103 Tahun Drama Kuantum

KOMPAS, 13 Agustus 2003
Oleh: Agus Purwanto*)

Tahun 1871 panggung ilmu pengetahuan menampilkan kuliah inaugurasi
James Clerk Maxwell di universitas Cambridge. Maxwell menyatakan
optimismenya bahwa dalam waktu dekat semua konstanta fisika akan
terestimasi. Optimisme ini mewakili pandangan mayoritas ilmuwan saat
itu. Alasannya, mekanika klasik dan elektrodinamika telah memicu
revolusi industri, dan persamaan mendasarnya dipandang mampu
menggambarkan semua fenomena fisis. Para ilmuwan yakin bahwa the
ultimate theory telah didapatkan.

Tetapi panggung ilmu dan keyakinan di atas digoyang oleh elemen panas
kompor yang memberikan fenomena pancaran atau radiasi benda hitam.
Perhitungan ahli fisika menghasilkan bencana ultra ungu, lantaran radiasi
ultraviolet dan sinar-x akan membutakan mata yang melihat elemen
tersebut. Tetapi prediksi klasik atas spektrum radiasi tersebut tidak benar
sebab kenyataannya tidak demikian.

Tahun 1900 Max Planck menulis makalah mengenai persamaan spektrum
radiasi di atas. Perumusannya mengandung asumsi yang aneh: energi yang
terpancar hanya dapat berada dalam bongkahan dan bernilai tertentu.
Energi terpaket inilah yang disebut kuanta atau jamaknya kuantum.
Keanehannya, di dalam teori elektrodinamika klasik cahaya bisa
mempunyai spektrum (energi) kontinyu yakni frekwensi atau energi berapa
saja.

Asumsi aneh ini kemudian terbukti berhasil. Pada 1905 Einstein
menggunakan ide ini satu langkah lebih jauh. Dengan asumsi bahwa
radiasi hanya dapat menghantar energi dalam paket-paket dan disebut
foton, Einstein menjelaskan efek fotolistrik yang terkait dengan proses
dalam sel surya dan sensor citra dalam kamera digital. Secara sederhana
efek ini menyatakan bahwa seberkas cahaya meski dengan intensitas kecil
yang dipancarkan pada pelat tipis mampu menghasilkan arus listrik.

Sebaliknya, cahaya tertentu lainnya yang dikenakan pada pelat yang sama
tidak mampu menghasilkan arus listrik meski intensitasnya sangat besar.
Keberhasilan gagasan Planck ini menandai babak baru fisika yang disebut
fisika kuantum.

Kesulitan besar lain terjadi tahun 1911. Menurut Ernest Rutherford, atom
terdiri dari elektron-elektron yang mengitari inti bermuatan positip seperti
sistem tata surya. Di sisi lain, elektrodinamika klasik menyebutkan bahwa
elektron yang mengitari inti akan memancarkan energinya secara kontinu
dan akan bergerak spiral menuju inti dalam waktu sepertrilyun detik.
Namun hidrogen diketahui dalam keadaan stabil. Penyimpangan ini
merupakan kegagalan kuantitatif paling buruk dalam sejarah fisika karena
memberi underprediksi atas waktu hidup hidrogen sampai 40 orde!

Pada tahun 1913 Niels Bohr asal Denmark yang datang ke Universitas
Manchester Inggris untuk bekerja dengan Rutherford berhasil menjelaskan
fenomena atom hidrogen. Bohr juga menggunakan ide kuanta dan
mempostulatkan bahwa elektron hanya dapat mempunyai momentum
sudut tertentu dan terkurung dalam orbit tertentu pula. Elektron hanya
memancarkan energi jika melompat ke orbit lebih rendah. Karena elektron
dalam lintasan terdalam tidak mempunyai orbit lebih rendah maka
elektron membentuk atom stabil. Teori Bohr juga mampu menjelaskan
banyak spektrum garis hidrogen, dan atom helium.

Setelah kembali ke Copenhagen, Bohr menerima surat dari Rutherford
yang meminta Bohr mempublikasikan teorinya. Bohr kurang percaya diri
dan membalas surat tersebut sambil menyebutkan bahwa tidak akan ada
orang yang percaya kecuali ia dapat menjelaskan spektrum semua atom.
Rutherford pun membalas: “Bohr, kamu telah menerangkan hidrogen dan
helium, selebihnya orang akan percaya sisanya”.

Ide kuanta sukses secara gemilang namun asumsinya tampak sebagai
kaidah ad hoc, tanpa prinsip yang menuntunnya. Tahun 1923 Louis de
Broglie di dalam disertasinya mengajukan hipotesis: elektron dan partikel
lainnya berperilaku seperti gelombang berdiri. Gelombang tersebut, seperti
getaran tali gitar, dapat terjadi hanya dengan frekwesi tertentu. Ide yang
juga tampak tak wajar sampai dewan penguji keluar ruangan untuk
berdiskusi terlebih dulu. Einstein ketika diminta pandangannya memberi
opini yang mendukung, dan tesis tersebut diterima.

Pada 1925 Erwin Schrodinger setelah memberi kuliah mengenai pekerjaan
de Broglie di Zurich merumuskan persamaan gelombang bagi gejala
kuantum di atas. Persamaan tersebut menjadi kunci utama fisika modern.
Perumusan ekivalen dalam bentuk matriks diperoleh oleh Werner
Heisenberg pada saat yang hampir bersamaan. Dengan landasan
matematis yang kokoh ini teori kuantum membuat kemajuan yang
mencengangkan. Dalam waktu singkat para fisikawan berhasil
menjelaskan sejumlah pengukuran termasuk spektrum dari atom kompleks
dan sifat-sifat reaksi kimia.

Tahun 1926 Max Born menafsirkan fungsi gelombang dalam suku
probabilitas. Ketika seseorang melakukan pengukuran lokasi elektron,
probabilitas mendapatkannya di setiap posisi bergantung pada fungsi
gelombang di sana. Interpretasi ini mengusulkan bahwa keacakan
merupakan karakteristik atau sifat fundamental alam. Tahun 1927
Heisenberg merumuskan keacakan ini secara matematis dan dikenal
dengan prinsip ketidakpastian. Prinsip ini mengatakan bahwa kuantitas
fisis akan muncul berpasangan misalnya momentum-posisi dan tidak dapat
diketahui secara tepat dalam waktu bersamaan.

Einstein sangat tidak senang dengan keacakan tersebut dan membuat
pernyataan, ”Aku tidak dapat mempercayai bahwa Tuhan sedang bermain
dadu”. Schrodinger juga demikian, dia bahkan mengajukan teka-teki yang
sulit dijelaskan bahkan sampai saat ini. Bila obyek mikrokospik seperti
atom dapat sebagai superposisi (jumlah) kedaan berbeda maka demikian
pula obyek makro karena ia terbuat dari atom-atom. Sebagai ilustrasi, ia
mengajukan gedanken eksperiment kotak berisi atom radioaktif dan seekor
kucing yang akan mati jika atom radioaktif meluruh. Karena atom
radioaktif merupakan jumlah dari keadaan meluruh dan tidak meluruh
maka akan menghasilkan kucing dalam dua keadaan yaitu mati dan hidup
dalam waktu sama! Inilah paradoks kucing Schrodinger, salah satu isu
klasik di dalam metafisika kuantum.

Di tengah perdebatan mengenai kuantum dan interpretasinya, PAM Dirac
mengemukakan teori kuantum relativistik untuk elektron. Teori yang
merupakan perkawinan dua konsep fisika nonklasik relativitas khusus dan
kuantum ini memprediksi partikel baru kembaran elektron yang disebut
positron. Dikatakan kembaran lantaran massa dan spin partikel ini sama
dengan elektron tetapi muatan listriknya berlawanan.

Prediksi yang sempat mengundang cemooh ini akhirnya terbukti benar
ketika C. D. Anderson pada 1932 menemukan partikel tersebut. Penemuan
ini kemudian mengilhami gagasan pasangan pertikel-antipartikel atau
materi-antimateri; yakni setiap partikel di alam semesta mempunyai
antipartikelnya. Bila materi bertemu antimateri keduanya akan musnah
dan berubah menjadi foton. Astronot Neil Amstrong kembali ke bumi tanpa
bagian tubuh yang hilang merupakan indikasi bahwa bulan pun didominasi
materi ketimbang antimateri. Kenyataan bahwa jumlah materi lebih
banyak dari antimaterinya melahirkan konsep baryogenesis, kelahiran
asimetri partikel-antipartikel dari jagad raya awal simetrik.

Episode demi episode drama kuantum berlangsung kian menarik dan seru.
Fenomena kuantum superfluida ditemukan tahun 1938. Tujuh tahun
kemudian, dunia dikejutkan oleh hasil proyek kuantum yakni bom atom
yang meluluhlantakkan Nagasaki dan Hiroshima Jepang. Tahun 1947
transistor ditemukan, 1948 teori elektrodinamika kuantum dirumuskan.
Teori medan gauge non-komut yang membuka jalan bagi pengejaran impian
Einstein berupa penyatuan (unifikasi) empat gaya fundamental alam
semesta dirumuskan tahun 1954.

Laser yang mempunyai aplikasi luas ditemukan tahun1960. Tiga belas
tahun kemudian scan resonan magnetik hadir di dunia praktis, sedang
dunia teori kehadiran teori elektrolemah. 1975 partikel tau, anggota
keluarga partikel dalam teori elektrolemah ditemukan, sedangkan
pembawa interaksinya yakni partikel W ditemukan tahun 1983. Bahan
penghantar listrik tanpa resistensi yang disebut superkonduktor pertama
kali diamati tahun 1911. Fenomena ini terjadi pada temperatur mendekati
nol Kelvin, fenomena sama tetapi pada temperatur tinggi diamati tahun
1987.

Tahun 1993 lahir teori teleportasi kuantum, pengiriman materi yang
dibawa dalam bentuk gelombangnya dari satu tempat ke lain tempat dalam
sekejap. Gagasan yang telah banyak dimanfaatkan oleh insan film.
Quantum Leap adalah contoh film seri dengan ide kuantum yang pernah
ditayangkan di layar kaca kita sepuluh tahun lalu. Tahun 1995 quark top
terdeteksi, dan 1998 neutrino bermassa dikukuhkan di lab Super-
Kamiokande Jepang. Komputasi kuantum merupakan bidang baru yang
juga sedang semarak.

Saat ini diestimasi sekitar 30% GNP AS didasarkan pada temuan dari
mekanika kuantum, sejak semikonduktor di dalam chip komputer sampai
laser dalam cd player, pencitraan resonan magnetik di rumah sakit dan
banyak lagi lainnya. Ketika masih menjadi presiden, Bill Clinton
mencanangkan proyek rekayasa skala nano yakni rekayasa material dalam
skala atomik sebagai proyek utama AS sampai tahun 2020.
Jepang melakukan langkah serupa dan membutuhkan banyak orang untuk
dilibatkan di dalamnya. Sekedar contoh, lab material di jurusan teknik
kimia universitas Hiroshima membutuhkan mahasiswa dengan latar
belakang mekanika kuantum yang kuat. Salah seorang asisten profesornya
yang berasal dari Indonesia bolak balik ke luar Jepang termasuk Indonesia
dan Cina untuk mencari mahasiswa dengan spesifikasi di atas. Kita
seharusnya mengirim orang-orang terbaik sebagai tenaga kerja ilmiah
(TKI) ke sana.

Biarkan mereka bekerja dan besar di luar sampai jelas karya dan
reputasinya sebagai ilmuwan. Langkah yang telah dilakukan oleh Cina,
Korea dan Taiwan. Selain memperoleh income kita juga mencetak tenaga
ahli tanpa mengeluarkan dana sepeser pun. Kita tidak perlu merasa bakal
kehilangan orang-orang terbaik. Jujur saja, sampai saat ini negeri kita
masih menjadi kuburan masal bagi (calon) ilmuwan.

*) Pekerja di LaFTiFA (Lab Fisika Teori dan Filsafat Alam) ITS.