Pernahkah Anda dibingungkan oleh ide-ide aneh dalam fisika kuantum?
Pertama, jangan panik. Kamu tidak sendirian. Sama seperti fisikawan Amerika legendaris Richard. Feynman berkata: "Saya dapat dengan berani mengatakan bahwa tidak ada yang memahami teori kuantum."
Namun, untuk menggambarkan dunia ini, teori kuantum memang sangat diperlukan.
Pada artikel ini, kami akan memecah ide-ide teori kuantum satu per satu agar semua orang bisa mengerti
Apa itu teori kuantum?
Setelah ribuan tahun kontroversi, akhirnya kita tahu bahwa materi pada akhirnya terdiri dari partikel mikroskopis seperti elektron dan quark. Orang-orang kecil ini disatukan seperti batu bata Lego untuk membentuk atom dan molekul, dan atom serta molekul adalah "batu bata Lego" dari dunia makro.
Untuk menggambarkan bagaimana dunia mikroskopis bekerja, para ilmuwan telah mengembangkan teori yang disebut mekanika kuantum. Meskipun prediksi yang dibuat oleh teori ini sangat aneh (misalnya, partikel dapat muncul di dua tempat pada waktu yang sama), saat ini teori ini paling akurat dalam fisika dan telah bertahan dalam pengujian ketat selama 100 tahun terakhir. Tanpa teori kuantum, banyak teknologi di sekitar kita, termasuk chip di komputer dan smartphone, tidak terbayangkan.
Teori kuantum itu aneh, tetapi kebenarannya tidak diragukan lagi. Yang diperdebatkan para ilmuwan hanyalah bagaimana menjelaskannya.
Apa artinya "kuantum"?
Misalkan ibumu memberitahu Anda: Taruh toples saus pedas ini di loker dapur. Lokernya berlapis. Anda dapat memilih untuk meletakkannya di lapisan ini atau lapisan itu, tetapi Anda tidak dapat meletakkan saus pedas di antara dua lapisan yang berdekatan, seperti 2.5 lapisan. Karena itu tidak masuk akal.
Dalam istilah fisika, loker Anda "terkuantisasi" dan hanya dapat dibagi menjadi satu, dua, dan tiga lantai terpisah ... Tidak mungkin untuk membagi lagi menjadi lantai 0,6, 1,5, dan 2,8. , 3.45 lapisan ...
Di dunia kuantum, semuanya juga dikuantisasi. Misalnya, elektron dalam atom hanya dapat tinggal di lapisan energi diskrit (disebut tingkat energi). Seperti lemari penyimpanan di dapur Anda, tidak ada tempat untuk itu di antara dua tingkat energi yang berdekatan.
Tapi perilaku kuantum sangat aneh. Jika Anda memberikan energi ke elektron yang tinggal di lapisan bawah, ia akan melompat ke lapisan yang lebih tinggi. Ini disebut lompatan kuantum. Namun demikian, energi yang Anda berikan harus tepat, yaitu persis sama dengan perbedaan energi antara kedua lapisan tersebut, jika tidak maka energi tersebut akan "memainkan temperamennya" dan menolaknya.
Bayangkan ada "sepak bola kuantum" di bawah kaki Anda. Ada beberapa alur pendek dan jauh yang berjarak 10 meter dari Anda, yang setara dengan tingkat energi. Kebanyakan orang akan berpikir bahwa jika gaya yang digunakan terlalu kecil, meskipun bola tidak bisa terbang, tetapi gaya yang digunakan terlalu besar, selalu oke untuk membuat bola terbang? Namun nyatanya tidak. Hanya ketika Anda memainkan "sepak bola kuantum" dengan sedikit atau tanpa kekuatan cukup untuk membuatnya jatuh ke dalam parit ini atau itu, ia akan mengaum, jika tidak, ia akan tetap berada di tempat yang Anda inginkan. . Bukankah itu aneh?
Ada analogi lain. Jika Anda mengemudikan "mobil kuantum", Anda hanya dapat melaju dengan kecepatan 5 km / jam, 20 km / jam, atau 80 km / jam, dan kecepatan di antara keduanya tidak diperbolehkan. Saat memindahkan gigi, Anda tiba-tiba melompat dari 5 km / jam menjadi 20 km / jam. Perubahan kecepatan terjadi secara instan, dan Anda hampir tidak memperhatikan percepatannya. Ini bisa disebut "kuantisasi" kecepatan.
Mekanika Kuantum VS Mekanika Klasik
Contoh di atas telah memberi Anda gambaran tentang keanehan dunia kuantum. Sejujurnya, aturan yang mengatur dunia "klasik" yang kita kenal pada dasarnya tidak valid di dunia mikro. Hanya beberapa buah yang tersisa, seperti kekekalan energi, kekekalan muatan listrik, dll.
"Klasik" adalah istilah yang digunakan oleh fisikawan untuk mendeskripsikan "perasaan sehari-hari" -ketika hal-hal tidak melebihi ruang lingkup pengalaman sehari-hari Anda, kami menyebutnya "klasik".
Biliar adalah benda klasik. Sebelum memukul bola atau tepian meja lainnya, bola selalu bergulir lurus di atas meja, yang sepenuhnya sejalan dengan pengalaman kita sehari-hari. Tetapi gerakan masing-masing atom dalam bola mengikuti hukum mekanika kuantum, misalnya, dapat menghilang kapan saja.
Tetapi ini tidak berarti bahwa hukum dunia mikroskopis dan makroskopis sepenuhnya "tua dan mati". Sebagai hukum fisika, hukum kuantum tidak diragukan lagi lebih mendasar, tetapi ketika banyak partikel berkumpul, keseluruhan perilakunya sangat mirip dengan perilaku objek klasik. Kemudian Anda dapat menggunakan hukum klasik untuk menjelaskannya. Misalnya, sebuah partikel yang menyusun bola biliar mungkin sangat "disengaja", tetapi ketika ratusan juta partikel berkumpul bersama, "keinginan" mereka membatalkan satu sama lain, dan perilaku keseluruhan menjadi semakin "normal". Jika Anda memiliki superkomputer yang memperhitungkan ratusan juta atom yang membentuk bola biliar, dan kemudian menghitungnya sepenuhnya sesuai dengan mekanika kuantum, Anda akan menemukan bahwa gerakan keseluruhan dari miliaran atom ini sama dengan yang dijelaskan langsung oleh mekanika Newton.
Ini disebut prinsip korespondensi. Artinya, ketika sejumlah besar partikel mikroskopis berkumpul bersama, efek kuantum aneh akan menghilang, dan perilaku keseluruhannya akan menjadi "klasik". Prinsip ini berguna dalam situasi tertentu. Misalnya, beberapa gugus molekul besar tampaknya terlalu kecil untuk dikatakan sebagai objek klasik; untuk mengatakan bahwa mereka adalah objek kuantum, tampaknya terlalu besar. Saat ini, kita dapat melakukan hukum kuantum dan hukum klasik. Awalnya, hanya hukum kuantum yang harus digunakan, tetapi perhitungannya terlalu besar. Sekarang karena ada prinsip yang sesuai, kita dapat menyederhanakan beberapa perhitungan menjadi objek klasik untuk diproses.
Prinsip ketidakpastian Heisenberg
Dalam fisika kuantum, hal-hal tertentu benar-benar tidak dapat diketahui. Misalnya, Anda tidak akan pernah bisa mengetahui posisi dan momentum sebuah elektron pada saat yang sama, sama seperti Anda tidak akan pernah bisa melihat kedua sisi koin menghadap ke atas.
Beberapa buku mengajarkan Anda untuk memahami prinsip ketidakpastian dengan cara ini: Misalnya, untuk mengetahui di mana elektron berada, Anda harus mendeteksinya dengan sesuatu (seperti foton). Tetapi cahaya adalah gelombang, dan resolusinya tergantung pada panjang gelombangnya. Semakin pendek panjang gelombangnya, semakin tinggi resolusinya. Jadi untuk mengukur posisi elektron dengan lebih akurat, Anda sebaiknya memilih cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek. Tetapi cahaya adalah sejenis partikel, dan energinya berbanding terbalik dengan panjang gelombang, semakin pendek panjang gelombangnya, semakin tinggi energinya. Semakin besar energi foton, semakin besar tumbukan elektron. Dengan cara ini, tidak peduli seberapa hati-hati pendeteksian Anda, itu akan mengubah momentum elektron. Dalam dunia klasik, gangguan pengamatan atau pengukuran pada objek pengamatan dapat diabaikan, tetapi dalam dunia mikro, gangguan tidak dapat diabaikan pula.
Tentu itu benar. Namun, prinsip ketidakpastian sebenarnya lebih dalam dari pemahaman yang disebutkan di atas. Apa yang dikatakannya adalah bahwa ada ambiguitas yang melekat di alam. Sebelum pengukuran, keadaan elektron (termasuk posisi dan momentumnya) adalah superposisi dari berbagai kemungkinan keadaan. Itu dalam keadaan superposisi. Keadaan superposisi memiliki "ambiguitas" alami: mungkin begini, mungkin begitu, atau beberapa kemungkinan hidup berdampingan pada waktu yang sama. Hanya saat mengukur, ia dipaksa untuk memilih keadaan tertentu untuk mempresentasikannya.
Ini seperti "koin kuantum" Sebelum jatuh, statusnya adalah superposisi dari dua status "depan atas" dan "kembali ke atas". Hanya ketika jatuh ke tanah dan berhenti, ia dipaksa untuk memilih tinggal di salah satu dari dua kondisi tersebut.
Dualitas gelombang-partikel
Objek kuantum (seperti foton dan elektron) memiliki kepribadian terbelah terkadang berperilaku seperti gelombang, dan terkadang berperilaku seperti partikel. Performanya bergantung pada apakah Anda melihatnya sebagai gelombang atau partikel saat Anda mendesain eksperimen.
Sebagai contoh, kita mengetahui bahwa pergerakan partikel memiliki lintasan, sedangkan karakteristik gelombang adalah bahwa mereka menyebar ke seluruh ruang tanpa lintasan yang pasti. Saat Anda memperlakukan objek kuantum sebagai partikel (seperti mendeteksinya dengan detektor partikel) dan ingin mengetahui lintasannya, ia akan berperilaku seperti partikel. Jika Anda ingin melihat karakteristik gelombangnya, seperti interferensi, difraksi, dll., Saat Anda merancang percobaan, nah, itu akan menunjukkan karakteristik gelombang.
Ada eksperimen celah ganda yang terkenal dalam mekanika kuantum. Ia terkenal karena menampilkan banyak karakteristik aneh kuantum. Mari kita ambil sebagai contoh untuk dibicarakan.
Misalkan Anda memasang pembatas dengan dua celah vertikal pada sebuah kolam, lalu mencelupkan jari Anda ke dalam air untuk menghasilkan gelombang air, dan gelombang air tersebut akan melewati kedua celah tersebut. Gelombang air yang melewati dua celah tersebut akan saling mengganggu di belakang penghalang, membentuk pola interferensi.
Jika Anda mengambil penghalang keluar dari air dan menembakkan banyak peluru ke arah celah, mereka akan melewati celah ini atau itu secara langsung, meninggalkan dua tanda peluru yang berbeda di belakang penghalang tanpa pola gangguan.
Ini adalah kinerja gelombang dan partikel klasik dalam percobaan celah ganda. Tetapi yang aneh adalah bahwa partikel mikroskopis seperti elektron dapat menunjukkan keduanya pada saat yang bersamaan.
Jika Anda menembakkan elektron ke celah tersebut, Anda bahkan dapat mengontrolnya seperti peluru, menembak satu per satu. Pada awalnya, dua "tanda peluru" mulai terbentuk di belakang penghalang, yang menunjukkan bahwa elektron berperilaku seperti partikel; tetapi saat Anda memancarkan lebih banyak elektron, Tanda peluru juga berangsur-angsur menjadi kabur, dan akhirnya menampilkan pola interferensi terang dan gelap di layar, saat ini, berperilaku seperti gelombang lagi. Tampaknya setiap elektron melewati dua celah pada saat yang sama dan mengganggu dirinya sendiri.
Menurut prinsip ketidakpastian, dapat dijelaskan sebagai berikut: Karena elektron adalah benda kuantum, kita tidak dapat mengetahui posisinya dengan tepat. Elektron berpeluang melewati satu celah, dan juga berpeluang melewati celah lain karena keduanya mungkin, sebenarnya melewati dua proses pada waktu yang sama. Dengan kata lain, memang benar bahwa setiap elektron melewati dua celah pada saat yang sama dan mengganggu dirinya sendiri.
Sekarang, sesuatu yang lebih aneh datang. Misalkan Anda menempatkan detektor partikel di setiap sisi dua celah untuk mengamati celah mana yang dilewati elektron. Niat Anda bisa berhasil. Misalnya, elektron menabrak probe detektor, dan itu terus-menerus memancarkan kilatan terang. Anda riang gembira: "Kamu hantu, akhirnya aku tertangkap olehku! Kamu baru saja melewati celah ini, sekarang kamu pergi Itu celahnya. "Tetapi ketika Anda meletakkan kepala Anda di belakang penghalang, Anda akan menemukan bahwa ada sesuatu yang salah: pola interferensi telah menghilang, hanya menyisakan proyeksi dua celah lurus seperti bekas peluru.
Menurut penjelasan sebelumnya, hal ini karena setelah Anda mengetahui celah mana yang dilewati elektron, ia tidak lagi berada dalam keadaan superposisi, jadi Anda hanya dapat memilih jalur melalui celah. Perilaku gelombang elektron menghilang, berperilaku persis seperti partikel.
Jika Anda masih pusing memikirkan penjelasan di atas, mohon pikirkan fakta ini, dan mungkin tenanglah: fisikawan sebenarnya tidak dapat menerima penjelasan seperti itu, mereka telah memikirkan paradoks yang jelas ini.
Fungsi gelombang
Ini adalah jenis matematika yang digunakan untuk mendeskripsikan partikel gelombang.
Hal terpenting adalah bahwa fungsi gelombang kuantum dapat berisi banyak solusi yang mungkin, dan setiap solusi sesuai dengan realitas yang mungkin. Fungsi gelombang adalah superposisi dari banyak solusi yang mungkin dengan probabilitas tertentu. Misalnya, fungsi gelombang dari sebuah "koin kuantum" berisi dua solusi: "head up" dan "back up". Setiap solusi sesuai dengan realitas, dan probabilitas realisasinya adalah 50%.
Anehnya, solusi berbeda dalam status superposisi tampaknya masih berinteraksi. Inilah yang sebenarnya telah kita lihat pada percobaan celah ganda sebelumnya: Ketika sebuah elektron melewati dua lintasan yang mungkin pada saat yang sama, ia akan mengganggu ketika melewati celah ini dan celah lainnya. Pengamatan atau pengukuran kita tampaknya memainkan peran yang misterius namun penting dalam fungsi gelombang, yaitu, menyebabkan fungsi gelombang runtuh, memaksa keadaan superposisi awal untuk membuat salah satu atau pilihan. Sepertinya kita berkata kepada Alam: Hei, jangan samar-samar dengan saya lagi, kamu harus memberi saya jawaban yang jelas. Maka Alam pun ragu-ragu untuk membuat jawaban ya atau tidak, ini dan itu.
Mengapa observasi dapat memaksa fungsi gelombang untuk runtuh? Ini adalah mekanisme yang tidak dapat dijelaskan oleh siapa pun, sehingga sangat misterius.
Runtuhnya fungsi gelombang dan jatuhnya status superposisi yang disebabkan oleh pengukuran bersifat ireversibel dan tidak dapat dipulihkan. Ini adalah dasar komunikasi kuantum. Titik terang terbesar komunikasi kuantum di atas komunikasi tradisional adalah kerahasiaannya yang baik. Mengapa bisa melakukan ini? Karena setelah pembawa informasi (seperti foton) dicegat oleh penyadap, dia harus mengukurnya untuk mendapatkan informasi, tetapi setelah pengukuran, keadaan foton berubah, jadi mudah untuk Kedua sisi komunikasi itu sadar. Jadi meskipun komunikasi kuantum tidak dapat mencegah penyadapan, penyadap dapat dengan mudah mengekspos diri mereka sendiri.
Superposisi dan kucing Schrodinger
Bayangkan seekor kucing dan sebotol kecil sianida ditempatkan di dalam kotak tertutup. Di atas botol ada palu yang dikendalikan oleh sakelar elektronik. Jika sakelar dipicu oleh peristiwa kuantum acak (seperti peluruhan atom uranium), palu akan jatuh, menghancurkan botol sianida, dan kucing akan mati.
Eksperimen pemikiran yang digagas oleh fisikawan Austria Schrödinger ini digunakan untuk menggambarkan konsep superposisi.
Peluruhan atom uranium mengikuti hukum kuantum, sehingga fungsi gelombangnya memiliki dua solusi: peluruhan atau non-peluruhan. Menurut teori kuantum, kedua kemungkinan itu ada sebelum pengukuran dilakukan. Faktanya, Anda dapat berpikir bahwa sebelum pengukuran, atom uranium meluruh dan tidak meluruh pada saat yang sama, dan berada dalam keadaan superposisi keduanya.
Karena nasib seekor kucing bergantung pada peluruhan atom uranium, Anda harus mengakui bahwa ketika atom uranium berada dalam keadaan superposisi membusuk dan tidak membusuk, maka kucing juga akan berada dalam keadaan superposisi hidup dan mati. Dengan kata lain, sebelum kami membuka kotak untuk mengamati, kucing itu mati dan hidup.
Keadaan superposisi adalah dasar dari komputer kuantum. Komputer tradisional hanya beroperasi pada 0 dan 1. Satu bit informasi adalah 0 atau 1. Tetapi komputer kuantum secara langsung beroperasi pada 1 qubit, dan 1 qubit adalah superposisi sewenang-wenang dari dua keadaan 0 dan 1. Bentuk superposisi ini hampir tak terbatas. Inilah alasan mengapa kecepatan komputer kuantum dan komputer tradisional tidak sama.
Apa itu keterjeratan kuantum?
Keterikatan kuantum berarti bahwa ketika dua partikel (seperti foton) terkait erat, pengukuran satu partikel akan segera memengaruhi partikel lainnya, tidak peduli seberapa jauh jaraknya, bahkan jika satu di bumi dan satu di tepi alam semesta.
Ini seperti permainan yang mungkin pernah Anda mainkan ketika Anda masih kecil: Paman memegang bola berwarna di masing-masing tangan, satu merah dan satu biru. Coba Anda lihat dulu, dan gabungkan di belakang setelah membaca. Keluarkan setelah pencampuran, biarkan Anda menebak warna bola di masing-masing tangan. Dari sudut pandang Anda, kedua bola ini sepertinya "terjerat" -jika dia memegang bola merah di tangan kirinya, itu berarti dia memegang bola biru di tangan kanannya; begitu pula sebaliknya.
Tetapi situasi kuantum lebih misterius, karena dalam keadaan superposisi, setiap "bola" tidak memiliki warna yang pasti. Setiap saat, merah atau biru dapat muncul dengan probabilitas yang sama, dan itu benar-benar acak.
Jika Anda mengamati "bola kuantum", fungsi gelombangnya akan runtuh dan ia akan dipaksa untuk memilih warna tertentu untuk dimunculkan, misalnya merah. Tetapi pada saat yang sama, "bola kuantum" terjerat lainnya jauh dari tepi alam semesta, fungsi gelombangnya juga segera runtuh, dan segera muncul dalam warna pelengkap tertentu, seperti biru. Masalahnya adalah kami tidak melakukan pengamatan langsung terhadap yang terakhir, dan tidak memiliki pengaruh apa pun terhadapnya.
Dengan cara ini, pengoperasian (seperti mengamati) salah satu dari pasangan partikel yang terikat kuantum tampaknya langsung memengaruhi partikel lainnya, tidak peduli seberapa jauh jaraknya. Einstein merasa bahwa hal ini melanggar teori relativitasnya bahwa "transmisi gerakan atau gaya apa pun tidak dapat melebihi kecepatan cahaya", jadi dia menyebut keterjeratan kuantum sebagai "interaksi seperti hantu".
Keterikatan kuantum adalah dasar dari "teleportasi kuantum". Yang disebut teleportasi kuantum adalah perpindahan sesaat dari satu partikel di A ke partikel lain di B, seperti "transmisi ruang-waktu" yang dijelaskan dalam beberapa novel fiksi ilmiah. Namun perlu diketahui bahwa yang ditransmisikan di sini bukanlah partikel itu sendiri, tetapi status partikelnya, yaitu hanya informasi yang dikirimkan.
Penjelasan teori kuantum
Meskipun ide-ide teori kuantum di atas sangat misterius dan menggoda, sejujurnya kebanyakan fisikawan tidak terlalu peduli, mereka pragmatis dan hanya peduli pada hasil perhitungan akhir: biarkan dia menjelaskan teorinya. Cukup asalkan hasil kalkulasi sesuai dengan eksperimen.
Tentu saja, ada juga beberapa fisikawan dengan temperamen yang lebih filosofis mencoba memperjelas masalah ini, sehingga mereka membuat berbagai penjelasan untuk teori kuantum. Penjelasan tersebut telah dibahas secara detail dalam artikel "The Peak Showdown of Quantum Physics" edisi 11A tahun 2017. Di sini, hanya penjelasan utama yang diperkenalkan secara singkat.
Penjelasan Sekolah Kopenhagen-sebelum kita mengukur, realitas pasti tidak ada. Hanya pada saat kita mengamati, perilaku yang diamati menyebabkan fungsi gelombang "runtuh", dan realitas tertentu disajikan.
Penjelasan multi-dunia-setiap pengukuran kuantum akan memicu lahirnya alam semesta paralel yang tak terhitung jumlahnya, dan setiap kemungkinan dalam keadaan superposisi akan menjadi kenyataan di setiap alam semesta baru. Alasan mengapa Anda mengamati kucing Schrodinger masih hidup adalah karena "Anda" ini kebetulan berada di alam semesta baru lahir yang sama dengan kucing yang hidup.
Partikel mikroskopis interpretasi gelombang yang dipandu De Broglie berperilaku serupa dengan partikel klasik, tetapi Anda harus membayangkan mereka menunggangi apa yang disebut gelombang terpandu seperti peselancar. Partikel menghasilkan gelombang, dan gelombang memandu partikel untuk bergerak, dan seterusnya.
- Gudang senjata yang dulunya memproduksi bahan bakar artileri sekarang menjadi "raja berlian" dan mendominasi China
- Gudang senjata di bawah Gunung Macan Crouching di sebelah barat Henan ini memiliki pemandangan yang indah, setelah pabrik dipindahkan, menjadi sepi
- Wanita paling legendaris di dunia: dia menjadi ibu negara pada usia 26, meninggal dengan kekerasan pada usia 33, dan sekarang dihormati oleh dunia
- Kecepatan mobil adalah yang tercepat dan kecepatan depresiasi tidak lambat. Cayenne telah kehilangan jutaan dolar dalam dua tahun, dan pembeli menghasilkan lebih banyak uang.
- Pesawat khusus Liu Shaoqi disimpan di kampung halamannya, Gedung Huaming. Agen rahasia pernah bersekongkol untuk meledak dan sekarang menjadi peninggalan budaya kelas satu nasional
- 6 desa kuno terindah di Pingyang, Wenzhou, pemandangan yang ditinggalkan jarang dikunjungi penduduk setempat