Halo sobat100 It's science time, well seperti yang sudah kalian ketahui semua 6 Juli 2018 telah rilis sekuel film Antman yang berjudul Ant-Man and the Wasp. Melihat tingginya animo masyarakat mengikuti film buatan Marvel Studio ini, tim100 mencoba mengulas sedikit dari sisi sainsnya. Ya, seperti yang sobat100 telah tonton (hati-hati spoiler bagi yang belum menonton) begitu sering istilah kuantum diperbincangkan oleh para pemain di film Antman yang ke-2. Buat sobat100 yang masih belum clear dengan istilah yang ada mari kita pelajari bersama-sama.

Istilah Kuantum

Kuantum mendadak mulai viral (kalau istilah jaman now begitu ya) tatkala Max Planck (fisikawan asal Jerman) memperkenalkannya pada tahun 1900 untuk menjelaskan fenomena yang terjadi pada radiasi benda hitam. Menurut Max Planck, kuantum adalah bentuk jamak dari kuanta, kuanta sendiri dalam postulatnya adalah kuantisasi dari paket - paket energi cahaya terkecil yang dipancarkan oleh benda hitam tatkala menyerap kalor yang dikenal sebagai kuanta foton, yang mana rumusannya adalah

\(E=h\cdot f\)

yang mana h adalah konstanta Planck yang bernilai 6,626 x 10-34 Js. Atas gagasannya ini Max Planck dihadiahi Nobel bidang Fisika pada tahun 1918. Postulat dari Planck ini menjadi penting dalam pondasi perkembangan Fisika Kuantum (yang mana fisikawan sebelumnya seperti Lord Rayleigh, Sir James Jeans dan Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien kurang berhasil merumuskan fenomena radiasi benda hitam)

Albert Einstein juga menggunakan istilah kuantum yang diperkenalkan oleh Planck ini untuk menjelaskan fenomena yang terjadi pada efek fotolistrik (diawali dari percobaan yang dilakukan oleh Heinrich Hertz pada tahun 1887). Menurut Einstein beberapa logam yang sensitif terhadap cahaya dapat menghasilkan listrik setelah menyerap cahaya dengan frekuensi ambang tertentu dengan rumusan sebagai berikut.

\(E=\Phi_0+EK_{\text{maks}}\ \text{ atau}\\ E=h\cdot f_0+q_e \cdot V_s\)

yang mana \(\Phi_0\) adalah fungsi kerja yang nilainya bergantung dari jenis logam yang digunakan, f0 adalah frekuensi ambang logam, qe muatan elektron dan Vs adalah potensial henti. Atas karyanya ini Einstein dihadiahi Nobel bidang Fisika pada tahun 1921. Dan berangkat dari gagasan Albert Einstein ini telah kita kenal saat ini dengan adanya panel surya yang memanfaatkan cahaya matahari sebagi sumber pembangkit listrik terbarukan.

Karena dalam fisika kuantum melibatkan partikel-partikel seukuran elektron atau pun foton maka para fisikawan sepakat bahwa segala peristiwa alam yang melibatkan level energi pada skala atom atau partikel maka dikategorikan dalam fisika kuantum. Dari berbagai riset yang telah dilakukan sebelumnya oleh para fisikawan maka disepakatilah yang namanya Model Standar dalam fisika partikel

Ada 2 keluarga besar dalam Model Standar pada Fisika Partikel yaitu keluarga Boson dan keluarga Fermion. Perbedaan mencolok di antara keduanya adalah

  • keluarga Boson terdiri atas partikel - partikel yang memiliki spin bernilai bulat (spin adalah kemampuan berputar partikel terhadap sumbu rotasinya) dan mengikuti Statistika Bose-Einstein (Satyendra Nath Bose adalah fisikawan teoritis asal India)
  • keluarga Fermion terdiri atas partikel - partikel yang memiliki spin kelipatan setengah (½, 3/2, 5/2, . . .) dan mengikuti Statistika Fermi-Dirac (Enrico Fermi adalah fisikawan Italia yang mendapat hadiah Nobel pada tahun 1938 atas usahanya dalam induksi radioaktif dan Paul Adrien Maurice Dirac adalah fisikawan teoritis Inggris yang meraih Nobel pada tahun 1933 bersama Erwin Schrödinger dalam usahanya merumuskan teori atom)

Yang mana foton yang merupakan kuantisasi paket-paket energi cahaya menurut Max Planck merupakan contoh partikel dalam keluarga Boson. Dan elektron (ditemukan oleh J.J. Thomson pada tahun 1897 dan meraih Nobel bidang Fisika pada tahun 1906 atas penemuannya tersebut) yang disinggung dalam efek fotolistrik oleh Einstein merupakan contoh partikel dari keluarga Fermion.

Dalam fisika Kuantum ada beberapa aturan dasar

  1. Partikel memiliki dualisme yang juga bisa berperilaku seperti gelombang. Sebuah hipotesa yang dikemukakan oleh Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (fisikawan Perancis yang mengemukakan hipotesanya dalam tesis PhD pada tahun 1924). de Broglie meraih hadiah Nobel 1929 setelah teorinya dibuktikan dalam eksperimen hamburan elektron pada permukaan logam nikel di tahun 1927 oleh Clinton Davisson dan Lester Germer di Western Electric (sekarang Bell Labs).
  2. Pergerakan partikel digambarkan dalam suatu fungsi gelombang \(\psi\) (terkenal dengan istilah persamaan Schrödinger).
  3. Dalam fisika Kuantum hanya ada kebolehjadian yang dihitung dari probabilistik pergerakan partikel \(|\psi|^2\) . Jadi kita tidak akan tahu kejadian mana yang akan terjadi sebelum kejadian tersebut benar-benar terjadi, dan kita hanya bisa menghitung kemungkinan-kemungkinannya saja.
  4. Mengenal prinsip Ketidakpastian yang dirumuskan oleh Werner Karl Heisenberg (fisikawan teoritis asal Jerman yang meraih hadiah Nobel dalam bidang Fisika pada tahun 1932 atas kontribusinya dalam pengembangan mekanika Kuantum). Rumusannya sebagai berikut

    \(\Delta p\ \Delta x \geq \frac{\hbar}{2} \ \text{ atau } \ \Delta E\ \Delta t \geq \frac{\hbar}{2}\)

    Menurut Heisenberg saat kita mengukur dengan pasti posisi/letak partikel kita akan kesulitan mengukur kecepatan/momentumnya begitu pula sebaliknya saat kita bisa mengukur dengan pasti kecepatan/momentum partikel kita akan kesulitan menentukan di mana partikel itu berada. Dan kita juga tidak bisa menentukan dengan pasti kapan partikel mempunyai energi tertentu sebaliknya pada waktu tertentu kita juga tidak bisa menentukan dengan pasti besar energinya.

Quantum Tunnelling (Terowongan Kuantum)

Dalam Film Antman, Terowongan Kuantum digunakan oleh Dr. Hank Pym untuk menjemput kembali istrinya (Janet van Dyne) yang sudah terjebak di dunia kuantum selama 30 tahun.

Dalam Fisika Terowongan Kuantum sejatinya adalah fenomena mekanika kuantum di mana partikel menembus penghalang yang secara klasik tidak dapat diatasi. Ini memainkan peran penting dalam beberapa fenomena fisika, seperti fusi nuklir yang terjadi pada bintang deret utama seperti Matahari.[1] Ini memiliki aplikasi penting untuk perangkat modern seperti dioda terowongan,[2] komputasi kuantum, dan scanning tunneling microscope (STM). Efeknya diprediksi pada awal abad ke-20, dan penerimaannya sebagai fenomena fisika umum datang di pertengahan abad.[3]

Konsep mekanika kuantum mendasar adalah pusat dari fenomena ini, yang membuat terowongan kuantum salah satu implikasi baru mekanika kuantum. Penerowongan kuantum diproyeksikan untuk menciptakan batas fisika untuk bagaimana transistor kecil bisa dibuat, karena elektron mampu melewati terowongan mereka jika mereka terlalu kecil.[4][5]

Tunneling sering dijelaskan dalam istilah prinsip ketidakpastian Heisenberg dan premis bahwa objek kuantum memiliki lebih dari satu keadaan tetap (bukan gelombang atau partikel) pada umumnya.

Berikut video penerapan terowongan kuantum dalam scanning tunneling microscope (STM).

Berikut ini adalah animasi yang menggambarkan terowongan kuantum melewati penghalang.

Pada titik asal (x = 0), ada penghalang potensial yang sangat tinggi, tetapi sempit. Efek penerowongan yang signifikan dapat dilihat.

Sebuah paket gelombang elektron diarahkan pada penghalang potensial bisa dilihat dalam animasi berikut ini.

Perhatikan titik redup di sebelah kanan yang mewakili elektron penerowongan.

Sementara itu, Mekanisme kerja perangkat dioda terowongan resonansi, berdasarkan fenomena terowongan kuantum melalui penghalang potensial bisa dilihat dalam animasi berikut ini.

Baru-baru ini juga telah berhasil dilakukan terowongan kuantum dalam air pada tahun 2016. Terowongan kuantum air terjadi ketika molekul air di nanochannels menunjukkan perilaku tunneling kuantum yang mengaburkan posisi atom hidrogen menjadi sepasang cincin bergelombang.[6] Dalam keadaan itu, molekul-molekul air menjadi terdelokalisasi di sekitar cincin dan mengambil bentuk seperti top-ganda yang tidak biasa. Pada suhu rendah, fenomena ini menunjukkan gerakan kuantum air melalui dinding potensial yang memisahkan, yang dilarang dalam mekanika klasik, tetapi diizinkan dalam mekanika kuantum.[7]

Terowongan kuantum air terjadi di bawah ultraconfinement di batuan, tanah dan dinding sel.[7] Fenomena ini diprediksi untuk membantu para ilmuwan lebih memahami sifat termodinamika dan perilaku air di lingkungan terbatas seperti difusi air, transportasi di saluran membran sel dan karbon nanotube (CNT).

Pada 18 Maret 2016, dilaporkan bahwa ikatan hidrogen dapat dipecahkan oleh terowongan kuantum di heksamer air. Tidak seperti gerakan tunneling yang dilaporkan sebelumnya dalam air, ini melibatkan pemecahan dua ikatan hidrogen secara bersamaan.[8]

Pada 22 April 2016, jurnal Physical Review Letters melaporkan tunneling kuantum molekul air seperti yang ditunjukkan di Spallation Neutron Source dan Rutherford Appleton Laboratory. Indikasi pertama dari fenomena ini terlihat oleh para ilmuwan dari Rusia dan Jerman pada tahun 2013[9] berdasarkan pemisahan jalur penyerapan terahertz dari molekul air yang ditangkap di saluran lima ångström di beryl. Selanjutnya secara langsung diamati menggunakan hamburan neutron dan dianalisis dengan simulasi ab initio.[10] Dalam saluran beryl, molekul air dapat menempati enam orientasi simetris, sesuai dengan struktur kristal yang dikenal.[6] Orientasi tunggal memiliki atom oksigen kira-kira di tengah saluran, dengan dua hidrogen menunjuk ke sisi yang sama terhadap salah satu dari enam saluran sisi heksagonal. Orientasi lain mengarah ke sisi lain, tetapi dipisahkan satu sama lain oleh penghalang energi sekitar 50 meV.[6] Kendala-kendala ini, bagaimanapun, tidak menghentikan hidrogen dari tunneling di antara enam orientasi dan dengan demikian membagi energi keadaan dasar ke dalam beberapa level.[6]

Sebagai gambaran ilustrasinya bisa dilihat dalam video berikut ini.

Keterikatan Kuantum (Quantum entanglement)

Dalam film Antman diceritakan bahwa Janet sempat melakukan kontak dengan Scott Lang lewat mimpi saat terowongan kuantum pertama kali diaktifkan. Hal ini memungkinkan Janet memasuki kesadaran Scott Lang saat mesin terowongan kuantum yang lebih stabil dinyalakan kembali. Di sini Keterikatan Kuantum (Quantum entanglement) berperan. Tim100 sendiri pernah mengulasnya dalam artikel berikut ini Particles in Love : Sebuah kajian baru dalam Mekanika Kuantum

Keterikatan kuantum adalah fenomena fisika yang terjadi ketika pasangan atau kelompok partikel dihasilkan, berinteraksi, atau berbagi kedekatan spasial dengan cara sedemikian rupa sehingga status kuantum setiap partikel tidak dapat dijelaskan secara independen dari keadaan yang lain, bahkan ketika partikel dipisahkan oleh jarak yang besar — sebagai gantinya, keadaan kuantum harus dijelaskan untuk sistem secara keseluruhan.

Pengukuran sifat fisik seperti posisi, momentum, spin, dan polarisasi, dilakukan pada partikel terjerat ditemukan berkorelasi. Misalnya, jika sepasang partikel dihasilkan sedemikian rupa sehingga putaran totalnya diketahui nol, dan satu partikel ditemukan berputar searah jarum jam pada sumbu tertentu, putaran partikel lainnya, diukur pada sumbu yang sama. , akan ditemukan berlawanan arah jarum jam, seperti yang diharapkan karena keterikatan mereka. Namun, perilaku ini menimbulkan efek yang tampaknya paradoksikal: setiap pengukuran sifat partikel melakukan keruntuhan ireversibel pada partikel itu dan akan mengubah keadaan kuantum asli. Dalam kasus partikel terjerat, pengukuran semacam itu akan berada pada sistem yang terjerat secara keseluruhan. Mengingat bahwa statistik pengukuran ini tidak dapat direplikasi oleh model-model di mana setiap partikel memiliki keadaannya sendiri yang terpisah dari yang lain, tampak bahwa satu partikel dari pasangan terjerat "tahu" pengukuran apa yang telah dilakukan pada yang lain, dan dengan hasil apa , meskipun tidak ada cara yang diketahui untuk informasi tersebut untuk dikomunikasikan di antara partikel-partikel, yang pada saat pengukuran dapat dipisahkan oleh jarak besar yang sewenang-wenang.

Fenomena seperti itu adalah subjek dari makalah tahun 1935 oleh Albert Einstein, Boris Podolsky, dan Nathan Rosen,[11] dan beberapa makalah oleh Erwin Schrödinger tak lama kemudian,[12] [13] menggambarkan apa yang kemudian dikenal sebagai paradoks EPR. Einstein dan yang lain menganggap perilaku semacam itu tidak mungkin, karena hal itu melanggar pandangan realis lokal tentang kausalitas. Einstein menyebutnya sebagai "tindakan menyeramkan di kejauhan" (spooky action at a distance) [14] dan berpendapat bahwa perumusan mekanika kuantum yang diterima oleh karenanya harus tidak lengkap. Kemudian, bagaimanapun, prediksi berlawanan mekanika kuantum diverifikasi secara eksperimental [15] dalam tes di mana polarisasi atau spin partikel terjerat diukur di lokasi yang terpisah, secara statistik melanggar ketidaksetaraan Bell, menunjukkan bahwa konsepsi klasik "realisme lokal" tidak dapat benar .

Dalam tes sebelumnya, tidak dapat dipungkiri bahwa hasil tes pada satu itik (atau pengujian mana yang dilakukan) bisa ditransmisikan secara halus ke titik terpencil, mempengaruhi hasil di lokasi kedua.[16] Namun apa yang disebut tes "bebas loophole" telah dilakukan di mana lokasi dipisahkan sehingga komunikasi dengan kecepatan cahaya akan memakan waktu lebih lama — dalam satu kasus 10.000 kali lebih lama — daripada interval antara pengukuran.[17] [18] Karena pensinyalan yang lebih cepat dari cahaya adalah tidak mungkin menurut teori relativitas khusus, setiap keraguan tentang belitan karena celah demikian telah dibatalkan.

Menurut beberapa interpretasi mekanika kuantum, efek dari satu pengukuran terjadi secara instan. Interpretasi lain yang tidak mengenali runtuhnya fungsi gelombang, membantah bahwa ada "efek" sama sekali. Setelah semua, jika pemisahan antara dua peristiwa adalah spacelike, maka pengamat dalam frame inersia yang berbeda akan tidak setuju tentang urutan kejadian. Joe akan melihat bahwa deteksi pada titik A terjadi pertama kali, dan tidak mungkin disebabkan oleh pengukuran pada titik B, sedangkan Mary (bergerak dengan kecepatan yang berbeda) akan yakin bahwa pengukuran pada titik B terjadi lebih dulu dan tidak mungkin disebabkan oleh pengukuran A. Tentu saja Joe dan Mary benar: tidak ada sebab dan akibat yang nyata. Namun semua interpretasi setuju bahwa belitan menghasilkan korelasi antara pengukuran, dan bahwa informasi timbal balik antara partikel terjerat dapat dieksploitasi, tetapi setiap transmisi informasi pada kecepatan lebih cepat dari cahaya adalah mustahil.[19] [20]

Pada bulan November 2016, peneliti melakukan percobaan uji Bell di mana "celah" lebih lanjut ditutup.[21] [22]

Keterikatan dianggap fundamental bagi mekanika kuantum, meskipun itu tidak diakui pada awalnya. Keterikatan kuantum telah ditunjukkan secara eksperimental dengan foton,[23] [24] [25] [26] neutrino,[27] elektron,[28] [29] molekul sebesar bulky balls,[30] [31] dan bahkan berlian kecil.[32] [33] Pemanfaatan belitan dalam komunikasi dan komputasi adalah bidang penelitian yang sangat aktif.

Hubungan antara terowongan kuantum dan lilitan kuantum bisa dilihat dalam video ini.

Well itu tadi penjelasan singkat beberapa istilah kuantum yang digunakan dalam Film Antman yang ke-2 semoga sobat100 dapat pemahamannya.
Salam100
laugh

Daftar Pustaka

  1. Serway; Vuille. 2008. College Physics. 2 (Eighth ed.). Belmont: Brooks/Cole.
  2. Taylor, J. 2004. Modern Physics for Scientists and Engineers. Prentice Hall. p. 234.
  3. Razavy, Mohsen. 2003. Quantum Theory of Tunneling. World Scientific. pp. 4, 462.
  4. "Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology". youtube.com. Kurzgesagt.
  5. "Quantum Effects At 7/5nm And Beyond". Semiconductor Engineering.
  6. Michael Schirber. 2016. Focus: Water Molecule Spreads Out When Caged. American Physical Society.
  7. Ron Walli. New state of water molecule discovered. Phys.org.
  8. Richardson et al. 2016. Concerted hydrogen-bond breaking by quantum tunneling in the water hexamer prism. Science.
  9. B. Gorshunov et al. 2013. Quantum Behavior of Water Molecules Confined to Nanocavities in Gemstones. Journal of Physical Chemistry Letters.
  10. Kolesnikov et al. 2016. Quantum Tunneling of Water in Beryl: A New State of the Water Molecule. Physical Review Letters.
  11. Einstein A, Podolsky B, Rosen N; Podolsky; Rosen. 1935. Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?. Phys. Rev. 47 (10): 777–780.
  12. Schrödinger E. 1935. Discussion of probability relations between separated systems. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 31 (4): 555–563.
  13. Schrödinger E. 1936. Probability relations between separated systems. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 32 (3): 446–452. 
  14. Bell, J. S. 1987. Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics. CERN.
  15. "75 years of entanglement – Science News".
  16. Francis, Matthew. Quantum entanglement shows that reality can't be local, Ars Technica, 30 October 2012
  17. Matson, John. 2012. Quantum teleportation achieved over record distances. Nature News.
  18. "Bounding the speed of 'spooky action at a distance". Physical Review Letters. 110: 260407. 2013.
  19. Roger Penrose. 2004. The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe. London, p. 603.
  20. Griffiths, David J. 2004, Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.), Prentice Hall.
  21. The BIG Bell Test Collaboration. 2018. Challenging local realism with human choices. Nature.
  22. Mandelbaum, Ryan F. 2018. 100,000 Video Game Players Helped Scientists Prove Einstein Wrong. Gizmodo.
  23. Kwiat, PG; Mattle, K; Weinfurter, H; Zeilinger, A; Sergienko, AV; Shih, Y. 1995. New High-Intensity Source of Polarization-Entangled Photon Pairs. Physical Review Letters. 75: 4337–4341.
  24. Zhao, Z; Chen, YA; Zhang, AN; Yang, T; Briegel, HJ; Pan, JW. 2004. Experimental demonstration of five-photon entanglement and open-destination teleportation. Nature.
  25. Lu, Chao-Yang. 2007. Experimental entanglement of six photons in graph states. Nature Physics. 3: 91–95.
  26. Yao, Xing-Can. 2012. Observation of eight-photon entanglement. Nature Photonics. 6: 225–228.
  27. J. A. Formaggio, D. I. Kaiser, M. M. Murskyj, and T. E. Weiss. 2016. Violation of the Leggett-Garg inequality in neutrino oscillations. Phys. Rev. Lett.
  28. Hensen, B.; et al. 2015. Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres. Nature. 526: 682–686.
  29. Markoff, Jack. 2015. Sorry, Einstein. Quantum Study Suggests 'Spooky Action' Is Real. The New York Times.
  30. Arndt, M; Nairz, O; Vos-Andreae, J; Keller, C; van der Zouw, G; Zeilinger, A. 1999. Wave–particle duality of C60 molecules. Nature. 401: 680–682.
  31. Olaf Nairz, Markus Arndt, and Anton Zeilinger. 2003. Quantum interference experiments with large molecules, American Journal of Physics, 71 (April 2003) 319–325.
  32. Lee, K. C.; Sprague, M. R.; Sussman, B. J.; Nunn, J.; Langford, N. K.; Jin, X.- M.; Champion, T.; Michelberger, P.; Reim, K. F.; England, D.; Jaksch, D.; Walmsley, I. A. 2011. Entangling macroscopic diamonds at room temperature. Science. 334 (6060): 1253–1256.
  33. sciencemag.org, supplementary materials