Oleh: Muhammad Eilham
Makalah disunting oleh barisan editor FizikKini.Com
Fizik kuantum lazim dianggap sebagai satu cabang ilmu fizik yang agak aneh.
Menurut Neils Bohr, salah seorang pengasas utama fizik kuantum, sesiapa yang pertama kali mengetahui fizik kuantum namun tidak terperanjat dengan keanehan teori ini, orang itu sebenarnya belum memahami lagi apa itu fizik kuantum. Keanehan dalam fizik kuantum ini juga menyebabkan beberapa perbalahan kecil terjadi di antara Neils Bohr dan Albert Einstein, sehingga Einstein sendiri mengaku kalah dan mengakui bahawa disebalik semua keanehan yang wujud dalam fizik kuantum, ianya adalah satu teori saintifik yang berjaya dan amat mengkagumkan.
Salah satu aspek keanehan utama fizik kuantum pastinya adalah dari aspek kedualan zarah-gelombang. Aspek kedualan ini pertama kali diusulkan oleh Max Planck untuk menjelaskan fenomena sinaran jasad hitam. Ia kemudiannya digunapakai oleh Einstein untuk menjelaskan satu lagi fenomena yang tidak mampu dijelaskan dalam fizik klasik, iaitu fenomena kesan fotoelektrik. Menurut fizik klasik, cahaya dianggap sebagai gelombang, dan tenaga gelombang tersebut berkadaran terus dengan keamatan cahaya tersebut (iaitu lebih tinggi keamatan, lebih banyak tenaga).
Dalam eksperimen kesan fotoelektrik, cahaya dipancarkan ke atas permukaan sesuatu bahan akan mengakibatkan elektron pada permukaan bahan tersebut untuk terpancar keluar. Dalam usaha untuk menerangkan fenomena ini, fizik klasik meramalkan bahawa sekiranya keamatan cahaya yang dipancarkan kepada objek itu bertambah tinggi, maka lebih banyak elektron yang akan terpancar keluar dari permukaan bahan tersebut. Namun, ramalan fizik klasik itu ternyata tidak benar. Bagi menerangkan hal ini, Einstein telah meminjam hipotesis Planck bahawa tenaga wujud dalam bentuk terkuantum (diskret). Tenaga terkuantum ini terhasil daripada hubungan Planck-Einstein, iaitu tenaga yang terhasil adalah bersamaan dengan hasil darab pemalar Planck dengan frekuensi cahaya. Einstein menyatakan bahawa cahaya wujud dalam dua bentuk: ia bersifat seperti gelombang, namun dalam beberapa keadaan, ia bersifat seperti zarah atau tenaga yang terkuantum.
Revolusi pemikiran tentang sifat tabii bahan, iaitu daripada anggapan bahawa satu bahan hanya satu sifat kepada anggapan baharu bahawa bahan boleh mempunyai dua sifat yang berbeza ini kemudiannya telah menarik minat Louis-Victor de Broglie. Bahkan, de Broglie menjadikan idea kedualan yang dibahaskan oleh Einstein ini sebagai tajuk utama tesis PhD beliau, dengan harapan seseorang dapat menjawab persoalan berikut:
“Sekiranya cahaya yang merupakan satu bentuk gelombang mampu menunjukkan sifat zarah, adakah mungkin zarah mampu menunjukkan sifat gelombang?”
Soalan de Broglie tersebut kemudiannya menarik minat ahli fizik ujikaji pada zaman beliau, dan akhirnya dijawab oleh Clinton Davisson dan Lester Germer. Dalam usaha mereka untuk menunjukkan membuktikan bahawa zarah mempunyai sifat gelombang, Davisson dan Germer telah menggunapakai eksperimen terkenal untuk mengkaji sifat gelombang, iaitu eksperimen dwi-celah (double slit experiment). Dalam eksperimen ini, sekiranya satu gelombang dialurkan pada satu dwi-celah, kesan belauan (diffraction pattern) akan terpapar pada skrin untuk menunjukkan bahawa wujudnya fenomena superposisi antara dua gelombang yang terhasil daripada dwi-celah itu tadi (lihat gambar 1).
Gambar 1: Fenomena belauan untuk gelombang. Common License: Wikipedia
Gambar 2: Gambar kesan interferens pada skrin. Copyright: TSGMIT
Dalam eksperimen Davisson-Germer pada tahun 1927, mereka telah bereksperimen menggunakan zarah elektron berkelajuan rendah (slow moving electron) dan nikel berhablur (crystalline nickel). Dalam kes ini, zarah elektron diambil sebagai satu entiti bersifat gelombang (secara hipotesisnya), manakala ruang di antara atom-atom nikel berhablur diambil sebagai dwi-celah. Daripada eksperimen ini, Davisson dan Germer telah membuktika zarah elektron menunjukkan sifat seperti gelombang. Atas kejayaan mereka ini, mereka telah dianugerahkan Hadiah Nobel Fizik pada tahun 1937.
Meskipun eksperimen Davisson-Germer kelihatan seperti eksperimen lazim, ianya telah membuka ruang perbahasan mengenai sifat sebenar alam tabii. Bagaimana elektron yang dilepaskan secara satu-persatu mampu berinteraksi dengan dirinya sendiri, bersuperposisi dan akhirnya menghasilkan corak interferens? Soalan ini mencetuskan perbahasan panjang lebar, dan pelbagai teori baharu pula muncul. Namun sehingga ke hari ini, ahli sains masih belum mencapai kesepakatan dalam menerangkan fenomena belauan bagi zarah, sehinggakan Richard Feynman sendiri mengatakan bahawa superposisi ini adalah tiang seri kepada fizik kuantum dalam salah satu kuliah beliau.
Baru-baru ini, saintis dari Universiti Vienna telah bekerjasama dengan Universiti Basel dalam mengulang-semula eksperimen Davisson-Germer. Apakah perbezaan eksperimen mereka dengan eksperimen Davisson-Germer? Bezanya adalah Davisson dan Germer menggunapakai elektron tunggal bagi melihat kesan gelombang elektron, manakala saintis dari Vienna pula menggunapakai sejumlah 2000 atom! Eksperimen ini bakal diterbitkan dalam jurnal Nature Physics yang akan menjadi penanda aras baru dalam bidang fizik kuantum sendiri. Hal ini kerana antara perkara baharu yang diterokai dalam eksperimen ini adalah had alam kuantum itu sendiri serta keabsahan teori-teori yang telahpun dicipta untuk menerangkan eksperimen asal Davisson-Germer. Seorang saintis, Markus Arndt, serta ahli kumpulan penyelidik beliau dari Universiti Vienna telahpun menguji dengan menggunakan atom-atom berskala besar, antaranya molekul C707H260F908N16S53Zn4 yang terdiri dari 40 000 proton, neutron dan elektron yang mempunyai gelombang de Broglie yang amat kecil.
Antara perkara yang membezakan antara fizik kuantum dan fizik klasik adalah aspek skala (atau saiz). Kebanyakan keanehan yang sering diperkatakan mengenai fizik kuantum sebenarnya terhasil pada skala yang amat kecil, iaitu pada skala atom atau skala nanometer. Sistem-sistem kuantum (sebagai contoh eksperimen Davisson-Germer tadi) hanya akan menunjukkan sifat-sifat kuantum mereka apabila sistem tersebut berada dalam keadaan koherens. Apabila berlakunya interaksi di antara sistem mikro tersebut dengan persekitaran yang lebih makro, maka akan terjadi fenomena yang dipanggil nyahkoherens (decoherence). Nyahkoherens merupakan satu bentuk had yang membelenggu dunia Pengkomputeran Kuantum (Quantum Computing) kerana gangguan dari sistem luar akan mengganggu Bit Kuantum (Quantum bits) dalam komputer kuantum itu sendiri. Eksperimen terbaharu ini dilihat akan menjadi salah satu titik mula bagi kalangan saintis lain untuk mula meletakkan garisan pemisah antara fizik klasik dan fizik kuantum, serta bagaimana peralihan dari skala kuantum kepada skala klasik mampu berlaku.
Sumber asal – phys.org
