Tentang Fisika Kuantum –Tuhan Tidak Melempar Dadu

Teori kuantum Wheeler sebenarnya sudah muncul sejak pasca Perang Dunia II, digagas oleh fisikawan John A. Wheeler. Kalau kita bicara tentang teori kuantum, harus kita pahami bahwa alam semesta (maksudnya alam partikel) bersifat fluktuatif, tidak ada yang pasti, karena dikontrol oleh asas ketidakpastian Heisenberg sehingga hanya probabilitas posisi dan momentumnya saja yang kita ketahui.

Inilah yang dibenci Einstein dari teori kuantum, meski ia dikenal sebagai salah satu perintisnya yang utama (dengan Satyendrenath Bose di India, terpisah separuh bola Bumi dengan Einstein di Princeton, mereka saling surat menyurat dalam rangka menyusun sebuah statistik kuantum, kini dikenal sebagai statistik Bose-Einstein, untuk mengatur perilaku partikel-partikel berspin bulat yang berperanan membawa gaya-gaya fundamental di alam semesta/boson, dan mereka baru bertemu muka setelah tulisannya siap diterbitkan). Sampai-sampai muncul kata-katanya yang terkenal: "Tuhan tidak melempar dadu".

Materi (baca partikel) dalam mekanika kuantum memang tidak riil, karena ia selalu memiliki sifat gelombang akibat gerakannya, sementara di jagat raya ini tidak ada partikel yang diam mutlak. Gambarannya begini, kita lihat seseorang yang sedang duduk, meski secara kasatmata ia nampak diam, namun menurut mekanika kuantum sebenarnya tidaklah demikian. Orang itu jelas tersusun oleh partikel-partikel seperti elektron, proton dan neutron ditambah meson (yang saling bertukaran antar neutron dalam menciptakan gaya inti) yang semuanya selalu bergerak. Sementara menurut mekanika kuantum, partikel yang bergerak selalu menghasilkan gelombang de Broglie sehingga status partikel itu menjadi bias, di satu saat ia muncul sebagai "butiran" (baca materi), sementara di saat yang lain ia muncul sebagai gelombang. Sehingga partikel-partikel penyusun orang yang sedang duduk itu sebenarnya selalu berganti-ganti sifat dari materi ke gelombang dan sebaliknya secara terus menerus.

Bagi mekanika kuantum, materi dan gelombang adalah dua sisi dari sekeping uang logam yang sama. Hal ini sebenarnya tidak aneh, karena jika kita mempelajari relativitas umum, kita juga akan menemukan kesimpulan bahwa materi dan energi sebenarnya merupakan dua bentuk berbeda dari sesuatu yang sama.Dengan menggabungkan mekanika kuantum dan relativitas umum, kita bisa mendapatkan kesimpulan bahwa materi merupakan bentuk energi yang terkurung dalam ruang-waktu yang melengkung.

Apakah hal itu aneh? Masih lebih aneh teori string. Menurut teori ini, partikel-partikel yang beragam itu (mulai dari baryon, meson hingga lepton dan boson-boson pembawa gaya) tidaklah berwujud "butiran" (mirip kelereng) sebagaimana gambaran yang ada selama ini, namun berbentuk string (dawai, seperti senar gitar) yang identik satu sama lain. Yang membedakan satu partikel dengan partikel lainnya adalah frekuensi getaran dawai masing-masing. Jadi, jika anda melihat orang duduk tadi, silahkan dibayangkan sendiri bahwa orang tersebut sebenarnya tersusun oleh trilyunan dawai yang selalu bergetar dengan frekuensinya masing-masing. Meski teorinya cukup "aneh", namun inilah teori fisika yang berkembang pesat dalam 20 tahun terakhir ini dan dalam konferensi internasional tentang relativitas umum dan gravitasi 2003 disebutkan teori string inilah yang menjadi kandidat terkuat bagi Theory of Everything (TOE), teori yang mempersatukan mekanika kuantum dan relativitas umum.

[1] Kalo semua makhluk hidup meninggal, Bumi dan alam semesta tidak akan lenyap, masih tetap ada. Karena jika kita tinjau dari sudut pandang relativitas, meninggalnya makhluk hidup tidak mengakibatkan gangguan pada ruang-waktu. Kita ambil contoh pada peristiwa "The Great Dying" 250 juta tahun silam, dimana 96 % populasi makhluk hidup musnah akibat tumbukaan asteroid raksasa yang membentuk basin Bedout High (kini ada di lepas pantai sebelah barat laut Australia), tidak ada gangguan pada ruang-waktu dan Bumi tetap utuh hingga kini.

Alam semesta memang bisa lenyap, jika terjadi gangguan besar pada ruang-waktu, sehingga ruang-waktu sobek/terbelah. Peristiwa ini diperkirakan akan terjadi dalam 20 milyar tahun mendatang karena pemuaian alam semesta telah demikian cepat hingga gravitasi tidak sanggup lagi menahannya dan ruang-waktu telah demikian merenggang hingga daya tahannya terlampaui. Karena ruang-waktu bersifat aktif dan menjadi bagian inheren dari seluruh materi dan energi, maka sobeknya ruang-waktu membuat materi dan energi kehilangan kestabilannya selama ini dan akan musnah. Kemusnahan yang sempurna, mulai dari galaksi hingga lepton. Cukup mengesankan bahwa mekanika kuantum juga meramalkan proton-proton di alam semesta akan meluruh (yang berarti kehancuran materi yang disusun oleh proton), namun dalam tempo yang jauh lebih lama dibanding saat sobeknya ruang-waktu.

[2] Fisika kuantum secara umum memang membuat manusia lebih bisa memahami alam semesta ini bekerja di dunia partikel dan sekaligus mengatur perilakunya. Secara praktis kegunaannya sangat banyak, mulai dari sel surya, komputer yang kita gunakan hingga ke teknologi laser, baik yang digunakan dalam persenjataan maupun yang ada dalam CD-ROM kita.

[3] Lubang hitam atomik, atau lubang hitam mini (dalam bahasa Wheeler) adalah jenis lubang hitam berukuran mini dengan massa jauh di bawah massa minimal bagi pembentukan lubang hitam 'klasik'. Lubang hitam mini bisa terbentuk oleh tekanan sangat besar dalam waktu teramat singkat di suatu titik. Lubang hitam mini bisa disintesa oleh manusia, teorinya. John Wheeler pernah menghitung, jika seluruh Deterium yang ada di perairan Bumi kita diekstrak dan dibentuk menjadi sebuah bom Hidrogen maharaksasa untuk kemudian diledakkan, maka tekanan ekstrabesar di pusat ledakan akan menghasilkan sebuah lubang hitam mini (tentu saja, persoalannya tinggal apakah Bumi ini masih ada dan masih adakah manusia yang tersisa pasca ledakan itu untuk menyaksikan lubang hitam mini ini?).

Di alam semesta, lubang hitam mini diperkirakan terbentuk pada saat big bang dan hingga kini masih cukup banyak yang tersisa dan bergentayangan ke mana-mana. Meskipun mini, lubang hitam ini jangan dianggap enteng. Sebuah lubang hitam yang bergaris tengah 3 cm (alias sedikit lebih besar dari kelereng) memiliki massa yang sama dengan Bumi kita. Terjadinya ledakan hebat di atas Tunguska pada 30 Juni 1908, oleh salah satu analisis, diperkirakan ditimbulkan oleh masuknya lubang hitam mini ke Bumi, mengingat hingga kini di lokasi ledakan tidak ditemukan satu pun meteorit yang semula diduga menjadi penyebabnya.

Lubang hitam astronomik, alias lubang hitam klasik, adalah lubang hitam yang terbentuk sebagai hasil akhir proses evolusi bintang-bintang massif, seperti yang diramalkan Chandrasekhar dengan mekanika kuantum dan Oppenheimer dengan relativitas umum. Hanya bintang-bintang dengan massa > 3 kali massa matahari yang sanggup membentuk lubang hitam, karena bintang-bintang inilah yang takkan sanggup melawan gravitasinya sendiri begitu semua Hidrogen-nya (dan Helium-nya) habis terbakar dalam fusi sehingga akan terus mengerut menjadi obyek yang sangat kecil, yang tersusun oleh partikel-partikel paling sederhana (kuark dan lepton), hingga membuat ruang-waktu di sekelilingnya melengkung tak terhingga membentuk asimtot.

Bintang seperti matahari tidak akan berevolusi menjadi lubang hitam, karena begitu Hidrogen dan Heliumnya habis, gravitasi memang mulai membuatnya mengerut namun pengerutan ini masih bisa ditahan oleh gaya tolak-menolak antar elektron yang kini telah berdesakan dengan demikian rapat, seperti keadaan electron-elektron pada sebatang besi, sehingga energi Fermi-nya cukup besar untuk mencegah pengerutan lebih lanjut. Terbentuklah bintang cebol putih yang densitasnya hampir sama dengan besi. Kelak jika matahari berevolusi menjadi cebol putih, ia akan mengerut menjadi seukuran Mars aja. Sementara bintang dengan massa antara 1,4 dan 3 kali massa matahari akan terus melanjutkan pengerutannya sampai elektron-elektronnya kian terdesak hebat hingga energi Fermi-nya melampaui energi ambang reaksi antara proton dan elektron (p + e --> n). Terbentuklah bintang neutron, yang densitasnya hampir sama dengan densitas inti-inti atom. Seandainya matahari bisa menjadi bintang neutron, diameternya hanya 10 km.

[4] Tachyon adalah segala macam partikel hipotetik yang memiliki kecepatan superluminal (lebih cepat dari cahaya dalam ruang vakum) sehingga massa (diam)-nya imajiner, namun energi dan momentumnya riil. Memang, berdasarkan relativitas khusus, jika kita mempercepat sebuah partikel hingga mencapai kecepatan cahaya, maka massa relativistiknya akan menjadi tak terhingga dan hal itu tidaklah mungkin terjadi. Namun jika kita mengganti massa diam partikel itu dengan massa imajiner, kita akan mendapatkan pada kecepatan di atas kecepatan cahaya, partikel ini justru memiliki massa relativistik yang riil (ingat bahwa bilangan imajiner murni dibagi dengan bilangan imajiner murni yang lain akan menghasilkan bilangan riil). Bila tachyon bergerak di bawah kecepatan cahaya, massa relativistiknya menjadi imajiner sehingga tachyon tidak akan lebih lambat dari cahaya. Relativitas khusus juga menunjukkan, energi kinetik tachyon akan menurun bila kecepatannya bertambah dan akan meningkat bila kecepatannya berkurang. Sifat semacam ini sangat bertolak belakang dengan sifat-sifat partikel yang kita kenal, yang memiliki massa diam riil.

Relativitas umum memungkinkan munculnya partikel superliminal semacam ini, asalkan ia berada sangat jauh dari pengamat. Namun menurut mekanika kuantum, keberadaan tachyon justru akan menyalahi salah satu prinsip fundamental fisika teori: kausalitas. Interaksi tachyon dengan partikel-partikel bermassa diam riil akan menghasilkan keadaan tercampur antara masa lalu dan masa depan pada garis dunia dalam pasangan tersebut.

Sampai saat ini eksistensi tachyon memang belum ditemukan. Memang ada laporan tentang teramatinya partikel superluminal dalam guyuran sinar kosmik pada tahun 1973 oleh Philip Crough dan Robert Clay, yang sekaligus memunculkan dugaan adanya tachyon bermassa diam riil. Namun pengamatan-pengamatan berikutnya tidak berhasil mendeteksi partikel tersebut. Meski begitu, konsep tachyon kini telah diterapkan dalam berbagai teori fisika, satu di antaranya adalah teori string. Dalam teori string, tachyon diperkenankan eksis dengan frekuensi getar tertentu. Pada konferensi internasional tentang relativitas umum dan gravitasi di tahun 2003, salah satu sifat aneh tachyon mulai bisa diterima oleh para fisikawan masa kini, yakni bahwa dalam sebuah lubang hitam, materi yang tersedot masuk ke dalamnya tidak akan lenyap, namun mengalami keadaan tercampur antara masa lalu dan masa depannya, dengan fluks informasi kuantum dijamin utuh.

Sumber: Astronomi.us - Blog Astronomi Indonesia