Fisika kuantum
Fisika kuantum mempelajari materi, energi, partikel, dan medan pada skala di mana intuisi klasik tidak berfungsi. Hal ini menjelaskan mengapa atom stabil, mengapa cahaya dapat tiba dalam bentuk paket, mengapa hasil seringkali bersifat probabilistik, dan mengapa peralatan modern seperti laser, transistor, jam atom, MRI, dan komputer kuantum dapat dilakukan.
Apa yang dijelaskan oleh fisika kuantum
Fisika klasik menggambarkan planet, benda jatuh, mesin, gelombang suara, dan sebagian besar gerak sehari-hari. Fisika kuantum menjelaskan lapisan di bawahnya: atom, elektron, foton, molekul, semikonduktor, ikatan kimia, peluruhan radioaktif, dan perilaku materi dan energi pada skala yang sangat kecil. Ini adalah kerangka kerja yang digunakan para ilmuwan ketika gagasan umum tentang jalur pasti dan energi berkelanjutan berhenti bekerja.
Bagaimana ide kuantum dimulai
Kata kuantum berarti jumlah yang terpisah. Sekitar tahun 1900, Max Planck menemukan bahwa benda panas memancarkan energi dengan cara yang masuk akal jika energi datang dalam bentuk paket kecil. Albert Einstein kemudian menggunakan kuanta cahaya untuk menjelaskan efek fotolistrik. Niels Bohr menerapkan tingkat energi terkuantisasi pada atom, dan pada tahun 1920-an Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger, Max Born, Paul Dirac, dan lainnya telah membangun teori matematika mekanika kuantum.
Partikel dan gelombang
Objek kuantum tidak cocok dengan kategori partikel atau gelombang lama. Sebuah elektron dapat mengenai detektor sebagai peristiwa yang terlokalisasi, namun perilakunya sebelum deteksi dijelaskan oleh probabilitas seperti gelombang. Cahaya dapat menyebar, berinterferensi, dan berdifraksi seperti gelombang, namun ia dipancarkan dan diserap dalam bentuk foton. Fisika kuantum memperlakukan perilaku gelombang-partikel ini sebagai ciri dasar alam, bukan kebingungan sementara.
Fungsi gelombang dan probabilitas
Sistem kuantum digambarkan dengan fungsi gelombang atau, lebih umum, dengan keadaan kuantum. Objek matematika ini biasanya tidak memberi tahu kita masa depan yang pasti. Ini memberikan amplitudo probabilitas yang memungkinkan para ilmuwan menghitung kemungkinan hasil pengukuran yang berbeda. Teorinya bersifat probabilistik, namun tidak longgar: prediksinya bisa sangat tepat jika sistem dan eksperimennya dijelaskan dengan baik.
Pengukuran dan ketidakpastian
Pengukuran dalam fisika kuantum tidak hanya sekedar melihat secara pasif sebuah benda kecil yang semua propertinya sudah tetap. Pengukuran adalah interaksi fisik yang membantu menghasilkan suatu hasil. Prinsip ketidakpastian mengatakan bahwa beberapa pasangan properti, seperti posisi dan momentum, tidak dapat diberikan ketelitian tak terbatas pada saat yang bersamaan. Batasan ini terbentuk dalam keadaan kuantum, bukan hanya disebabkan oleh instrumen yang buruk.
Superposisi dan keterikatan
Superposisi berarti keadaan kuantum dapat digambarkan sebagai kombinasi hasil yang mungkin terjadi sebelum pengukuran. Keterikatan berarti dua atau lebih sistem dapat berbagi satu deskripsi kuantum yang terhubung meskipun terpisah. Keterikatan tidak membuat orang mengirimkan pesan lebih cepat dari cahaya, namun hal ini menciptakan korelasi yang tidak dapat dijelaskan oleh gambaran klasik sederhana dari objek independen yang membawa jawaban yang sudah ditulis sebelumnya.
Mengapa itu penting
Fisika kuantum bukan hanya teori yang aneh bagi laboratorium. Semikonduktor bergantung pada perilaku elektron dalam padatan. Laser menggunakan emisi foton yang terkontrol. Jam atom mengandalkan transisi kuantum. Mesin MRI, LED, sel surya, mikroskop elektron, model kimia, dan banyak sensor bergantung pada teori kuantum. Komputasi kuantum dan komunikasi kuantum mengeksplorasi apakah superposisi dan keterjeratan dapat mendukung pemrosesan informasi jenis baru.
Yang masih diperdebatkan
Fisikawan secara umum sepakat tentang cara menghitung hasil kuantum, namun tidak semuanya sepakat tentang apa yang dimaksud dengan matematika. Interpretasi seperti Kopenhagen, banyak dunia, teori gelombang pilot, mekanika kuantum relasional, dan model keruntuhan objektif menawarkan gambaran realitas berbeda di balik prediksi eksperimental serupa. Perdebatan ini penting karena fisika kuantum menantang gagasan lama tentang kausalitas, informasi, lokalitas, pengukuran, dan apa yang dianggap sebagai fakta fisik.