Pada sebagian besar awal abad ke-20, mekanika kuantum adalah salah satu gagasan paling membingungkan dalam sains. Teori ini menantang pemikiran konvensional dan membuat fisikawan terhebat sekalipun kesulitan memahami implikasinya. Satu abad kemudian, teknologi ini menjadi fondasi teknologi yang memengaruhi kehidupan sehari-hari, termasuk laser, microchip, komunikasi aman, dan komputer kuantum yang sedang berkembang.
Dalam artikel perspektif baru yang diterbitkan di SainsMarlan Scully dari Texas A&M University merefleksikan evolusi mekanika kuantum yang luar biasa, dari teori abstrak tentang partikel kecil hingga kerangka kerja yang kuat yang membantu para peneliti mengatasi beberapa pertanyaan tersulit dalam sains.
“Mekanika kuantum dimulai sebagai cara untuk menjelaskan perilaku partikel kecil,” kata Scully, yang juga berafiliasi dengan Universitas Princeton. “Sekarang mereka menghasilkan inovasi yang tidak terbayangkan pada satu generasi yang lalu.”
Scully memainkan peran utama dalam memajukan lapangan. Dia adalah salah satu penulis buku teks berpengaruh Optik kuantumsumber daya yang telah melatih generasi fisikawan. Penelitiannya dalam spektroskopi laser koheren pada skala nano telah memungkinkan untuk mempelajari molekul dengan presisi skala atom. Dia juga telah mengembangkan konsep-konsep inovatif yang melibatkan mesin panas kuantum, yang menantang asumsi tradisional tentang efisiensi termodinamika dan suatu hari nanti dapat mengarah pada teknologi energi baru.
Dari kucing Schrödinger hingga teknologi kuantum
Salah satu ilustrasi mekanika kuantum yang paling terkenal berasal dari tahun 1935, ketika Erwin Schrödinger mengajukan paradoks kucingnya. Eksperimen pemikiran tersebut menunjukkan bahwa kucing bisa hidup dan mati sampai ia diamati. Schrödinger memperkenalkan gagasan tersebut untuk menekankan betapa anehnya teori kuantum.
Saat ini, konsep-konsep yang dulunya aneh ini jauh melampaui perdebatan filosofis.
“’Keanehan kuantum’ ini bukan lagi sekedar teka-teki filosofis,” kata Scully. “Ini adalah dasar dari komputasi kuantum, kriptografi kuantum, dan bahkan deteksi gelombang gravitasi.”
Fondasi mekanika kuantum dibangun oleh pionir seperti Schrödinger dan Werner Heisenberg. Mereka mengembangkan dua pendekatan matematika yang berbeda, mekanika gelombang dan mekanika matriks, untuk menggambarkan sistem kuantum. Seiring waktu, pendekatan-pendekatan ini bersatu dan berkontribusi pada pengembangan teori medan kuantum, yang menjelaskan bagaimana partikel berinteraksi melalui gaya elektromagnetik dan nuklir.
Pekerjaan mereka bergantung pada model atom pertama Niels Bohr, yang menggambarkan elektron mengorbit inti atom, seperti planet yang mengorbit matahari. Meskipun penemuan selanjutnya menyempurnakan gambaran ini, model Bohr membantu membuka jalan bagi teori kuantum modern.
Koherensi kuantum dan kebangkitan laser
Koherensi kuantum adalah salah satu konsep terpenting dalam mekanika kuantum. Fenomena ini memungkinkan partikel seperti atom dan foton tetap terikat dalam keadaan terkoordinasi, bahkan dalam jarak yang jauh.
Koherensi kuantum mengarah langsung pada pengembangan laser, sebuah teknologi yang dulunya banyak orang mengira tidak akan pernah berhasil. Saat ini, laser digunakan di seluruh masyarakat modern, mulai dari pemindai kode batang supermarket hingga prosedur koreksi penglihatan dan instrumen ilmiah canggih.
Koherensi juga terkait erat dengan keterjeratan kuantum, sebuah fenomena yang mendorong Albert Einstein untuk menggambarkannya sebagai “aksi seram dari jarak jauh.”
Keterikatan memungkinkan partikel untuk berbagi informasi melalui sifat kuantum yang unik. Efek ini menjadi dasar sistem enkripsi kuantum dan meningkatkan sensitivitas instrumen canggih seperti Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), yang mendeteksi riak kecil dalam ruang-waktu.
Mesin panas kuantum menantang batasan klasik
Salah satu penerapan fisika kuantum yang paling mengejutkan adalah mengenai mesin panas kuantum.
Mesin tradisional dibatasi oleh batas Carnot, yang menentukan efisiensi maksimum yang diperbolehkan oleh termodinamika klasik. Para peneliti telah menemukan bahwa dengan memanfaatkan koherensi kuantum, dimungkinkan untuk menciptakan motor yang melampaui batas-batas klasik ini.
“Ini adalah contoh mencolok bagaimana prinsip kuantum dapat menulis ulang aturan fisika klasik,” kata Scully.
Biologi kuantum, gravitasi dan turbulensi
Pengaruh mekanika kuantum kini melampaui fisika.
Dalam biologi, teknik seperti spektroskopi Raman yang koheren memungkinkan peneliti memeriksa virus dan struktur lain pada skala nano, sehingga memberikan wawasan berharga tentang dunia mikroskopis.
Ide-ide kuantum juga membentuk upaya untuk memahami alam semesta itu sendiri. Para ilmuwan yang mengerjakan konsep-konsep seperti teori string dan gravitasi kuantum mencoba menyelaraskan mekanika kuantum dengan teori relativitas Einstein, salah satu masalah terbesar yang belum terpecahkan dalam fisika modern.
Para peneliti bahkan menerapkan konsep kuantum pada tantangan lama dalam memahami turbulensi. Pergerakan udara dan cairan yang kacau mempengaruhi cuaca, sistem iklim, dan kinerja pesawat. Dengan mempelajari helium superfluida, suatu zat yang menunjukkan perilaku kuantum yang tidak biasa, para ilmuwan menemukan pola yang dapat meningkatkan pemodelan iklim, prakiraan badai, dan keselamatan penerbangan.
Penemuan kuantum abad berikutnya
Meskipun sukses selama satu abad, mekanika kuantum terus menimbulkan pertanyaan mendalam.
Bisakah gravitasi dikuantifikasi (yaitu, apakah gravitasi berperilaku seperti gaya lain pada tingkat kuantum)? Bisakah komputer kuantum mengubah ilmu kedokteran dan material? Pengetahuan baru apa tentang alam semesta yang bisa muncul dari teknologi kuantum masa depan?
Scully yakin pencarian jawaban baru saja dimulai.
“Pada awal abad ke-20, banyak yang mengira fisika sudah selesai,” ujarnya. “Pada abad ke-21, kita tahu bahwa petualangan baru saja dimulai.”
Lima Cara Mekanika Kuantum Mempengaruhi Kehidupan Sehari-hari
- laser Dari pemindai toko kelontong hingga operasi mata, laser mengandalkan prinsip kuantum yang memperkuat cahaya.
- Komunikasi yang aman Kriptografi kuantum dapat membuat kode yang sangat aman yang membantu melindungi informasi sensitif.
- Perhitungan lebih cepat Komputer kuantum memiliki potensi untuk memecahkan masalah tertentu dalam hitungan detik yang membutuhkan waktu ribuan tahun bagi komputer klasik.
- Pengukuran yang lebih baik Observatorium gelombang gravitasi menggunakan teknik kuantum seperti “cahaya terkompresi” untuk mendeteksi distorsi kecil dalam ruang-waktu dan mengungkap detail baru tentang alam semesta.
- Terobosan medis Metode pencitraan kuantum membantu para ilmuwan mempelajari virus, molekul, dan struktur biologis lainnya pada skala atom.
