Demonstrasi yang mengubah gagasan besar Isaac Newton tentang sifat cahaya sangatlah sederhana. Ini "dapat diulang dengan sangat mudah di mana pun matahari bersinar," kata fisikawan Inggris Thomas Young pada November 1803 kepada anggota Royal Society di London, menjelaskan apa yang sekarang disebut eksperimen celah ganda. Dan Young bukanlah pemuda yang antusias. Dia datang dengan eksperimen yang elegan dan rumit yang mendemonstrasikan sifat gelombang cahaya, dan dengan demikian menyangkal teori Newton bahwa cahaya terdiri dari sel-sel, yaitu partikel.
Tetapi kelahiran fisika kuantum di awal 1900-an memperjelas bahwa cahaya terdiri dari unit-unit kecil yang tak terpisahkan - atau kuanta - energi yang kita sebut foton. Eksperimen Young dengan foton tunggal, atau bahkan dengan partikel materi individual seperti elektron dan neuron, adalah misteri yang membuat Anda bertanya-tanya tentang hakikat realitas. Beberapa bahkan menggunakannya untuk menyatakan bahwa dunia kuantum dipengaruhi oleh kesadaran manusia. Tetapi dapatkah eksperimen sederhana benar-benar menunjukkan hal ini?
Bisakah kesadaran mendefinisikan realitas?
Dalam bentuk kuantum modernnya, eksperimen Young melibatkan penembakan partikel cahaya atau materi melalui dua celah atau lubang yang dipotong di penghalang buram. Di satu sisi penghalang adalah layar yang merekam kedatangan partikel (katakanlah, pelat fotografi untuk foton). Akal sehat membuat kita mengharapkan foton melewati salah satu celah atau celah lainnya dan terakumulasi di belakang bagian yang sesuai.
Tapi tidak. Foton mengenai bagian tertentu dari layar dan menghindari yang lain, menciptakan garis terang dan gelap yang bergantian. Yang disebut pinggiran ini menyerupai gambar pertemuan dua gelombang. Ketika puncak satu gelombang sejajar dengan puncak gelombang lainnya, Anda mendapatkan gangguan yang membangun (garis-garis terang), dan ketika puncak gelombang sejajar dengan palung, Anda mendapatkan gangguan yang merusak (kegelapan).
Tetapi hanya satu foton yang melewati perangkat pada satu waktu. Sepertinya foton melewati kedua celah sekaligus dan mengganggu dirinya sendiri. Ini bertentangan dengan pengertian umum (klasik).
Secara matematis, ini bukan partikel fisik atau gelombang fisik yang melewati kedua celah, tetapi yang disebut fungsi gelombang - fungsi matematika abstrak yang mewakili keadaan foton (dalam hal ini, posisi). Fungsi gelombang berperilaku seperti gelombang. Ini mengenai dua celah, dan gelombang baru keluar di sisi lain celah, menyebar dan mengganggu satu sama lain. Fungsi gelombang gabungan menghitung kemungkinan di mana foton itu berada.
Video promosi:
Foton memiliki probabilitas yang tinggi untuk berada di mana dua fungsi gelombang mengganggu secara konstruktif, dan rendah - di mana interferensi tersebut merusak. Pengukuran - dalam hal ini, interaksi fungsi gelombang dengan pelat fotografi - mengarah pada "runtuhnya" fungsi gelombang, menuju keruntuhannya. Hasilnya, ini menunjuk ke salah satu tempat di mana foton muncul setelah pengukuran.
Runtuhnya fungsi gelombang akibat pengukuran ini telah menjadi sumber dari banyak kesulitan konseptual dalam mekanika kuantum. Sebelum keruntuhan, tidak ada cara untuk memastikan di mana foton akan berakhir; itu bisa dimana saja dengan probabilitas bukan nol. Tidak ada cara untuk melacak lintasan foton dari sumber ke detektor. Foton itu tidak nyata dalam arti bahwa pesawat terbang yang terbang dari San Francisco ke New York itu nyata.
Werner Heisenberg antara lain menafsirkan matematika ini sedemikian rupa sehingga realitas tidak ada sampai ia diamati. “Gagasan tentang dunia nyata yang objektif, partikel terkecil yang ada secara obyektif dalam arti yang sama seperti batu atau pohon ada, terlepas dari apakah kita mengamatinya atau tidak, adalah mustahil,” tulisnya. John Wheeler juga menggunakan varian eksperimen celah ganda untuk menyatakan bahwa "tidak ada fenomena dasar kuantum yang akan menjadi fenomena sampai ia menjadi fenomena terdaftar ('teramati', 'terekam dengan pasti')."
Tetapi teori kuantum sama sekali tidak memberikan petunjuk tentang apa yang dianggap sebagai "pengukuran". Dia hanya mendalilkan bahwa alat pengukur harus klasik, tanpa menentukan di mana letak garis antara klasik dan kuantum, dan membiarkan pintu terbuka bagi mereka yang percaya bahwa keruntuhan menyebabkan kesadaran manusia. Mei lalu, Henry Stapp dan rekan-rekannya mengatakan eksperimen celah ganda dan versinya saat ini menunjukkan bahwa "pengamat yang sadar mungkin diperlukan" untuk memberi makna pada dunia kuantum, dan bahwa kecerdasan transpersonal adalah inti dari dunia material.
Tetapi eksperimen ini bukanlah bukti empiris untuk klaim semacam itu. Dalam percobaan celah ganda yang dilakukan dengan foton tunggal, seseorang hanya dapat menguji prediksi probabilistik matematika. Jika probabilitas mengambang saat puluhan ribu foton identik dikirim melalui celah ganda, teorinya adalah bahwa fungsi gelombang setiap foton runtuh - berkat proses yang didefinisikan secara samar yang disebut pengukuran. Itu saja.
Selain itu, ada interpretasi lain dari percobaan celah ganda. Ambil contoh, teori de Broglie-Bohm, yang mengatakan bahwa realitas adalah gelombang dan partikel. Foton diarahkan ke celah ganda pada posisi tertentu setiap saat dan melewati satu celah atau celah lainnya oleh karena itu, setiap foton memiliki lintasan. Ia bergerak melalui gelombang percontohan yang menembus kedua celah, mengganggu dan kemudian mengarahkan foton ke lokasi gangguan konstruktif.
Pada 1979, Chris Dewdney dan koleganya di Brickbeck College London membuat model prediksi teori ini tentang jalur partikel yang akan bergerak melalui celah ganda. Selama sepuluh tahun terakhir, para peneliti telah memastikan bahwa lintasan seperti itu ada, meskipun mereka telah menggunakan teknik kontroversial yang disebut pengukuran lemah. Terlepas dari kontroversi, eksperimen menunjukkan bahwa teori de Broglie-Bohm masih mampu menjelaskan perilaku dunia kuantum.
Lebih penting lagi, teori ini tidak membutuhkan pengamat atau pengukuran atau kesadaran tak berwujud.
Mereka juga tidak dibutuhkan oleh apa yang disebut teori keruntuhan, yang darinya fungsi gelombang runtuh secara acak: semakin besar jumlah partikel dalam sistem kuantum, semakin besar kemungkinan keruntuhannya. Pengamat cukup mencatat hasilnya. Tim Markus Arndt di Universitas Wina di Austria menguji teori ini dengan mengirimkan molekul yang lebih besar dan lebih besar melalui celah ganda. Teori runtuh memprediksikan bahwa ketika partikel materi menjadi lebih masif dari ambang tertentu, mereka tidak dapat lagi tetap dalam superposisi kuantum dan melewati kedua celah pada saat yang sama, dan ini menghancurkan pola interferensi. Tim Arndt mengirim molekul 800 atom melalui celah ganda dan masih melihat interferensi. Pencarian ambang terus berlanjut.
Roger Penrose memiliki versinya sendiri tentang teori keruntuhan, di mana semakin tinggi massa suatu benda dalam superposisi, semakin cepat benda itu runtuh ke satu keadaan atau lainnya karena ketidakstabilan gravitasi. Sekali lagi, teori ini tidak membutuhkan pengamat atau kesadaran apa pun. Dirk Boumeester dari Universitas California, Santa Barbara menguji ide Penrose dengan versi eksperimen celah ganda.
Secara konseptual, idenya tidak hanya menempatkan foton dalam superposisi melewati dua celah pada saat yang sama, tetapi juga untuk menempatkan salah satu celah dalam superposisi dan membuatnya berada di dua tempat pada waktu yang sama. Menurut Penrose, celah yang diganti akan tetap dalam superposisi atau runtuh dengan foton dengan cepat, yang akan menyebabkan pola interferensi yang berbeda. Keruntuhan ini akan bergantung pada massa celah. Boumeester telah mengerjakan eksperimen ini selama sepuluh tahun dan mungkin segera mengkonfirmasi atau menyangkal klaim Penrose.
Bagaimanapun, eksperimen ini menunjukkan bahwa kita belum dapat membuat klaim apa pun tentang sifat realitas, meskipun klaim ini didukung dengan baik secara matematis atau filosofis. Dan mengingat bahwa ahli saraf dan filsuf pikiran tidak dapat menyetujui sifat kesadaran, klaim bahwa hal itu mengarah pada runtuhnya fungsi gelombang akan menjadi prematur yang terbaik dan paling buruk salah arah.
Ilya Khel
