Apa itu fisika kuantum? Sederhananya, fisikalah yang menjelaskan bagaimana segala sesuatu bekerja dan deskripsi terbaik yang kita miliki tentang sifat partikel yang membentuk materi dan gaya yang berinteraksi.

Fisika kuantum mendasari cara kerja atom, dan mengapa kimia dan biologi bekerja seperti itu. Anda, saya, dan gerbang – setidaknya pada tingkat tertentu, kita semua "menari" mengikuti irama kuantum. Jika ingin menjelaskan bagaimana elektron bergerak melalui chip komputer, bagaimana foton cahaya diubah menjadi arus listrik di panel surya atau memperkuat diri mereka sendiri dalam laser, atau bahkan bagaimana matahari terus menyala, Anda harus menggunakan fisika kuantum. .

Kesulitan bagi fisikawan,dimulai di sini. Untuk memulainya, tidak ada teori kuantum tunggal. Ada mekanika kuantum, kerangka matematika dasar yang menopang semuanya, yang pertama kali dikembangkan pada 1920-an oleh Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, dan lainnya. Ini mencirikan hal-hal sederhana seperti bagaimana posisi atau momentum dari satu partikel atau sekelompok beberapa partikel berubah dari waktu ke waktu.

Tetapi untuk memahami bagaimana segala sesuatu bekerja di dunia nyata, mekanika kuantum harus dikombinasikan dengan elemen fisika lainnya – pada prinsipnya, teori relativitas khusus Albert Einstein, yang menjelaskan apa yang terjadi ketika benda bergerak sangat cepat – untuk menciptakan apa yang dikenal sebagai teori medan kuantum. .

Tiga teori medan kuantum yang berbeda berhubungan dengan tiga dari empat gaya fundamental yang dengannya materi berinteraksi: elektromagnetisme, yang menjelaskan bagaimana atom-atom tetap bersatu; gaya nuklir kuat, yang menjelaskan stabilitas inti di jantung atom; dan gaya nuklir lemah, yang menjelaskan mengapa beberapa atom mengalami peluruhan radioaktif.

Selama lima dekade terakhir, ketiga teori ini telah disatukan dalam koalisi bobrok yang dikenal sebagai "model standar" fisika partikel. Untuk semua kesan bahwa model ini sedikit disatukan dengan selotip, ini adalah gambaran kerja dasar materi yang paling akurat yang pernah dibuat. Kemuliaan puncaknya datang pada tahun 2012 dengan ditemukannya Higgs boson, partikel yang memberikan semua partikel fundamental lainnya massa mereka, yang keberadaannya diprediksi berdasarkan teori medan kuantum sejak tahun 1964.

Teori medan kuantum konvensional bekerja dengan baik dalam menggambarkan hasil eksperimen pada penghancur partikel berenergi tinggi seperti Large Hadron Collider CERN, tempat Higgs ditemukan, yang menyelidiki materi pada skala terkecilnya. Tetapi jika Anda ingin memahami bagaimana segala sesuatu bekerja dalam banyak situasi yang tidak terlalu esoteris – bagaimana elektron bergerak atau tidak bergerak melalui bahan padat dan dengan demikian membuat bahan menjadi logam, isolator atau semikonduktor, misalnya – hal-hal menjadi lebih kompleks.

Miliaran demi miliaran interaksi di lingkungan yang penuh sesak ini membutuhkan pengembangan "teori medan efektif" yang menutupi beberapa detail mengerikan. Kesulitan dalam membangun teori semacam itu adalah mengapa banyak pertanyaan penting dalam fisika keadaan padat tetap tidak terpecahkan - misalnya mengapa pada suhu rendah beberapa bahan adalah superkonduktor yang memungkinkan arus tanpa hambatan listrik, dan mengapa trik ini tidak dapat bekerja pada suhu kamar. .

Namun di balik semua masalah praktis ini terdapat misteri kuantum yang sangat besar. Pada tingkat dasar, fisika kuantum memprediksi hal-hal yang sangat aneh tentang cara kerja materi yang sepenuhnya bertentangan dengan cara kerja segala sesuatu di dunia nyata. Partikel kuantum dapat berperilaku seperti partikel, terletak di satu tempat; atau mereka dapat bertindak seperti gelombang, tersebar di seluruh ruang atau di beberapa tempat sekaligus. Bagaimana mereka muncul tampaknya bergantung pada bagaimana kita memilih untuk mengukurnya, dan sebelum kita mengukurnya tampaknya tidak memiliki sifat yang pasti sama sekali – membawa kita ke teka-teki mendasar tentang sifat realitas dasar.

Ketidakjelasan ini mengarah pada paradoks yang nyata seperti kucing Schrödinger, di mana berkat proses kuantum yang tidak pasti, seekor kucing dibiarkan mati dan hidup pada saat yang bersamaan. Tapi itu tidak semua. Partikel kuantum juga tampaknya dapat mempengaruhi satu sama lain secara instan bahkan ketika mereka berjauhan satu sama lain. Fenomena yang benar-benar membingungkan ini dikenal sebagai keterjeratan, atau, dalam frasa yang diciptakan oleh Einstein (pengkritik hebat teori kuantum), "aksi seram di kejauhan". Kekuatan kuantum seperti itu benar-benar asing bagi kita, namun merupakan dasar dari teknologi baru seperti kriptografi kuantum yang sangat aman dan komputasi kuantum yang sangat kuat.

Tapi apa arti semua itu, tidak ada yang tahu. Beberapa orang berpikir kita harus menerima bahwa fisika kuantum menjelaskan dunia material dalam istilah yang menurut kita mustahil untuk disejajarkan dengan pengalaman kita di dunia "klasik" yang lebih besar. Yang lain berpikir pasti ada teori yang lebih baik dan lebih intuitif di luar sana yang belum kita temukan.

Dalam semua ini, ada yang mudah untuk diterangkan. Sebagai permulaan, ada kekuatan fundamental keempat alam yang sejauh ini tidak dapat dijelaskan oleh teori kuantum. Gravitasi tetap menjadi wilayah teori relativitas umum Einstein, teori non-kuantum tegas yang bahkan tidak melibatkan partikel. Upaya intensif selama beberapa dekade untuk membawa gravitasi di bawah payung kuantum dan menjelaskan semua fisika dasar dalam satu "teori segalanya" tidak membuahkan hasil.

Sementara itu, pengukuran kosmologis menunjukkan bahwa lebih dari 95 persen alam semesta terdiri dari materi gelap dan energi gelap, bahan-bahan yang saat ini tidak dapat kami jelaskan dalam model standar, dan teka-teki seperti sejauh mana peran fisika kuantum dalam kerja berantakan hidup tetap tidak bisa dijelaskan. Dunia berada pada tingkat kuantum tertentu – tetapi apakah fisika kuantum adalah kata terakhir tentang dunia tetap menjadi pertanyaan terbuka.

Disadur dari tulisan Richard Webb