Apa satu elektron bisa lewat dua celah sekaligus?
Kirim elektron lewat eksperimen interferensi satu per satu, dan titik tempat mereka mendarat membentuk pola gelombang. Setiap elektron tetap tiba sebagai satu titik. Gabungan ini menimbulkan pertanyaan: kenapa kita melihat satu hasil saat penjelasan kuantumnya mencakup beberapa?
Interpretasi many worlds menjawabnya dengan mempertahankan semua hasil yang diizinkan keadaan kuantumnya. Masing masing terjadi di cabang yang pengamatnya melihat satu hasil. Eksperimennya sendiri nggak memberi tahu apakah interpretasi ini benar.
Eksperimen celah ganda
Perbandingan: kirim gelombang air ke penghalang dengan dua bukaan. Di seberangnya, tiap bukaan memancarkan gelombang. Saat dua puncak bertemu, gelombangnya bertambah; saat puncak bertemu lembah, keduanya saling meniadakan. Hasilnya wilayah dengan gelombang kuat dan lemah yang berselang seling. Pola itu adalah interferensi. Cahaya yang melewati dua celah menghasilkan pola serupa berupa garis terang dan gelap di layar.
Thomas Young menunjukkan interferensi semacam ini dengan cahaya di tahun 1803, dengan membelah seberkas tipis sinar matahari pakai sebuah kartu yang sempit, dalam sebuah kuliah yang diterbitkan sebagai Experiments and Calculations relative to physical Optics. Gambar dengan dua celah itu berasal dari kumpulan kuliahnya yang terbit di tahun 1807. Cahaya bikin garis-garis, jadi cahaya berperilaku kayak gelombang.
Elektron juga bisa dikirim lewat eksperimen yang sama, satu per satu. Elektron itu partikel. Waktu menabrak layar, dia bikin satu titik kecil di satu tempat. Kalau elektron itu bola-bola mungil, masing-masing bakal lewat salah satu celah aja, dan kamu bakal dapat dua pita terang di layar, satu di belakang tiap celah.
Tahun 1989, Akira Tonomura dan timnya di Hitachi mengirim elektron lewat eksperimen interferensi satu per satu. Mereka memakai kawat tipis di antara dua pelat untuk membagi gelombang elektron menjadi dua jalur. Setiap elektron mendarat sebagai satu titik. Setelah ribuan titik terkumpul, terbentuk pola interferensi.
Pola itu membutuhkan kontribusi dari kedua jalur, meski cuma ada satu elektron di dalam alat pada satu waktu.
Saat detektor meninggalkan rekaman yang membedakan jalur mana yang diambil, interferensinya hilang. Tahun 1998, Stephan Durr, Tilman Nonn, dan Gerhard Rempe menunjukkan ini dengan atom. Alat mereka merekam jalurnya tanpa memberi dorongan mekanis besar pada atom. Rekamannya nggak perlu dibaca siapa pun agar interferensi hilang.
Superposisi dan fungsi gelombang
Fisika kuantum menjelaskan elektron lewat fungsi gelombang. Fungsi ini memberi amplitudo untuk setiap posisi yang mungkin. Amplitudo punya besar dan fase, yang menunjukkan posisinya dalam siklus gelombang. Fase menentukan gimana kontribusi dari jalur berbeda saling menambah atau meniadakan.
Sebelum menabrak layar, fungsi gelombang elektron itu lewat kedua celah. Elektron itu ada dalam superposisi: gabungan dari "lewat celah kiri" dan "lewat celah kanan" di waktu yang sama. Dua bagian itu saling berinterferensi, dan itu yang menghasilkan garis-garisnya.
Ada dua aturan yang ngasih tahu kamu harus diapain fungsi gelombang itu.
Yang pertama adalah persamaan Schrodinger, yang diterbitkan Erwin Schrodinger di tahun 1926 dalam Quantisierung als Eigenwertproblem. Persamaan ini ngasih tahu gimana fungsi gelombang berubah seiring waktu. Sifatnya mulus dan pasti: kalau kamu tahu fungsi gelombangnya sekarang, persamaan ini ngasih tahu bakal jadi apa nanti, tanpa keacakan sama sekali.
Yang kedua adalah aturan Born, yang diusulkan Max Born di tahun yang sama. Aturan ini ngasih tahu probabilitas setiap hasil waktu kamu mengukur: ambil besarnya angka yang menempel di hasil itu, lalu kuadratkan. Born berbagi Nobel Fisika tahun 1954, "especially for his statistical interpretation of the wavefunction".
Aturan ini memprediksi probabilitas yang diamati. Yang masih terbuka adalah gimana pengukuran menghasilkan satu hasil yang dicatat pengamat.
Masalah pengukuran
Terapkan persamaan Schrodinger pada elektron dalam superposisi sekaligus detektornya. Interaksi itu menghubungkan tiap kemungkinan hasil elektron dengan keadaan detektor yang sesuai. Persamaannya nggak memilih satu rekaman lalu membuang sisanya.
Tapi detektor mencatat satu titik pada satu posisi.
Buku teks pengantar biasanya menambahkan kolaps, yang sering dikaitkan dengan interpretasi Kopenhagen. Saat pengukuran, fungsi gelombang berubah menjadi keadaan yang sesuai dengan satu hasil, dengan probabilitas menurut aturan Born.
Jawaban itu berhasil dalam praktik. Jawaban itu juga memunculkan pertanyaan yang belum pernah dijawab dengan cara yang memuaskan semua orang: apa yang dihitung sebagai pengukuran? Detektor terbuat dari atom, dan atom mengikuti fisika kuantum. Jadi kenapa detektor bisa bikin sesuatu kolaps sementara satu atom aja nggak, dan di mana garis di antara keduanya? Fisikawan menyebut ini masalah pengukuran.
Tahun 1935, Schrodinger menggambarkan masalahnya lewat eksperimen pikiran dalam Die gegenwaertige Situation in der Quantenmechanik. Seekor kucing berada dalam kotak tertutup bersama atom radioaktif, detektor, dan racun yang dilepas kalau atomnya meluruh. Kalau evolusi kuantum diterapkan pada seluruh kotak, penjelasannya memuat atom yang meluruh bersama kucing mati dan atom yang belum meluruh bersama kucing hidup. Masalahnya udah ada sebelum siapa pun membuka tutupnya.
Schrodinger memakai kucing itu untuk mempertanyakan hubungan penjelasan kuantum dengan benda sehari hari yang diamati dalam keadaan tertentu.
Many worlds dari Everett
Di tahun 1957, seorang mahasiswa pascasarjana Princeton bernama Hugh Everett III mengusulkan jawaban yang radikal. Pembimbingnya adalah John Wheeler. Paper-nya berjudul "Relative State" Formulation of Quantum Mechanics, terbit di bulan Juli 1957.
Idenya adalah membuang aturan kolaps. Pertahankan cuma persamaan Schrodinger, lalu terapkan ke segalanya: elektronnya, detektornya, kucingnya, dan orang yang membuka kotaknya.
Atom itu ada dalam superposisi meluruh dan nggak meluruh. Detektornya berinteraksi dengan atom itu, jadi detektornya berakhir dalam superposisi "berbunyi klik" dan "nggak berbunyi klik". Kucingnya berakhir dalam superposisi mati dan hidup. Kamu membuka kotaknya, dan kamu juga berakhir dalam superposisi: satu versi kamu yang melihat kucing mati, dan satu lagi yang melihat kucing hidup.
Setiap versi mencatat satu hasil dan mengingatnya secara konsisten. Dalam interpretasi ini, fungsi gelombang lengkap memuat kedua versi. Sebuah cabang adalah salah satu sejarah yang dihasilkan, berisi kucing, detektor, dan pengamat dengan rekaman yang sesuai.
Everett menyebut ini formulasi "relative state". Di tahun 1970, fisikawan Bryce DeWitt menulis Quantum mechanics and reality di Physics Today. Dia menggambarkan teori ini sebagai dunia-dunia yang terbelah secara fisik, dan gambaran itu, bersama namanya, jadi cara paling populer untuk memahaminya: interpretasi many worlds.
Everett meninggalkan fisika akademis setelah PhD dan bekerja untuk Pentagon. Kisah hidupnya yang ditulis Peter Byrne menjelaskan betapa sedikit pengakuan yang diterima usulannya pada awalnya.
Kenapa kita nggak menyadari cabang-cabangnya
Dekoherensi menjelaskan kenapa rekaman yang berbeda praktis berhenti saling berinterferensi. H. Dieter Zeh menjelaskannya pada 1970 dalam On the interpretation of measurement in quantum theory. Wojciech Zurek kemudian mengulas hubungannya dengan perilaku benda sehari hari dalam Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical.
Elektron yang terisolasi bisa mempertahankan interferensi antara kedua jalurnya. Kucing terus berinteraksi dengan molekul udara dan cahaya. Informasi tentang keadaannya menyebar ke sekeliling, menghubungkan bagian superposisi yang berbeda dengan keadaan lingkungan yang berbeda.
Memulihkan interferensi bakal memerlukan pembalikan perubahan di lingkungan sekaligus di dalam kucing. Untuk benda sehari hari, informasi itu menyebar terlalu cepat dan luas untuk kita kendalikan. Secara praktis, catatan yang berbeda itu lalu berlaku sebagai riwayat yang terpisah.
Di tahun 1996, kelompok Serge Haroche di Paris mengamatinya terjadi selangkah demi selangkah, dalam Observing the progressive decoherence of the meter in a quantum measurement. Haroche berbagi Nobel Fisika 2012 dengan David Wineland "for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems".
Fisikawan pakai dekoherensi apa pun interpretasi yang mereka pilih. Dekoherensi menjelaskan kenapa benda besar kelihatan klasik. Yang nggak dijelaskannya, kalau berdiri sendiri, adalah kenapa kamu melihat satu hasil. Di gambaran Kopenhagen, kamu tetap butuh kolaps untuk itu. Di gambaran many worlds, kamu nggak butuh: setiap cabang melihat hasilnya sendiri, dan dekoherensi adalah alasan cabang-cabang itu berhenti saling memengaruhi.
Branch di Git
Perbandingan: Git adalah alat untuk menyimpan versi software. Dua branch punya history yang sama, lalu mengumpulkan perubahan berbeda. Ini mirip dengan sejarah terpisah dalam many worlds. Git juga bisa menggabungkan branch; menyatukan kembali sejarah kuantum seekor kucing membutuhkan kendali atas lingkungan yang merekamnya.
Evolusi kuantum bisa dibalik, dan eksperimen bisa memulihkan interferensi pada sistem yang terkendali. Lingkungan seekor kucing merekam begitu banyak informasi sehingga membalik proses itu berada di luar kendali praktis kita.
Aku ngerjain sistem pembayaran, tempat sebuah transfer harus terjadi tepat sekali. Many worlds nggak bakal mengubah syarat itu buat orang yang memakai sistemnya. Setiap cabang tetap harus menyeimbangkan pembukuannya sendiri.
Masalah probabilitas
Mempertahankan setiap hasil yang diizinkan menimbulkan masalah tentang probabilitas.
Di gambaran Kopenhagen, aturan Born ngasih probabilitas. Kalau sebuah pengukuran punya peluang 70 persen untuk satu hasil dan peluang 30 persen untuk hasil lainnya, kamu bakal melihat hasil pertama di sekitar 70 persen pengukuran.
Di many worlds, kedua hasil selalu terjadi. Jadi "70 persen" itu sebenarnya artinya apa, kalau kedua cabang sama-sama ada?
Para pembela many worlds punya beberapa jawaban. David Deutsch, dalam Quantum theory of probability and decisions di tahun 1999, dan David Wallace, dalam bukunya tahun 2012, The Emergent Multiverse, berargumen bahwa orang rasional yang tahu dirinya bakal bercabang harus mengambil keputusan seolah-olah aturan Born memberikan probabilitas. Charles Sebens dan Sean Carroll berargumen dalam Self-locating uncertainty and the origin of probability in Everettian quantum mechanics bahwa setelah percabangan, tapi sebelum kamu melihat, kamu nggak tahu pasti kamu lagi ada di cabang yang mana, dan ketidakpastian itu mengikuti aturan Born.
Perdebatannya menyangkut apakah argumen itu menurunkan aturan Born atau bergantung pada asumsi yang udah memuatnya. Kecocokan dengan eksperimen kuantum aja nggak menyelesaikan pertanyaan itu.
Apa alam semesta terbelah waktu aku bikin pilihan?
Gambaran umum soal many worlds kira-kira begini: kamu memutuskan antara dua pekerjaan, dan alam semesta terbelah, satu cabang untuk masing-masing pekerjaan yang kamu ambil.
Dalam many worlds, percabangan mengikuti interaksi fisik yang menyebarkan informasi kuantum ke lingkungan. Keputusan sadar nggak punya peran khusus untuk memulainya. Dalam perhitungan proses otak tahun 2000, Max Tegmark memperkirakan waktu dekoherensi 10−13 sampai 10−20 detik, dibanding aktivitas neuron pada 0,001 sampai 0,1 detik. Dia berargumen bahwa proses yang ditelitinya bisa diperlakukan secara klasik. Perhitungan itu nggak menentukan probabilitas pekerjaan yang mungkin dipilih seseorang.
Peluruhan radioaktif atau peristiwa kuantum kecil lainnya bisa punya akibat yang lebih besar seiring waktu. Dalam many worlds, sejarah berbeda yang dihasilkan bisa mencakup kehidupan berbeda. Sejarah yang tersedia bergantung pada keadaan kuantum dan evolusinya; teori ini nggak membuat setiap kehidupan yang bisa dibayangkan jadi mungkin.
Gimana dengan Days of Future Past?
Di Days of Future Past, masa depan ditulis ulang. Satu timeline menggantikan timeline lain, dan yang lama berhenti ada.
Many worlds mempertahankan hasil berbeda yang udah terekam. Interpretasi ini nggak menyediakan cara untuk mengirim Wolverine ke masa lalu, menghapus sejarah, atau mengunjungi versi lain dirinya. Perjalanan waktu di film itu membutuhkan asumsi di luar interpretasinya.
Berapa banyak fisikawan yang percaya?
Dua survei menemukan perbedaan pendapat yang besar tentang cara menafsirkan fisika kuantum.
Di bulan Juli 2011, Maximilian Schlosshauer, Johannes Kofler, dan Anton Zeilinger bertanya ke 33 peserta sebuah konferensi soal fondasi kuantum di Austria, interpretasi mana yang mereka pilih. Dalam A snapshot of foundational attitudes toward quantum mechanics, mereka melaporkan 42 persen untuk Kopenhagen dan 18 persen untuk many worlds Everett.
Di tahun 2025, untuk peringatan seratus tahun mekanika kuantum, Nature mengirim email ke lebih dari 15.000 peneliti dan dapat lebih dari 1.100 jawaban. Menurut laporannya, yang dimuat ulang di Scientific American, 36 persen memilih Kopenhagen dan 15 persen memilih many worlds. Cuma sekitar seperempat responden yang yakin interpretasi favorit mereka benar.
Survei ini mengambil jawaban dari kelompok responden tertentu. Persentasenya menggambarkan pilihan mereka; angka itu nggak mengukur benar atau salahnya sebuah interpretasi.
Pendapatku
Daya tarik many worlds adalah penerapan evolusi kuantum pada pengamat sekaligus benda yang diamati. Dengan begitu, interpretasi ini nggak perlu menentukan proses kolaps yang terpisah.
Masalah probabilitas adalah bagian yang belum bisa aku selesaikan. Aku tetap merasa semesta paralel itu ada, dan penerapan aturan kuantum yang sama pada benda besar maupun kecil adalah salah satu alasanku menganggap serius many worlds.
Memuat komentar...