Teori Kuantum (Masih) Belum Terpatahkan

Febdian Rusydi (Fisika UNAIR)

Berikut adalah terjemahan lepas dari artikel Quantum theory survives latest challenge dari situs Physics World.

Semenjak mekanika kuantum pertama kali diformulasikan, sejumlah fisikawan termasuk Albert Einstein tidak nyaman dengan ideentanglement (keter-belit-an) – yaitu sejumlah partikel yang memiliki sebuah hubungan yang tidak diizinkan oleh fisika klasik. Akibatnya, sejumlah fisikawan telah mengusulkan teori-teori alternatif yang mengizinkan hubungan tersebut hadir tanpa membutuhkan mekanika kuantum. Sungguh sulit untuk menguji teori-teori ini, namun sejumlah peneliti di Inggris Raya telah menggunakan cahaya yang terpuntir untuk membuat sebuah pengukuran penting yang menunjukkan kebenaran teori kuantum.

Apa itu keterbelitan kuantum? Akan saya jelaskan pada artikel berikutnya, tapi jika Anda tidak sabar, sila buka buku “Introduction to Quantum Mechanics” Griffiths (edisi kedua, 2005) Bab 1 halaman 4 (kualitatif) dan Bab 10 (kuantitatif).

Teori kuantum terasa asing dalam kehidupan kita sehari-hari karena teori ini bertentangan dengan ide kita tentang realisme – ekspektasi bahwa benda memiliki sifat-sifat yang dimilikinya terlepas apakah kita sedang melihatnya atau tidak. Teori kuantum juga mengizinkan sebuah sistem untuk merespons sebuah peristiwa yang terjadi sangat jauh dari lokasi sistem tersebut – ini menentang prinsip lokalitas, yang tidak mengizinkan komunikasi terjadi lebih cepat daripada kecepatan cahaya.

Keganjilan-keganjilan ini dinyatakan secara matematis oleh fisikawan John Bell dengan “ketidaksamaan”-nya yang terkenal itu. Bell menunjukkan bahwa kita dapat melakukan kombinasi pengukuran tertentu pada sepasang partikel identik yang menghasilkan ketidaksamaan yang cocok dengan ide realisme dan prinsip lokalitas. Bell juga menunjukkan bahwa ketidaksamaan ini dilanggar oleh prediksi fisika kuantum untuk pasangan partikel terbelit.

Pada eksperimen Bell dua pengamat terpisah dapat mengukur polarisasi partikel-partikel terbelit pada arah yang berbeda dan menghitung korelasi antara partikel-partikel tersebut. Ini telah dilakukan oleh pada tahun 1970-an oleh Stuart Freedman dan John Clauser dan pada tahun 1980-an oleh Alain Aspect. Kedua eksperimen ini menggunakan foton terbelit untuk membenarkan teori kuantum.

Mengorbankan lokalitas demi realisme

Fisika secara umum telah menerima bahwa dunia kuantum menertawakan “realisme lokal”, tapi pada tahun 2003, Anthony Legget dari Universitas Illinois di Urbana-Champaign (Amerika Serikat) mencoba untuk memulihkan realisme dengan cara mengorbankan lokalitas. Jika dua sistem dapat mengatur korelasi di antara mereka melalui komunikasi instan (saat itu juga), maka ada kemungkinan mereka memiliki sifat-sifat yang definit (tertentu). Skenario real tapi non-lokal Legget ini sesuai dengan prediksi Bell, tapi apakah benar realitas dapat mendeskripsikan dunia kuantum?

Empat tahun kemudian, fisikawan di Austria, Swiss dan Singapur menjawab dengan data. Alih-alih mengukur keadaan polarisasi linear untuk melanggar ketidaksamaan Bell, mereka mencari korelasi antara polarisasi eliptik – yaitu keadaan kombinasi linear dan kombinasi sirkular. Mereka bahkan mengasumsikan meskipun foton-foton terbelit dapat saling merespons secara instan, korelasi antara keadaan polarisasi masih melanggar ketidaksamaan Leggett. Kesimpulan bahwa komunikasi instan tidak cukup untuk menjelaskan ide entanglement dan realisme juga harus ditinggalkan.

Kesimpulan ini sekarang didukung oleh Sonja Franke-Arnold dan koleganya dari Universitas Glasgod dan Universitas Strathclude. Eksperimen mereka menunjukkan bahwa foton-foton terbelit memiliki korelasi lebih kuat daripada yang diizinkan untuk partikel-partikel dengan sifat-sifat telah terdefinisikan secara individu – bahkan meskipun partikel-partikel tersebut boleh berkomunikasi secara instan. Tapi mereka tidak mengamati polarisasi foton, melainkan memilih untuk mengamati sifat-sifat dari setiap momentum angular orbital foton.

Cahaya terpuntir

Momentum angular orbital foton dapat dipahami dengan cara membayangkan bahwa gelombang berpuntir di sekitar sumbu aksis sinar. Puntiran itu dapat digambar sebagai sebuah ulir pembuka tutup botol, sebuah heliks-ganda atau heliks yang lebih rumit dengan momentum angular terus bertambah. Franke-Arnlod dan timnya menggunakan pola heliks-ganda.

Jackquie Romero, mahasiswa di Universitas Glasgow, melakukan eksperimen dengan cara menebakkan laster ultraviolet pada sebuah kristal optik yang dirancang untuk memisahkan foton energi tinggi menjadi pasangan-pasangan foton infrared terbelit. Foton-foton ini kemudian masuk pada hologram-hologram yang dikontrol oleh computer. Hologram ini menyaring foton-foton pada keadaan momentum angular orbital yang saling komplementer. Foton yang melewati hologram dihitung oleh detektor foton.

Korelasi antara dua foton terbelit, satu dengan momentum angular orbital searah jarum jam dan yang lainnya berlawanan arah jarum jam, telah diprediksi oleh Bell, Legget dan juga teori kuantum. “Kami sengaja tidak meluruskan hologram-hologram ini dari keadaan komplementer dan mengukur korelasi yang dihasilkan,” kata Franke-Arnold. Detektor yang menangkap pasangan foton terbelit sesuai dengan teori Legget. Hasil pengamatan mereka sesuai dengan prediksi kuantum.

Kesimpulan filosofis

“Dampak utama dari eksperimen ini benar-benar sebuah kesimpulan filosofis,” ujar Franke-Arnold. Partikel-partikel terbelit tidak dapat dideskripsikan sebagai individu, meskipun mereka memiliki sebuah koneksi telepatik dengan pasangannya.

Simon Gröblacher dari Universitas Vienna menegaskan bahwa eksperimen-eksperimen ini mencoret ide realisme hanya untuk skala besar teori nonlokal – sisanya tidak dideskripsikan oleh ketidaksamaan Leggett. Tim Gröblacher pertama kali membuktikan pelanggaran ketidaksamaan Legget dengan eksperimen polarisasi foton, dan dia mengatakan bahwa sungguh baik mengetahui pelanggaran ini diverifikasi oleh sifat lain dari foton (yaitu momentum angular orbital). “Eksperimen mereka terlihat sederhana,” tambahnya, mengetahui bahwa momentum angular orbital dapat dipakai untuk menguji superposisi lebih dari dua keadaan.

Sumber : Blog Febdian Rusydi (17 Desember 2010)

Tolong tinggalkan pesan dan klik salah satu iklan di pojok kiri bawah.TERIMA KASIH

Posted in: fisika