dari universitas yang sama. Jika ini adalah kartu merah, "persimpangan terjadi, dan Anda tidak bisa mengatakannya dengan pasti." Tetapi jika Anda tahu berapa banyak kartu di setiap kartu, Anda dapat menghitung seberapa sering situasi ambigu ini akan terjadi.

Fisika berada dalam bahaya

Ambiguitas yang sama terjadi dalam sistem kuantum. Tidak selalu mungkin untuk mengetahui dengan satu pengukuran, misalnya, bagaimana foton terpolarisasi. "Dalam kehidupan nyata, mudah untuk membedakan barat dari arah di selatan barat, tetapi dalam sistem kuantum tidaklah sesederhana itu," kata White. Menurut interpretasi standar Copenhagen, tidak masuk akal untuk bertanya tentang polarisasi, karena pertanyaan tidak memiliki jawaban - sampai pengukuran lain menentukan jawaban dengan tepat. Tetapi menurut model "fungsi gelombang sebagai ketidaktahuan", pertanyaannya masuk akal - hanya saja eksperimennya, serta eksperimen dengan tumpukan kartu, tidak memiliki informasi. Seperti halnya kartu, dimungkinkan untuk memprediksi berapa banyak situasi ambigu yang dapat dijelaskan oleh ketidaktahuan tersebut, dan dibandingkan dengan sejumlah besar situasi ambigu yang diizinkan oleh teori standar.

Inilah yang diperiksa oleh Fedricci dengan tim. Kelompok ini mengukur polarisasi dan sifat-sifat lain dalam berkas foton, dan menemukan tingkat persimpangan, yang tidak dapat dijelaskan oleh model "ketidaktahuan." Hasilnya mendukung teori alternatif - jika realitas objektif ada, maka ada fungsi gelombang. "Sangat mengesankan bahwa tim mampu menyelesaikan tugas yang sulit dengan eksperimen sederhana," kata Andrea Alberti, seorang ahli fisika di University of Bonn (Jerman).

Kesimpulannya belum diukir dalam granit: karena detektor hanya menangkap seperlima dari foton yang digunakan dalam pengujian, kita harus mengasumsikan bahwa foton yang hilang berperilaku dengan cara yang persis sama. Ini adalah asumsi yang kuat, dan sekarang kelompok ini bekerja untuk mengurangi kerugian dan menghasilkan hasil yang lebih spesifik. Pada saat ini, tim Maruni di Oxford bekerja sama dengan Universitas New South Wales (Australia) untuk mengulangi percobaan ini dengan ion yang lebih mudah dilacak. "Dalam enam bulan ke depan kami akan memiliki versi percobaan ini yang tidak dapat disangkal," kata Maruni.

Tetapi bahkan jika kesuksesan menunggu mereka dan model "fungsi gelombang sebagai kenyataan" menang, maka model ini memiliki opsi yang berbeda. Eksperimen harus memilih salah satunya.

Salah satu interpretasi paling awal dibuat pada 1920-an oleh orang Prancis Louis de Broglie, dan diperluas pada 1950-an oleh orang Amerika David Bohm. Menurut model Broglie-Bohm, partikel memiliki lokasi dan sifat tertentu, tetapi mereka digerakkan oleh "gelombang pilot" tertentu, yang didefinisikan sebagai fungsi gelombang. Ini menjelaskan percobaan dengan dua slot, karena gelombang pilot dapat melewati kedua slot dan memberikan gambar interferensi, meskipun elektron itu sendiri, tertarik olehnya, melewati hanya satu dari dua celah.

Pada 2005, model ini mendapat dukungan tak terduga. Fisikawan Emanuel Fort, yang sekarang bekerja di Langevin Institute di Paris, dan Yves Kodier dari University of Paris Didro meminta siswa tugas sederhana, dalam pendapat mereka: untuk melakukan percobaan di mana tetesan minyak yang jatuh pada baki akan bergabung karena getaran baki. Yang mengejutkan semua orang di sekitar tetesan, gelombang mulai terbentuk ketika baki bergetar pada frekuensi tertentu. "Tetes mulai bergerak secara independen di sepanjang ombak mereka sendiri," kata Fort. "Itu adalah objek ganda - partikel yang ditarik oleh gelombang."

Sejak itu, Fort dan Codier telah menunjukkan bahwa gelombang tersebut dapat melakukan partikel mereka dalam percobaan dengan dua celah persis seperti yang diprediksi oleh teori gelombang pilot, dan dapat mereproduksi efek kuantum lainnya. Tetapi ini tidak membuktikan keberadaan gelombang percontohan di dunia kuantum. "Kami diberitahu bahwa efek seperti itu tidak mungkin dalam fisika klasik," kata Fort. "Dan kemudian kami menunjukkan bahwa itu mungkin."

Seperangkat model lain yang didasarkan pada kenyataan, yang dikembangkan pada 1980-an, sedang mencoba menjelaskan perbedaan kuat dalam sifat-sifat antara benda besar dan kecil. "Mengapa elektron dan atom dapat berada di dua tempat pada saat yang bersamaan, dan meja, kursi, manusia, dan kucing tidak dapat," kata Angelo Basi, ahli fisika di Universitas Trieste (Italia). Dikenal sebagai "model runtuh," teori-teori ini mengatakan bahwa fungsi gelombang partikel individu adalah nyata, tetapi dapat kehilangan sifat kuantumnya dan membawa partikel ke posisi tertentu di ruang angkasa. Model-model tersebut dikonstruksi sedemikian sehingga kemungkinan keruntuhan seperti itu sangat kecil untuk partikel individu, sehingga efek-efek kuantum mendominasi pada tingkat atom. Tetapi probabilitas keruntuhan meningkat dengan cepat ketika partikel digabungkan, dan objek makroskopik benar-benar kehilangan sifat kuantumnya dan berperilaku sesuai dengan hukum fisika klasik.

Salah satu cara untuk memeriksa ini adalah dengan mencari efek kuantum pada objek besar. Jika teori kuantum standar benar, maka tidak ada batasan ukuran. Dan fisikawan telah melakukan percobaan dengan dua celah menggunakan molekul besar. Tetapi jika model runtuhnya benar, maka efek kuantum tidak akan terlihat jika massa tertentu terlampaui. Kelompok yang berbeda berencana untuk mencari massa ini menggunakan atom dingin, molekul, kelompok logam dan partikel nano. Mereka berharap dapat menemukan hasilnya dalam sepuluh tahun ke depan. “Apa yang keren dengan eksperimen ini adalah bahwa kami akan menguji teori kuantum dengan pengujian yang ketat di mana belum diuji,” kata Maruni.

Dunia paralel

Salah satu model "fungsi gelombang sebagai kenyataan" sudah dikenal dan dicintai oleh penulis fiksi ilmiah. Ini adalah interpretasi seluruh dunia yang dikembangkan pada 1950-an oleh Hugh Everett, yang saat itu menjadi mahasiswa di Universitas Princeton di New Jersey. Dalam model ini, fungsi gelombang sangat menentukan perkembangan realitas sehingga, dengan setiap pengukuran kuantum, Alam Semesta terbagi menjadi dunia paralel. Dengan kata lain, membuka kotak dengan kucing, kami melahirkan dua Semesta - satu dengan kucing mati, dan yang lainnya dengan yang hidup.

Sulit untuk memisahkan interpretasi ini dari teori kuantum standar, karena prediksi mereka bertepatan. Namun tahun lalu, Howard Wiseman dari University of Griffith di Brisbane dan rekannya mengusulkan model multivers yang dapat diperiksa. Tidak ada fungsi gelombang dalam modelnya - partikel mematuhi fisika klasik, hukum Newton. Dan efek aneh dari dunia kuantum muncul karena ada gaya tolak antara partikel dan klonnya di alam semesta paralel. "Kekuatan menjijikkan di antara mereka menghasilkan gelombang yang merambat di semua dunia paralel," kata Wiseman.

Menggunakan simulasi komputer di mana 41 alam semesta berinteraksi, mereka menunjukkan bahwa model secara kasar mereproduksi beberapa efek kuantum, termasuk lintasan partikel dalam percobaan dengan dua celah. Dengan peningkatan jumlah dunia, pola interferensi cenderung nyata. Karena prediksi teori bervariasi tergantung pada jumlah dunia, kata Wiseman, Anda dapat memeriksa apakah model multiverse benar - yaitu, bahwa tidak ada fungsi gelombang, dan kenyataan bekerja sesuai dengan hukum klasik.

Karena fungsi gelombang tidak diperlukan dalam model ini, itu akan tetap layak bahkan jika percobaan masa depan mengecualikan model dengan "ketidaktahuan". Selain itu, model lain akan bertahan, misalnya, interpretasi Kopenhagen, yang mengklaim bahwa tidak ada realitas objektif, tetapi hanya perhitungan.

Tapi kemudian, seperti kata White, pertanyaan ini akan menjadi objek studi. Dan meskipun belum ada yang tahu bagaimana melakukannya, "apa yang akan sangat menarik adalah mengembangkan tes yang memeriksa apakah kita memiliki realitas objektif".

Source: https://habr.com/ru/post/id388179/