zainul

Tentang dua celah dan pilihan yang tertunda

In Catatan fisika on November 12, 2011 at 10:10 pm

Eksperimen Celah Ganda

Susunan peralatan untuk eksperimen ini ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Ada sumber gelombang, dan layar. Di antara sumber gelombang dan layar diletakkan dinding penghalang. Pada dinding penghalang ada dua celah. Pada layar teramati pola interferensi yaitu pola intensitas “maksimum-minimum-maksimum-minimum-dst”. Gelombang yang mencapai layar adalah hasil jumlahan gelombang yang berasal dari kedua celah.

(Gambar ini dan gambar berikutnya diambil dari sini)

Misalnya gelombang air. Permukaan air yang tenang jika diberi gangguan akan menghasilkan perubahan tinggi permukaan air, ada “puncak” dan ada “lembah” secara bergantian. Ketika dua gelombang berpadu, puncak dari gelombang A dan puncak dari gelombang B menghasilkan puncak yang lebih tinggi lagi, lembah dari gelombang A dan lembah dari gelombang B menghasilkan lembah yang lebih rendah lagi, puncak dari salah satu gelombang dan lembah dari gelombang lainnya saling menghilangkan. Perpaduan ini menghasilkan pola interferensi pada layar.

Jika pada eksperimen celah ganda di atas digunakan partikel, misalnya kelereng. Seperti ditunjukkan pada gambar di bawah. Akumulasi titik-titik di mana kelereng mencapai layar tidak menunjukkan pola interferensi. Berbeda dengan gelombang,  kelereng yang mencapai layar masing-masing melalui salah satu dari dua celah.

Cahaya, gelombang atau partikel?

Bahwa cahaya menunjukkan pola interferensi di layar membuktikan bahwa cahaya adalah gelombang. Tetapi, beberapa eksperimen menunjukkan bahwa cahaya juga bersifat seperti partikel. Salah satunya adalah efek Compton. Arthur Holly Compton mengamati bahwa hamburan cahaya pada elektron hanya dapat dijelaskan jika cahaya dipandang sebagai partikel. Partikel cahaya ini biasa disebut sebagai foton.

Bagaimana dengan elektron? Gelombang atau partikel?

Pada awal ditemukannya, oleh J. J. Thomson, elektron diketahui sebagai partikel. Clinton Davisson dan Lester Germer menunjukkan bahwa pancaran elektron pada kristal nikel, (ini kurang lebih serupa dengan eksperimen celah ganda di atas) menunjukkan pola interferensi pada layar yang terbuat dari bahan fosfor.  Ini menunjukkan bahwa elektron juga bersifat gelombang.

Tidak hanya terbatas pada foton dan elektron, semua materi di alam punya sifat gelombang-partikel, termasuk kelereng yang tersebut di atas.

Dua celah, lewat mana?

Mungkinkah elektron atau foton adalah partikel, tetapi secara kolektif membentuk gelombang sama seperti gelombang air yang tersusun atas molekul-molekul H2O? Berikut ini ditunjukkan bagaimana deskripsi ini tidak benar.

Misalnya layar pada eksperimen di atas berupa detektor-detektor kecil yang dipasang berjejeran. Terhubung ke alat yang mencatat detektor mana saja yang “menyala” pada waktu tertentu. Detektor kecil ini “menyala” jika ada partikel mencapainya, misalnya dengan mengionisasi sesuatu dalam detektor.  Abaikan detil teknis detektor.

Sekarang, sumber elektron dibuat redup. Sangat-sangat redup sehingga rata-rata hanya satu detektor di layar yang menyala setiap misalnya 10 detik. Ini untuk memastikan bahwa rata-rata elektron sendirian dalam perjalanannya dari sumber ke layar.

Bahwa satu detektor di layar menyala pada suatu saat menunjukkan bahwa elektron  punya lokasi yang jelas. Ini berbeda dengan gelombang yang menyebar mengisi ruang, seredup apapun. Meskipun demikian, setelah menunggu sekian lama sehingga cukup banyak elektron yang mencapai layar, dari data yang tersimpan diperoleh akumulasi titik-titik yang menunjukkan  pola interferensi seperti ditunjukkan pada gambar di bawah. Menakjubkan bukan?

(dari (a) sampai (e) akumulasi titik lokasi elektron yang tiba di layar. Sumber: wikipedia)

Mungkinkah masing-masing elektron melewati kedua celah sekaligus, berinterferensi dengan dirinya sendiri?

Misalnya di kedua celah dipasang detektor, sekedar untuk mengetahui elektron lewat celah yang mana dalam perjalanannya mencapai layar. Detektor ini sebisa mungkin tidak mengganggu elektron dalam perjalanannya. Hasilnya, jika detektor di layar mendeteksi elektron,  maksimal didahului oleh terdeteksinya elektron oleh detektor di salah satu celah saja, tidak pernah keduanya sekaligus. Dari sini, diketahui bahwa elektron tersebut mencapai layar melalui salah satu celah. Sayangnya upaya mengetahui lintasan elektron ini mengubah hasil pengamatan di layar. Ternyata akumulasi titik-titik di mana elektron mencapai layar tidak lagi menunjukkan pola interferensi, tetapi seperti pola yang dibentuk oleh pancaran partikel sebagaimana ditunjukkan pada gambar ke-2 di atas. These electrons are just messing with us. Atau sebaliknya? We are messing with them.

Realitas objektif?

Seolah-olah jika tidak ada detektor dipasang di celah, dalam perjalanannya mencapai layar, elektron “berwujud” gelombang. Detektor dilayar memaksanya “berubah wujud” menjadi partikel. Probabilitas lokasi partikel elektron ini berkaitan dengan kuadrat fungsi gelombang. Kuadrat fungsi gelombang di layar membentuk pola maksimum-minimum, akibatnya akumulasi titik-titik lokasi  elektron di layar mengikuti pola maksimum-minimum ini. Jika detektor dipasang di celah, upaya untuk mengetahui lintasan elektron telah mengganggu elektron dalam perjalanannya dan memaksanya untuk “berganti wujud” menjadi partikel lebih awal. Hilanglah pola interferensi di layar.

Di bawah ini akan dijelaskan bagaimana pandangan ini keliru.

Seumpama momentum elektron ketika mencapai layar dapat diukur dengan akurat. Dari informasi mengenai komponen momentum arah tegak lurus layar dan komponen momentum arah paralel layar, dapat diketahui dari celah mana elektron tersebut berasal.  Seumpama detektor-detektor yang dipasang di layar memiliki kemampuan ini maka tidak perlu lagi dipasang detektor di kedua celah untuk mengetahui lewat celah mana suatu elektron. Sayangnya detektor seperti ini (dapat mengetahui lokasi dan momentum elektron di layar dengan sangat akurat) mustahil. Ketika ketidakpastian pengukuran posisi diperkecil maka ketidakpastian pengukuran momentum membesar. Sebaliknya, ketika ketidakpastian pengukuran momentum diperkecil, ketidakpastian pengukuran posisi membesar. Ini adalah salah satu bentuk dari prinsip ketidakpastian Heisenberg.

Detektor yang di desain punya kemampuan mengetahui dari celah mana suatu elektron berasal punya ketidakpastian pengukuran posisi yang besar. Ketidakpastian posisi ini cukup besar sehingga pola interferensi di layar tidak dapat diamati.

Pilihan

Upaya mengamati elektron sebelum mencapai layar, dengan memasang detektor di celah, telah mengganggu elektron dalam perjalanannya. Untuk menghindari hal tersebut, pengamatan dapat di lakukan di layar saja. Dalam upaya mengamati elektron di layar ada dua pilihan. Pertama,  dapat dilakukan pengukuran posisi elektron, misalnya dengan memasang layar seperti disebutkan di atas. Kedua, dapat dilakukan pengukuran momentum untuk mengetahui elektron berasal dari celah yang mana. Penentuan elektron lewat celah yang mana dapat dilakukan misalnya dengan menggunakan beberapa lensa magnetik yang memfokuskan elektron yang berasal dari celah A ke detektor D­­­­­A dan elektron yang berasal dari celah B ke detektor DB. Pengamat dapat memilih salah satu saja metode pengamatan ini.

Dengan metode pertama diperoleh pola interferensi di layar. Dengan metode kedua dapat diketahui elektron berasal dari celah yang mana. Metode pengamatan pertama mengungkapkan sifat gelombang dari elektron selama perjalanannya dari sumber ke layar, metode kedua mengungkapkan sifat partikel dari elektron yang punya lintasan yang jelas, yaitu lewat celah A atau lewat celah B.

Menunda pilihan

Pengamat dapat menunda pilihan metode pengamatan. Setelah elektron melalui celah, tetapi sebelum elektron mencapai layar, pengamat dapat memilih untuk membiarkan elektron mencapai layar yang tersusun atas detektor-detektor berjejeran untuk menentukan posisi, atau pengamat dapat memilih untuk sesegera mungkin menyingkirkan layar tersebut. Di balik layar  telah terpasang peralatan berupa beberapa lensa magnetik yang memfokuskan elektron yang berasal dari celah A ke detektor D­­­­­A dan elektron yang berasal dari celah B ke detektor DB.

Seolah-olah elektron dapat meramal: Segera setelah meninggalkan sumber, suatu elektron memutuskan untuk berwujud gelombang, karena ia tahu di masa depan akan ada pengamatan pola interferensi. Atau, segera setelah meninggalkan sumber suatu elektron memutuskan berwujud partikel karena ia tahu di masa depan akan ada pengamatan untuk menentukan lintasannya.

Eksperimen pilihan tertunda ini menunjukkan bahwa pilihan metode pengamatan di masa kini mengungkapkan “wujud” elektron di masa lalu.

John Wheeler bahkan membayangkan versi kosmik dari eksperimen ini. Foton yang dipancarkan oleh sebuah quasar dalam perjalanannya dibelokkan oleh gravitasi suatu galaksi ke arah bumi. Suatu foton dapat mencapai bumi sebagai partikel yang melalui sisi kiri atau melalui sisi kanan galaksi, atau foton tersebut dapat mencapai bumi sebagai gelombang yang melalui semua sisi galaksi sekaligus. Foton-foton ini bisa saja dipancarkan oleh quasar yang jaraknya milyaran tahun cahaya dari bumi. Jadi, apakah pengamatan saat ini mengubah sejarah selama milayaran tahun?

(diambil dari sini)

Tentu saja kejadian masa kini tidak dapat mengubah masa lalu, karena yang lalu telah berlalu. Saya harap pembaca mulai mengerti bagaimana retrospeksi masa lalu di atas dapat dianalogikan dengan cerita Galih dan Ratna pada artikel sebelumnya.

Konsep masa lalu menurut mekanika kuantum berbeda dengan pemahaman klasik. Menurut pemahaman klasik, diamati ataupun tidak, kelereng punya lokasi dan momentum tertentu. Menurut pemahaman kuantum, sebelum pengukuran dilakukan, elektron tidak punya lokasi yang jelas, tidak punya momentum yang jelas, tidak punya “wujud” yang jelas: gelombang yang melalui dua celah sekaligus atau partikel yang melalui salah satu celah saja. Dalam alam kuantum, yaitu alam kita ini, ketidakpastian menjadi norma, beragam untaian realitas berpadu. Hanya jika dilakukan pengamatan dan bergantung dari bagaimana pengamatan dilakukan, dapat diketahui aspek tertentu dari realitas di masa lalu.

Referensi:

[1] Richard Feynman, Rober Leighton, and Matthew Sands,  The Feynman Lectures on Physics Vol. 3, 1989

[2] Brian Greene, The Fabric of the Cosmos: Space, Time and the Texture of Reality, 2004.

[3] Blog The Reference Frame, Delayed Choice Quantum Eraser.

[4] Robert B. Griffiths, Consistent Quantum Theory, 2003.

(Maaf kan aku yang sibuk sampai kehilangan nafsu ngeblog)

  1. Kang Zainul, apakah artinya realitas hanya ada kalau kita mengamati….kalau iya jadinya ‘weird’….realitas hanya sebuah ilusi..reality only projection from other dimension….

    • Intuisi dibentuk oleh pengalaman sehari-hari yang terbatas pada skala makroskopis yang menyembunyikan sifat-sifat kuantum. Makanya “weird”. Pernyataan-pernyataan berikutnya:
      “realitas hanya sebuah ilusi”
      “reality only projection from other dimension”
      I wouldn’t go that far. Saya tidak melihat ada hubungannya. Sebaiknya kita berhati-hati untuk tidak tergesa-gesa mengambil kesimpulan, apalagi kalau tidak ada acara untuk menguji kebenarannya.

  2. The Hidden Reality by Brian Greene, Chapter 9….The holographic multiverse….

  3. […] (*Kerumitan mekanika kuantum dan kaitannya dengan perjalanan waktu dapat dibaca juga di artikel sebelumnya misalnya tautan ini dan sequelnya*) […]

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: