Hadiah Nobel Fisika tahun 2022 diberikan kepada tiga ilmuwan yang memberikan kontribusi inovatif dalam memahami salah satu fenomena alam paling misterius yaitu quantum entanglement.
Dalam istilah yang paling sederhana, Quantum entanglement adalah fenomena dimana aspek atau keadaan satu partikel terikat dan pada aspek atau keadaan partikel lainnya, tidak peduli seberapa jauh jaraknya atau apa yang ada di antara keduanya. Partikel-partikel ini dapat berupa, misalnya, elektron atau foton, dan yang dimaksud dengan aspek dapat berupa keadaan partikel tersebut, seperti apakah dia berputar (spinning) ke satu arah atau arah lainnya.
Bagian yang aneh dari quantum entanglement adalah ketika Anda mengukur suatu aspek pada satu partikel, Anda segera mengetahui aspek pada partikel lainnya yang terikat dengannya, meskipun jaraknya jutaan tahun cahaya. Hubungan aneh antara kedua partikel ini terjadi secara instan, seolah-olah melanggar hukum dasar alam semesta. Albert Einstein menyebut fenomena ini dengan istilah yang cukup terkenal yaitu “spooky action at a distance”.
Hingga tahun 1970-an, para peneliti masih berdebat mengenai apakah quantum entanglement adalah fenomena yang nyata. Einstein sendiri yang pada waktu itu sangat populer, juga meragukan fenomena ini. Dibutuhkan pengembangan teknologi eksperimental baru agar peneliti berani untuk akhirnya mengungkap misteri ini.
Konsep Superposition
Untuk benar-benar memahami quantum entanglement, pertama-tama penting untuk memahami konsep superposisi kuantum (quantum superposition). Quantum superposition adalah fenomena bahwa suatu partikel bisa ada pada berbagai keadaan (state) sekaligus. Ketika pengukuran dan pengamatan dilakukan pada partikel tersebut, partikel tersebut seolah-olah memilih salah satu keadaannya.
Misalnya, beberapa partikel memiliki atribut keadaan yang disebut perputaran (spin) yang dapat diukur sebagai spin up atau spin down. Namun sebelum Anda mengukur perputaran suatu partikel, partikel tersebut dapat secara bersamaan berada dalam superposisi baik spin up ataupun spin down.
Ada nilai probabilitas suatu partikel yang diamati menghasilkan kondisi spin up ataupun spin down, dan hasil rata-rata dapat diprediksi dari banyak pengukuran. Kemungkinan hasil pengukuran bergantung pada nilai probabilitas tersebut, walaupun hasilnya tidak dapat diprediksi sepenuhnya.
Meskipun sangat aneh, perhitungan matematika dan sejumlah besar eksperimen telah membuktikan fenomena superposisi ini dengan tepat.
Entangled Particles
Quantum entanglement yang aneh ini muncul dari fenomena quantum superposition, dan jelas terlihat oleh para pendiri teori mekanika kuantum yang mengembangkan teori ini pada tahun 1920-an dan 1930-an.
Untuk membuat partikel yang saling terkait (entangled particles), bisa dilakukan dengan memecah suatu sistem menjadi dua, dimana jumlah bagian-bagiannya diketahui. Misalnya, Anda dapat membagi sebuah partikel dengan spin nol menjadi dua partikel yang mempunyai spin berlawanan sehingga jumlahnya nol.
Pada tahun 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky, dan Nathan Rosen menerbitkan sebuah makalah untuk menggambarkan eksperimen dan dirancang untuk menggambarkan quantum entanglement yang tampak absurd dan menantang hukum dasar alam semesta.
Versi sederhana dari eksperimen ini, yang dilakukan oleh David Bohm, menggunakan peluruhan partikel yang disebut pi meson. Ketika partikel ini meluruh, ia menghasilkan elektron dan positron yang mempunyai perputaran atau spin berlawanan dan menjauhi satu sama lain. Oleh karena itu, jika spin elektron diukur ke atas atau spin up, maka spin positron yang diukur hanya bisa ke bawah atau spin down, dan sebaliknya. Hal ini berlaku bahkan jika partikel-partikel tersebut berjarak miliaran mil.
Eksperimen ini tidak akan aneh jika pengukuran spin elektron selalu spin up dan spin positron yang diukur selalu spin down. Namun karena konsep quantum superposition, perputaran setiap partikel bisa merupakan spin up dan spin down pada waktu bersamaan, hingga suatu pengukuran atau pengamatan dilakukan. Hanya ketika pengukuran terjadi, keadaan (quantum state) dari perputaran partikel tersebut dapat diketahui, baik spin up atau spin down – dan otomatis secara instan kita mengetahui partikel lain akan mempunyai putaran yang berlawanan. Hal ini tampaknya menunjukkan bahwa partikel-partikel tersebut berkomunikasi satu sama lain lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Namun menurut hukum fisika, tidak ada yang bisa bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya.
Teori Hidden Variables
Fisikawan, termasuk Einstein, mengajukan sejumlah interpretasi alternatif mengenai quantum entanglement pada tahun 1930-an. Mereka berteori bahwa ada beberapa sifat yang tidak diketahui – yang disebut hidden variables – yang menentukan keadaan suatu partikel sebelum diukur. Namun pada saat itu, fisikawan belum memiliki teknologi atau definisi pengukuran jelas yang dapat menguji apakah teori kuantum perlu dimodifikasi untuk memasukkan teori hidden variables ini.
Butuh waktu hingga tahun 1960-an sebelum ada jawaban untuk teori ini. John Bell, seorang fisikawan brilian asal Irlandia yang meninggal sebelum menerima Hadiah Nobel, merancang skema untuk menguji apakah gagasan tentang teori hidden variables masuk akal. Bell merancang persamaan yang sekarang dikenal sebagai persamaan bell’s inequality.
Eksperimen para peraih Nobel tahun 2022, khususnya Alain Aspect, merupakan eksperimen pertama terhadap persamaan bell’s inequality. Eksperimen tersebut menggunakan entangled photons, bukan pasangan elektron dan positron, seperti dalam banyak eksperimen sebelumnya. Hasilnya secara meyakinkan mengesampingkan keberadaan hidden variables. Secara kolektif, eksperimen ini dan banyak eksperimen selanjutnya telah membuktikan kebenaran mekanika kuantum. Objek dapat dikorelasikan dalam jarak yang jauh dengan cara yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika sebelum mekanika kuantum.
Yang penting, tidak ada konflik antara fenomena quantum entanglement dengan teori special relativity, yang mengatakan tidak ada yang lebih cepat dari cahaya. Pengukuran dua partikel jarak jauh yang saling berkorelasi tidak berarti bahwa informasi ditransmisikan antar partikel tersebut. Dua pihak yang berjauhan dan melakukan pengukuran pada partikel yang saling terkait dengan fenomena quantum entanglement, tidak dapat menggunakan fenomena tersebut untuk membuat kesimpulan adanya pengiriman informasi lebih cepat dari kecepatan cahaya.
Saat ini, fisikawan terus meneliti fenomena quantum entanglement, namun ada satu hal yang pasti, masih banyak yang tidak diketahui tentang dunia misterius mekanika kuantum ini.
Lihat versi asli artikel ini di discovermagazine
