Misteri Mekanik Kuantum

Mekanik Kuantum adalah asas kepada interaksi termasuk pergerakan (mekanik: momentum) zarah-zarah sub-atom di dalam *dunia (realm) kuantum. Zarah-zarah sub-atom ini termasuklah electron, proton, quark, meson, positron, foton (cahaya) dan sebagainya. Di dalam dunia makro (macroscopic world), mekanik kuantum tidak dirasai dengan begitu ketara kerana pergerakan objek besar (massive objects) seperti kereta, roket, kapal menggunakan mekanik Newton (Newtonian mechanics). Pergerakan (halaju, momentum, pecutan) kereta tidak memerlukan kesan kuantum (quantum effects) dalam perkiraan.

Kenapa mekanik kuantum diperlukan dalam kehidupan seharian? Ada apa dengan mekanik kuantum? Mekanik kuantum adalah sebuah teori yang sangat berjaya dalam menerangkan situasi yang berlaku dalam dunia elektronik terutamanya transistor. Setiap gajet elektronik (smartphone, iPad, tablet, TV) menggunakan transistor. Tanpa mekanik kuantum, alat-alat elektronik mungkin tidak wujud dan manusia akan kembali hidup ke zaman batu. Ehh… betul ke ni? Macam exaggerate je. Sebelum kita pergi kepada situasi kompleks dalam mekanik kuantum, mari kita lihat beberapa fenomena asas dalam mekanik kuantum yang mungkin dilihat sebagai misteri bagi orang awam.

1) Zarah kuantum (quantum particles) mampu menembusi dinding seperti hantu melalui quantum tunnelling. Anda tidak biasa melihat hantu menembusi dinding, bukan? Tetapi dalam dunia kuantum, perkara ini biasa saja berlaku walaupun kebarangkaliannya (probability of occurrence) adalah sangat kecil.

2) Zarah kuantum mampu berada dalam banyak tempat (superposition states) seperti ninja. Ah, sudah. Macam cerita Naruto saja bunyinya. Tetapi itulah pendapat paling popular (Copenhagen Interpretation) setakat ini walaupun ada juga pendapat yang lain seperti Many Worlds Interpretation). Dalam hal ini, superposition states seringkali dijadikan kuda tunggangan untuk pembinaan quantum computers yang mengunakan qubit (quantum bit).

3) Zarah kuantum mempunyai dual karakter (wave-particle duality) macam seorang manusia boleh ada dua gender, lelaki dan perempuan, bergantung kepada eksperimen yang dilakukan, zarah kuantum akan memperlihatkan karakternya yang sebenar.

4) Setiap zarah kuantum (quantum particles) mempunyai anti-zarah kuantum (anti-particles). Elektron mempunyai anti-elektron yang dinamakan positron. Mungkin juga dunia ini sebenarnya mempunyai anti-dunia??

Persoalan asas yang perlu ditanya, adakah fenomena ini hanya sekadar ilusi ahli fizik atau deskripsi matematik ahli matematik? Mekanik kuantum bukan ilusi, ia adalah realiti yang berlaku dalam dunia kuantum. Mekanik kuantum bergantung kepada persamaan matematik Schrodinger tetapi ia juga mempunyai sejarah dari penemuan-penemuan eksperimen seperti Stern-Gerlach experiment, double-slit experiment dan sebagainya.

Untuk fenomena (1), situasi seperti fotosintesis dan aktiviti enzim memerlukan quantum tunnelling untuk menjalankan proses tersebut. Pemindahan electron dari satu redox center ke redox center yang lain untuk proses cellular respiration adalah melalui quantum tunnelling. Dan saya fikir, situasi terpenting sekali yang menggunakan quantum tunnelling adalah penjanaan tenaga nuclear pada matahari yang memberikan cahaya ke bumi. Para saintis sebelum ini bingung bagaimana matahari mampu mengeluarkan, tetapi dengan proses quantum tunneling mereka akhirnya menemui jawapan tersebut.

Quantum superposition (fenomena (2)) adalah asas kepada pembinaan quantum computer. Komputer klasik sekarang menggunakan sistem binary di mana bit yang digunakan adalah 0 (switch off) atau 1 (switch on). Tetapi quantum bit (qubit) menggunakan superposition semua qubit yang terlibat seperti yang diterangkan dalam persamaan di bawah

|ψ> = α|0> + β|1>

di mana α dan β adalah kebarangkalian untuk state 0 dan state 1. Untuk mudah faham, bayangkan computer klasik hanya ada 2 jari sahaja untuk membuat perkiraan (tambah, tolak) tetapi quantum computer mempunyai 10 jari untuk membuat perkiraan. Tentulah quantum computer jauh lebih pantas dalam membuat perkiraan.

Fenomena (3) seringkali digunakan dalam spectroscopy seperti electron diffraction dan photoelectron spectroscopy. Albert Einstein menjelaskan kesan photoelektrik (photoelectric effect) dengan menganggap foton (cahaya) juga bertindak seperti zarah (bukan gelombang) melalui persamaan

E = KE + WF

Persamaan ini telah digunakan oleh ahli fizik dan ahli kimia dalam X-ray photoemission spectroscopy (XPS) untuk menentukan work function (WF) dan binding energy (BE) sesuatu bahan terutamanya metal dan semikonduktor. Bukan saja cahaya mampu bertindak seperti zarah, tetapi juga zarah mampu bertindak seperti gelombang. Fenomena ini membolehkan electron digunakan bagi menggantikan cahaya X-ray untuk eksperimen diffraction. Hasil daripada electron diffraction (ED) dan X-ray diffraction (XRD) adalah sama.

Paul Dirac telah menemukan persamaan Dirac (dengan menggabungkan mekanik kuantum dan teori relativity khusus Einstein) yang menjelaskan setiap electron mempunya anti-elektron. Tetapi Dirac tidak percaya kepada hasil penemuan beliau sendiri sehinggalah Carl Anderson menemukan anti-elektron dalam eksperimen dan menamakannya sebagai positron. Positron sekarang ini digunakan dalam Positron Emission Tomography (PET) untuk melihat proses metabolik di dalam badan dan sel tumor/kanser.

Mekanik kuantum ini masih lagi misteri bagi ahli fizik kerana sebahagian fenomena kuantum masih tidak sempurna penjelasannya seperti Copenhagen Interpretation, Double Slit Experiment dan Quantum Entanglement. Kesimpulannya, setakat ini mekanik kuantum adalah sebuah teori yang sangat berjaya menerangkan proses dan situasi yang berlaku dalam dunia kuantum dan mempunyai kesan dalam kehidupan kita seperti gajet elektronik, pengimejan sel tumor, quantum computer dan sebagainya. Tetapi misteri kuantum mekanik ini jauh lebih kompleks dari misteri nusantara. Jangan biarkan hidup anda di selubungi misteri, Belajarlah fizik !!!

One Reply to “Misteri Mekanik Kuantum”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.