Tiga puluh tahun Memahami Ukuran tentang Mekanika Kuantum - Albert Einstein

[sumber gambar: pixabay]

 

Diambil dari Physics World edisi Desember 2020. Anggota Institut Fisika dapat menikmati edisi lengkap melalui aplikasi Fisika Dunia.

 

Terlepas dari banyak keberhasilannya, fisikawan masih berjuang untuk memastikan interpretasi yang koheren dari mekanika kuantum, karena ia mewakili “realitas” dengan baik. Jim Baggott mengeksplorasi argumen yang pertama kali dikemukakan oleh John Bell tiga dekade lalu, dan melihat bukti teoritis dan eksperimental yang terkumpul sejak saat itu.

 

Tentunya, setelah 62 tahun, kita harus memiliki formulasi yang tepat dari beberapa bagian serius dari mekanika kuantum? tulis fisikawan Irlandia Utara terkemuka John Bell dalam salvo pembuka artikel Physics World-nya, "Melawan 'pengukuran'". Diterbitkan pada Agustus 1990 hanya dua bulan sebelum kematiannya yang terlalu dini pada usia 62 tahun, artikel Bell menguraikan kekhawatirannya. Seperti yang dia jelaskan lebih lanjut, "Yang saya maksud dengan 'tepat' tentu saja tidak 'benar-benar benar'. Maksud saya hanya bahwa teori tersebut harus sepenuhnya dirumuskan dalam istilah matematika, dengan tidak ada yang tersisa untuk kebijaksanaan fisikawan teoritis ... sampai perkiraan yang bisa diterapkan diperlukan dalam aplikasi. "

 

Meskipun Bell menghabiskan sebagian besar karirnya sebagai fisikawan partikel teoretis dan bekerja pada desain akselerator di laboratorium CERN di Jenewa, hari ini dia terkenal karena kontribusinya terhadap pertanyaan mendasar yang menyelidiki makna mekanika kuantum. Hampir seabad setelah pertama kali dirumuskan, masih belum ada konsensus di antara fisikawan tentang bagaimana teori itu harus ditafsirkan. “Saya rasa saya dapat dengan aman mengatakan bahwa tidak ada yang memahami mekanika kuantum,” kata Richard Feynman yang terkenal - pengakuan yang agak luar biasa untuk teori dasar yang mendasari banyak pemahaman kita tentang fisika modern.

 

Memang, perdebatan tentang interpretasi mekanika kuantum, yang dimulai pada 1927, berlanjut hingga hari ini. Itu menjadi terpolarisasi di sekitar pandangan dua protagonis utamanya - Niels Bohr dan Albert Einstein. Intinya, ini adalah debat tentang arti konsep sentral teori, fungsi gelombang kuantum - deskripsi matematis dari status kuantum suatu sistem, yang berisi semua informasi terukurnya.

Menurut Bohr, fungsi gelombang tidak boleh dianggap sebagai representasi literal dari keadaan fisik nyata dari sistem fisik nyata. Sementara dia mengakui pentingnya dan signifikansinya dalam memecahkan masalah kuantum, dia bersikeras bahwa “itu harus diakui, bagaimanapun, bahwa kita di sini berurusan dengan prosedur simbolik murni, interpretasi fisik yang tidak ambigu yang pada akhirnya membutuhkan referensi ke lengkap pengaturan eksperimental ”(Essays 1958–1962 on Atomic Physics and Human Knowledge, Wiley Interscience). Memang, dia terkenal dikutip mengatakan, “Tidak ada dunia kuantum. Hanya ada deskripsi fisik kuantum abstrak. "

 

 

Bagi Bohr, formalisme kuantum adalah "prosedur simbolik murni" yang memungkinkan kita menggunakan pengalaman pengukuran masa lalu untuk memprediksi hasil pengukuran masa depan. Berdasarkan pemahaman ini, semua pengukuran bersifat klasik, karena ini adalah satu-satunya jenis fisika yang dapat kita alami secara langsung. Tetapi sifat kuantum dari objek yang diteliti berarti bahwa aparatus dan cara penyetelannya menentukan apa yang dapat kita harapkan untuk diamati. Dengan satu jenis peralatan kita dapat memilih untuk mengamati sifat seperti gelombang dari sebuah "berkas" elektron. Dengan jenis peralatan lain, kita dapat memilih untuk mengamati sifat elektron individu yang mirip partikel. Ini sama-sama eksklusif, bukan karena kita tidak memiliki kecerdasan untuk memahami alat untuk mengekspos kedua jenis perilaku secara bersamaan, tetapi karena alat semacam itu tidak dapat dibayangkan.

 

Menurut Bohr, apa yang tidak dapat kita lakukan adalah melampaui deskripsi pelengkap ini dan mengatakan apa sebenarnya elektron ketika tidak diamati. Ini kemudian dikenal sebagai "Interpretasi Kopenhagen", dinamai sesuai lokasi Bohr's Institute for Theoretical Physics. Varian ini dan varian lain pada tema umum penafsiran Kopenhagen pada dasarnya adalah “anti-realis”. Ini tidak berarti bahwa interpretasi semacam itu menyangkal keberadaan realitas objektif, atau realitas entitas "tak terlihat" seperti elektron. Artinya, representasi teoretis dari entitas ini tidak boleh dianggap terlalu harfiah.

 

Interpretasi yang tidak nyata

Einstein sangat terganggu oleh ini. Seperti yang dijelaskan fisikawan Amerika David Bohm dalam sebuah wawancara tahun 1987, “Poin utamanya adalah apakah Anda bisa mendapatkan deskripsi unik tentang realitas. Dan Einstein mengambil pandangan biasa dari seorang ilmuwan bahwa Anda bisa, dan Bohr berkata Anda tidak bisa. Bohr mengatakan Anda secara inheren terbatas pada penggunaan bahasa klasik untuk kondisi eksperimental dan hasil, dan deskripsi matematika simbolis dari kuantum… [Einstein] tidak menerima bahwa pendekatan Bohr dapat dianggap final, dan Bohr bersikeras bahwa dulu."

 

Pertukaran antara Bohr dan Einstein termasuk yang paling dramatis dalam sejarah sains. Cerita rakyat-sejarah yang relatif modern tentang kisah debat ini melukiskan Bohr sebagai seorang pengganggu yang agak dogmatis, mengolok-olok Einstein yang pikun seperti yang dilihat oleh komunitas fisika, bersorak dari pinggir lapangan. Ceritanya bahwa kemenangan Bohr dalam debat membantu membangun interpretasi Kopenhagen sebagai Injil baru, untuk diterima tanpa pertanyaan atau tantangan. Einstein menyebutnya sebagai "filosofi yang menenangkan".

Memang, Einstein sangat tidak nyaman dengan interpretasi Kopenhagen, karena tidak memungkinkan kita bahkan untuk menentukan nilai pasti dari suatu properti sampai pengukuran dilakukan. Pada tahun 1935 saat di Princeton, Einstein - bekerja sama dengan rekannya Boris Podolsky dan Nathan Rosen (secara kolektif disebut sebagai EPR) - melemparkan granat pemikiran terakhirnya ke arah Bohr. Ketiganya mengembangkan eksperimen gedanken, berdasarkan gagasan untuk menciptakan sepasang partikel kuantum (seperti sepasang elektron) yang propertinya - katakanlah "naik" dan "turun" - "terjerat".

 

Mekanika kuantum melarang kita mengetahui terlebih dahulu partikel mana yang akan diukur untuk memiliki properti mana, tetapi kita tahu bahwa properti mereka akan berkorelasi: jika satu partikel diukur menjadi "naik" maka yang lain harus "turun", dan sebaliknya sebaliknya. Misalkan kita membiarkan partikel-partikel bergerak menjauh beberapa jarak yang signifikan, dan kemudian mengukur properti salah satu partikel, untuk menemukan bahwa ia "turun". Ini menyiratkan bahwa kita telah secara bersamaan (dan seketika) menemukan properti partikel lain - itu harus "naik" - tanpa mengganggu dengan cara apa pun.

 

Jika kita menginterpretasikan fungsi gelombang sebagai representasi dari sifat riil partikel, maka tidak ada dalam mekanika kuantum yang memberi tahu kita apa ini sebelum kita membuat pengukuran pada salah satunya. Tampaknya properti partikel kedua kemudian ditentukan oleh pengukuran yang kita pilih untuk dilakukan pada partikel yang sama sekali berbeda, yang bisa jadi jarak yang sangat jauh. Pengukuran tersebut entah bagaimana menyebabkan fungsi gelombang "runtuh", dan partikel-partikel yang terjerat tampak saling mempengaruhi satu sama lain dalam jarak yang sangat jauh, dengan kecepatan lebih cepat daripada cahaya. Ini dilarang keras oleh teori relativitas khusus Einstein. Memang, Einstein sangat prihatin dengan "tindakan seram dari kejauhan" yang tampak jelas ini, dan EPR berpendapat bahwa "tidak ada definisi yang masuk akal tentang realitas yang dapat diharapkan untuk mengizinkan hal ini".

 

Bagi Bohr, kesalahannya adalah menganggap fungsi gelombang terlalu harfiah.

 

Namun, sejauh yang diketahui Bohr, tidak ada dalam eksperimen gedanken EPR yang memerlukan penjelasan lebih lanjut. Tidak peduli betapa misteriusnya korelasi antara partikel yang terjerat jauh, kita hanya bisa mengetahui sifat-sifat partikel saat mereka diukur. Bagi Bohr, kesalahannya adalah menganggap fungsi gelombang terlalu harfiah. Tidak ada "runtuh" ​​dan tidak ada tindakan seram di kejauhan, karena fungsi gelombang tidak nyata. Mekanika kuantum sudah lengkap dan tidak ada lagi yang bisa dikatakan.

 

Tetapi mengapa tidak mengandaikan bahwa sifat-sifat partikel ditentukan pada saat mereka berinteraksi atau dibuat, dan sifat-sifat ini kemudian dipertahankan selama ini? Tentu, tidak ada dalam mekanika kuantum yang dapat menjelaskan hal ini. Tetapi apa yang terjadi jika kita membayangkan bahwa, di bawah formalisme kuantum, terdapat semacam mekanisme fisik "tersembunyi", seperti halnya sifat termodinamika yang ditentukan oleh gerakan "tersembunyi" atom dan molekul? Memang, Einstein dan koleganya menggunakan paradoks mereka sebagai cara untuk menunjukkan bahwa mekanika kuantum pasti tidak lengkap - meskipun mereka tetap membuka pertanyaan tentang bagaimana hal itu bisa diselesaikan.

 

Dari drama menjadi dogma

Terlepas dari keluhan Einstein, Bohr dinilai telah memenangkan perdebatan tersebut dan, seiring berjalannya waktu, perhatian tak terelakkan bergeser dari argumen tanpa akhir tentang makna mekanika kuantum ke masalah yang lebih praktis terkait dengan penerapannya. Ini menuntut penemuan teknik matematika baru, bukan pengambilan filosofis tanpa akhir atas makna teori. Pada 1949, interpretasi Kopenhagen menjadi identik dengan ketidakpedulian umum atau kurangnya minat.

 

Fisikawan yang tidak peduli untuk menyusahkan diri dengan pertanyaan interpretasi akan melambai ke arah umum buku teks siswa standar dan hanya mengangkat bahu. Tetapi bagi mereka yang penasaran tanpa akhir, hanya ada sedikit jawaban yang bisa ditemukan dalam buku-buku ini. Misalnya, Mekanika Kuantum Leonard Schiff, yang pertama kali diterbitkan pada tahun 1949, menginformasikan pengajaran teori di seluruh Amerika Utara, Eropa, dan Asia melalui tiga edisi yang mencakup 20 tahun. Itu membawa versi interpretasi Kopenhagen yang agak kacau, dan tidak melakukan apa pun untuk memuaskan keingintahuan Bell muda, kemudian di tahun terakhir studi sarjana di Queen's University di Belfast, Irlandia Utara. Penjelasan singkat Schiff tentang pengukuran dalam mekanika kuantum membuat Bell menyimpulkan bahwa Bohr "sangat kabur" dan bahwa, "bagi Bohr, kurangnya presisi tampaknya menjadi kebajikan"

Pada saat Bell memulai karirnya sebagai fisikawan profesional, ketidakpedulian masyarakat telah berkembang menjadi permusuhan. Pertanyaan tentang makna mekanika kuantum tidak lagi mendapat tempat dalam fisika arus utama. Pada tahun 1981 Bell meringkas suasana hati umum ini dalam sebuah makalah, menulis bahwa "memanfaatkan kebutuhan ... banyak yang berpendapat tidak hanya sulit untuk menemukan gambaran yang koheren tetapi salah untuk mencarinya - jika tidak benar-benar tidak bermoral maka tentu tidak profesional ”(Journal de Physique Colloques 42 C2 41).

 

Ketimpangan Bell

Menekan kembali mode "diam dan berhitung" ini, Bell memutuskan untuk menarik benang lepas yang pertama kali tersangkut Einstein. Pada tahun 1964 ia mendemonstrasikan bahwa setiap upaya untuk melengkapi formalisme kuantum standar dengan sistem yang didasarkan pada "variabel tersembunyi" menghasilkan teori yang pasti membuat prediksi yang tidak sesuai dengan mekanika kuantum standar (Fisika 1 195). Dia meringkas ketidakcocokan ini dalam teorema "no-go" dan sebuah ketidaksetaraan numerik, yang kemudian dikenal sebagai ketidaksetaraan Bell.

Batasan ini muncul jika kita mengasumsikan partikel dapat dipisahkan secara fisik (disebut "Einstein-separable" atau "nyata secara lokal") dan kemudian berusaha untuk menetapkan hubungan kausal antara sifat-sifatnya. Formalisme standar lebih murah hati dan tidak terlalu membatasi: tidak peduli bagaimana menurut kami realitas harus diatur dan memprediksi hasil yang melanggar ketidaksetaraan Bell. Teorema Bell menyatakan bahwa "Jika ekstensi [variabel tersembunyi] adalah lokal, ia tidak akan setuju dengan mekanika kuantum, dan jika setuju dengan mekanika kuantum, ia tidak akan lokal."

 

Kesimpulannya tidak bisa dihindari. Menganggap bahwa partikel terjerat memiliki properti tetap selama ini tidak akan berhasil. Jika kita mengasumsikan ini, maka prediksi kita bertentangan dengan prediksi mekanika kuantum standar. Bell telah memberikan tes eksperimental langsung. Percobaan yang dilaporkan pada tahun 1982 oleh Alain Aspect dan rekan-rekannya di Universitas Paris mengkonfirmasi tanpa keraguan pelanggaran ketidaksetaraan Bell, seperti yang sebelumnya telah ditunjukkan dalam tes sebelumnya (Phys. Rev. Lett. 49 91). Formalisme standar, dengan semua ketidakpedulian dan ketidaktahuannya yang biasa-biasa saja, sangatlah benar. Beberapa “celah” tetap ada, tetapi hasilnya merupakan pukulan berat bagi mereka yang berharap bahwa variabel tersembunyi lokal akan menawarkan jalan keluar yang mudah.

 

Dalam 100 tahun sejarah pencarian makna dalam mekanika kuantum yang agak penuh, awal 1980-an hingga awal 1990-an adalah periode refleksi yang bijaksana. Dalam sebuah wawancara untuk siaran dokumenter BBC Radio 3 pada Mei 1984, Bell berharap eksperimen Aspect bukanlah akhir. “Saya pikir penyelidikan tentang apa arti mekanika kuantum harus dilanjutkan,” katanya, “dan pada kenyataannya itu akan terus berlanjut, apakah kita setuju atau tidak itu berharga, karena banyak orang cukup terpesona dan gelisah dengan ini sehingga itu akan terjadi. Lanjutkan."

 

Melawan "pengukuran"

Dalam artikel Physics World-nya, Bell menggandakan, menyatakan kembali masalah yang terkait dengan ortodoks, interpretasi default dari proses pengukuran kuantum. Dia menentang fisikawan seperti Paul Dirac, dan orang lain di komunitas, yang telah menyatakan ketidakpedulian, jika bukan permusuhan langsung, terhadap pertanyaan tentang arti sebuah teori yang terbukti bekerja, untuk semua tujuan praktis (merujuk pada mereka sebagai "mengapa repot-repot ? ”Ers). Dan dia memaparkan deskripsi pengukuran kuantum yang membingungkan dan sering kali kontradiktif yang dapat ditemukan dalam pilihan "buku bagus".

 

Tidak ada dalam artikel ini Bell secara eksplisit menyebutkan interpretasi Kopenhagen. Namun, kritiknya terhadap Bohr (atau, setidaknya, berbagai interpretasi tentang Bohr dan, melalui asosiasi bersalah, Kopenhagen), terlihat jelas. Dia menolak sentimen seperti yang diungkapkan dalam "Sepuluh teorema tentang pengukuran mekanis kuantum" Nico van Kampen (Physica A 153 97), yang teorema keempatnya menyatakan "Siapa pun yang menganugerahi [fungsi gelombang kuantum] dengan lebih banyak makna daripada yang dibutuhkan untuk menghitung fenomena yang dapat diamati bertanggung jawab untuk konsekuensinya. " Dan ini, saya yakin, pada prinsipnya adalah apa yang Bell lawan. Menerima prosedur ini secara langsung mengharuskan kita untuk menahan godaan untuk bertanya: tetapi bagaimana sebenarnya alam melakukan ini? Seperti petugas layanan darurat di lokasi kecelakaan tragis, Bohr menyarankan kami untuk terus bergerak, karena tidak ada yang bisa dilihat di sini. Dan di situlah letak masalahnya; untuk apa tujuan teori ilmiah jika bukan untuk membantu pemahaman kita tentang dunia fisik? Kami ingin mengecek kenyataan.

 

Apa tujuan dari teori ilmiah jika bukan untuk membantu pemahaman kita tentang dunia fisik?

 

“Gagasan bahwa mekanika kuantum, teori fisika kami yang paling mendasar, secara eksklusif bahkan tentang hasil eksperimen akan tetap mengecewakan,” tulis Bell dalam artikelnya. Dia menambahkan bahwa “Tujuannya tetap: untuk memahami dunia. Membatasi mekanika kuantum menjadi secara eksklusif tentang operasi laboratorium yang rumit berarti mengkhianati perusahaan besar. " Satu-satunya cara untuk mencapai tujuan ini dalam kerangka mekanika kuantum adalah dengan memahami fungsi gelombang secara lebih harfiah dan realistis. Bell tidak terlalu "menentang pengukuran"; ia menentang interpretasi anti-realis di mana menerapkan formalisme kuantum ke proses pengukuran adalah "prosedur simbolik murni", dan karena itu "mengkhianati perusahaan besar".

 

Jika perluasan mekanika kuantum berdasarkan variabel tersembunyi lokal dikecualikan oleh eksperimen, maka Bell berpendapat bahwa kita harus merangkul alternatif non-lokal, seperti teori "gelombang percontohan" yang terkait dengan Louis de Broglie dan David Bohm, berdasarkan pada gagasan nyata partikel dipandu oleh medan gelombang nyata (dan dengan demikian, menerima tindakan seram pada jarak dari awal). Atau mungkin kita harus menerima kebutuhan untuk memperkenalkan mekanisme fisik eksplisit untuk meruntuhkan fungsi gelombang yang terjerat, seperti yang diusulkan pada akhir 1980-an oleh Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini dan Tullio Weber, yang secara kolektif dikenal sebagai GRW (Phys. Rev. D 34 470). Teori GRW adalah teori "keruntuhan spontan", yang menghilangkan masalah pengukuran dan pengamat dengan mendalilkan bahwa fungsi gelombang runtuh secara acak baik dalam ruang maupun waktu.

 

Tiga puluh tahun berlalu

Bell benar untuk mencela ketidakpedulian dan permusuhan komunitas fisika; melawan ketidakjelasan Bohr; dan melawan ketidakkonsistenan penyajian dalam pemilihan teks populer. Tetapi penafsiran Kopenhagen telah menjadi dogma bukan melalui penerimaan argumen atau rancangan filosofis yang beralasan, tetapi secara default. Bohm menjelaskannya dalam sebuah wawancara tahun 1987 yang mengatakan, “Semua orang bercanda dengan Bohr, tetapi tidak ada yang tahu apa yang dia katakan. Orang-orang kemudian dicuci otak untuk mengatakan Bohr benar, tetapi ketika saatnya tiba untuk mengerjakan fisika mereka, mereka melakukan sesuatu yang berbeda. Itu menimbulkan kebingungan dalam fisika. Faktanya, bahkan [Werner] Heisenberg dan [Wolfgang] Pauli tidak melakukan persis seperti yang dilakukan Bohr. "

Dalam tiga dekade sejak publikasi artikel Bell di majalah ini, kami telah menyaksikan serangkaian eksperimen luar biasa yang dirancang untuk mengatasi masalah dalam fisika kuantum dasar. Hasil eksperimen ini dengan tegas menunjukkan keunggulan formalisme mekanika kuantum standar atas ekstensi yang didasarkan pada variabel tersembunyi non-lokal "kripto" dan lokal. Baik ketidaksetaraan Bell dan ketidaksetaraan lebih lanjut yang dibuat oleh fisikawan Anthony Leggett pada tahun 2003 (yang hanya mengandalkan realisme, dan sebagian melonggarkan ketergantungan pada lokalitas) telah dilanggar, dalam praktiknya. Eksperimen pada triplet foton terjerat telah mengesampingkan variabel tersembunyi lokal tanpa bantuan ketidaksetaraan Bell (Nature 403 515).

 

Tidak ada keraguan bahwa minat pasca-perang yang lambat bangkit kembali pada pertanyaan mendasar yang diajukan oleh Bohm, Bell, dan lainnya telah mengungkap beberapa fenomena luar biasa yang mungkin akan luput dari perhatian. Pemahaman eksperimental yang berkembang tentang keterjeratan telah membantu membangun disiplin yang sepenuhnya baru dari informasi kuantum dan komputasi kuantum. Tetapi kita tidak boleh mengabaikan fakta sederhana bahwa semua studi eksperimental selama 50 tahun terakhir telah gagal membangun keunggulan interpretasi realis atau perluasan mekanika kuantum. Masalah interpretasi masih belum diputuskan. Kami masih belum tahu untuk apa fungsi gelombang kuantum.

 

Selama bertahun-tahun, saya lebih suka realisme Einstein. Saya memperjuangkan penolakan Bell terhadap ortodoksi Kopenhagen (saya masih melakukannya, meskipun saya pikir sekarang saya lebih memahami asal dan sifat default ortodoksi ini). Buku pertama saya tentang mekanika kuantum, yang diterbitkan pada tahun 1992, dipuji karena “kejujurannya yang realistis”. Bertahun-tahun yang lalu, saya berlatih sebagai seorang eksperimental, dan saya dapat memberi tahu Anda bahwa sangat sulit untuk melakukan eksperimen dalam bentuk apa pun tanpa keyakinan yang kuat pada realitas hal-hal yang Anda uji coba. Inilah mengapa menurut saya sangat penting untuk mengungkap apa artinya menjadi "realis".

 

Sulit untuk melakukan eksperimen dalam bentuk apa pun tanpa keyakinan kuat pada realitas hal-hal yang sedang Anda uji

 

Jika Anda bersedia untuk duduk dan merenung, dan untuk sementara mengesampingkan prasangka filosofis Anda, Anda mungkin siap untuk setidaknya mengakui kemungkinan bahwa sejarah fisika sejak Galileo adalah sejarah upaya kami untuk menyandikan atau mengenkripsi kami. pengalaman dunia menggunakan bahasa matematika. Jika kita dapat mengidentifikasi konsep (seperti massa, muatan, momentum, dan energi) yang muncul dalam bahasa ini dengan sifat nyata dari benda nyata yang muncul di dunia ini, maka kita menjadi puas bahwa kita dapat menjelaskan fisika menggunakan ini konsep dan bahasa ini.

 

Tetapi tidak pernah ada jaminan bahwa kami akan terus dapat melakukan iklan tanpa batas ini. Para filsuf telah memperingatkan kita selama berabad-abad bahwa pada akhirnya kita dapat mencapai ambang batas mendasar antara hal-hal bagaimana "sebenarnya" dan hal-hal bagaimana yang tampak. Meskipun keyakinan realis utama saya tetap teguh, hasil eksperimen yang dikumpulkan selama 30 tahun terakhir, dan beberapa refleksi diam-diam tentang bagaimana kita benar-benar menggunakan formalisme kuantum, telah memaksa saya untuk mempertanyakan anggapan bahwa fungsi gelombang mewakili keadaan fisik nyata dari benda-benda fisik nyata. . Saya benar-benar meragukan.

 

Seperti filsuf besar Han Solo, "saya punya firasat buruk tentang ini".

Jim Baggot

Next Post Previous Post
No Comment
Add Comment
comment url