Dari Sini Menuju Ketidakpastian

Dari Sini Menuju Ketidakpastian: Fisika Modern Relativitas Relativitas, tidak sama dengan E = mc2. formula simbol Albert Einstein ini hanyalah sebuah bonus dari teorinya yang lebih luas tentang bagaimana berbagai sesuatu itu menampak dari sudut-sudut pandang yang berbeda. Tentu saja, jika ini sesederhana itu, anda tidak akan membaca tentang hal itu, disini. Einstein (1879-1955) sebenarnya memunculkan dua teori relativitas yang disebut “spesial” dan “umum”. (Teori relativitas yang umum mencakup yang spesial sebagai sebuah kasus yang khusus). Kesimpulan-kesimpulan dia yang paling menarik adalah sebagai berikut: •

Waktu dan ruang itu bukan kuantitas-kuantitas baku (fixed) yang absolut. Keduanya tampak berbeda bagi banyak orang yang bergerak pada kecepatan-kecepatan yang berbeda, meskipun jika perbedaan dalam kecepatan-kecepatan ini kecil, perbedaan ini dalam penampakannya adalah sangat kecil (infinitesimal. Ini adalah esensi dari teori spesial.

•

Jika anda tidak dapat menjelaskan perbedaan antara dua kekuatan atau peristiwa-peristiwa fisik ini, maka tidak ada perbedaan efektif antara keduanya. Misalnya, menurut teori relativitas yang umum, tidak ada jalan untuk menjelaskan perbedaan antara sebuah kekuatan yang mengakselerasi dan sebuah kekuatan gravitasional. Dengan demikian, tidak ada perbedaan yang nyata antara akselerasi dengan gravitasi.

Demikianlah, kurang lebih, penjelasannya. Tentu saja, teori-teori ini hadir satu paket dengan matematika, dimana ini membuat para fisikawan merasa senang, tapi, pada esensinya, kemasyhuran Einstein bersandar pada wawasan dia tentang kualitas observasi-observasi dan pengukuran-pengukuran yang subyektif. Saya akan melampaui bagian-bagian tertentu dari formula ini dan mencoba untuk mengklarifikasi wawasan ini. Einstein memulai dengan sebuah ide yang jika ditelusuri akan berujung pada Newton: gerak (motion) adalah relatif. Lebih tepatnya, hukum-hukum fisika terlihat sama apakah seseorang itu sedang berdiri atau sedang bergerak pada kecepatan yang konstan. Katakanlah, anda sedang terbang dalam sebuah pesawat yang stabil mengudara pada ketinggian 30.000 kaki. Anda sebenarnya tidak ingin merasakan gerak pesawat kecuali ada sesuatu yang mengganggunya. Jika anda anda bangkit dari tempat duduk anda untuk mencari sebuah copy dari (majalah) People, anda akan mengupayakan hal yang sama, dan tampak bergerak pada jarak yang sama, seolah-olah pesawat itu sedang diparkir di hanggar (gate). Dalam kenyataan, jika anda tidak tahu secara lebih baik, anda mungkin dimaafkan atas pemikiran, saat anda melihat ke jendela pesawat, bahwa awaanawan dan permukaan tanah-lah yang sedang bergerak, bukan pesawat. Tentu saja, awan-awan dan permukaan bumi itu sedang bergerak---tapi, dengan kecepatan yang berbeda dengan kecepatan pesawat itu. Ini memunculkan sebuah pertanyaan yang menarik: seberapa cepat sebenarnya pesawat itu bergerak? Marilah kita katakan bahwa, dengan ketinggian yang relatif dari permukaan tanah, kecepatan pesawat itu adalah 500 mil per jam. Tapi, permukaan itu sendiri juga sedang bergerak, yang didasarkan pada rotasi bumi,

dengan kecepatan kira-kira 1.000 mil per jam. Bagi seseorang yang sedang duduk di stasiun ruang angkasa dalam keadaan tidak bergerak dalam hubungannya dengan matahari, ini akan terlihat bahwa anda sedang menempuh kecepatan 1500 mil per jam jika pesawat itu terbang ke arah timur, atau, jika ia terbang ke arah barat, sehingga anda sebenarnya sedang terbang ke arah belakang pada kecepatan 500 mil per jam (sementara bumi ini berputar ke belakang dua kali lebih cepat dari kecepatan itu). Hasil akhir dari semua ini adalah bahwa apa yang terlihat seperti 500 mil per jam dalam satu kerangka acuan tertentu, akan terlihat seperti 1500 mil perjam atau hingga 500 mil perjam, atau 0 dari kerangka acuan yang lain. Yaitu, tidak ada suatu kecepatan yang “absolut”, yang ada hanyalah kecepatan yang relatif. Namun demikian, relativitas menyatakan bahwa jika anda sedang menempuh perjalanan pada kecepatan yang konstan, yang dikaitkan dengan beberapa kerangka acuan lain (kita akan menyebutnya sebagai “sistem” mulai saat ini hingga seterusnya), hukum-hukum fisika akan terlihat dan bertindak sama bagi anda sebagaimana ia bertindak dalam kerangka acuan (“sistem”) lain itu. Dengan berasumsi bahwa waktu menjadi situasi yang tidak nyata dimana pesawat anda sedang terbang pfada kecepatan yang stabil melalui ruang yang hampa udara, ini akan semudah men-dribble sebuah bola basket di lorong sebagaimana juga mudah untuk men-dribble-nya di dalam kamar, meskipun demikian, dari sudut pandang yang didasarkan pada permukaan tanah, lantai pesawat itu sedang bergerak dengan kecepatan yang lebih rendah, dibandingkan dengan kecepatan bola itu, pada 500 mil per jam. Ini adalah relativitas “Newtonian”.

Teori Relativitas Khusus Apa yang tidak diketahui oleh Newton, dan apa yang membuat gambar ini menjadi sangat rumit adalah bahwa tidak peduli pada sistem apa yang melingkupi anda, dan tidak peduli seberapa cepat yang ditempuh jika dikaitkan dengan pihak lain, kecepatan cahaya itu adalah pasti dan tetap, jika kita menolak gravitasi. Sebuah sinar cahaya yang melintasi pesawat anda akan tampak menempuh perjalanan dengan kecepatan yang persis sama dengan kecepatan anda, bagi sang pengamat di stasiun ruang angkasa, dan bagi siapa saja yang sedang mengamati dengan teropong dua lensa dari permukaan bumi. Kecepatan ini---kira-kira 186.000 mil per detik--- secara konvensi, ditandai dengan c. Marilah kita membawa diskusi ini turun ke bumi. Anggaplah anda sedang melakukan perjalanan dengan sebuah kereta yang menempuh kecepatan 80 mil per jam. Marilah kita juga, demi kepentingan argumen, bahwa kereta itu tembus pandang (transparan). Jika anda berjalan menuju ke bagian depan kereta itu, dimana anda terlihat seperti menempuh 3 mil perjam, bagi sang pengamat, berdasarkan pada jalur rel yang tampak akan anda tempuh dengan kecepatan 83 mil perjam yang dikaitkan dengan permukaan tanah. Setidaknya, itulah yang dikatakan oleh pemahaman awam dan relativitas Newtonian. Sekarang, bayangkan bahwa sang pengamat ini menyorotkan lampu blitz ke arah jalur rel ini secara lurus searah dengan kereta yang sedang berjalan. Cahaya dari lampu blitz ini melewati kereta ini; pada saat yang sama, ia juga bergerak secara paralel dengan permukaan tanah. Berdasarkan hukum-hukum

fisika, jika masinis kereta ini mengukur kecepatan dari cahaya ini saat ia melewati kereta, dia harusnya akan mendekati c. Demikian pula, pengamat kita yang ada di permukaan tanah, dengan mengukur kecepatan cahaya dari perpektif dia, juga, pastinya akan sampai pada c. Terdapat masalah serius di sini: bagaimana mungkin sesuatu itu melewati sebuah kereta yang sedang bergerak dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan kereta itu sendiri sebagaimana halnya ia dikaitkan dengan permukaan tanah? Pikirkan contoh kita sebelumnya: jika anda berjalan menuruni lorong pada kecepatan 3 mph dikaitkan dengan kereta itu, anda harusnya bergerak lebih cepat, jika dikaitkan dengan permukaan tanah---yaitu, 83 mph (atau demikian pula yang akan dikatakan oleh Newton). Mengapa kasusnya menjadi berbeda dengan cahaya? Mengapa ia tidak menampak dari permukaan tanah untuk bergerak melewati kereta pada c + 80 mph? Atau, jika harus menempuh perjalanan pada c jika dikaitkan dengan permukaan tanah, mengapa kemudian ia tidak tampak terlihat oleh orang yang berada di dalam kereta yang bergerak pada c – 80 mph? Disinilah muncul relativitas itu. Sebagaimana telah diketahui, jika anda berjalan melewati kereta pada 3 mph, anda tidak akan terlihat oleh orang-orang yang ada di atas permukaan tanah yang sedang bergerak pada 83 mph, tapi lebih berupa kecepatan yang sedikit lebih rendah. Dalam kasus ini, 80 + 3 tidak sama dengan 83. Satu-satunya waktu dimana waktu tambahan akan bekerja adalah jika anda masih berdiri di atas kereta: dalam kasus ini, anda akan terlihat oleh seseorang yang berada di permukaan tanah, sedang bergerak pada 80 + 0 mph. Pada arah berlawanan yang ekstrim, cahaya bergerak melewati kereta pada c

akan terlihat oleh seseorang yang ada di atas permukaan tanah, sedang bergerak pada c, keceptan 80 mph tidak berperan sama sekali. Tapi, bagi gerak apapun pada kecepatan antara 0 dan c, akan terlihat oleh pengamat kita di atas permukaan tanah sebagai sebuah kontraksi dari ruang dan sebuah waktu yang melambat. Kesimpulan ini penting jika kita sedang memecahkan masalah yang ditimbulkan oleh kecepatan cahaya yang absolut. Jika waktu dan ruang itu berbeda di atas kereta daripada mereka yang ada di atas permukaan tanah, maka, kita dapat mempunyai kue kita dan memakannya juga. Ketika kecepatan adalah jarak yang telah ditempuh dibagi dengan waktu yang diperlukan, anda dapat menghitung gerak anda di atas kereta pada kecepatan 3 mph dan seseorang yang ada di atas permukaan tanah dapat menghitungnya kurang dari 3 mph hanya jika ukuran mil anda jam anda berbeda dengan ukuran dia. Inilah persisnya kesimpulan utama Einstein ketika dia memformulasikan teori relativitas yang spesial ini dalam sebuah paper di tahun 1905. Dia telah mengadaptasikan ekuasi-ekuasi untuk kompresi waktu dan ruang yang telah dikembangkan oleh fisikawan Belanda, Hendrik Lorentz, yang telah mempelajari elektromagnetisme, dan menerapkannya pada seluruh peristiwa dalam ruang dan waktu. Atau lebih berupa, dia menerapkannya pada peristiwa-peristiwa yang dipandang dari dua sistem yang sedang berak dalam gerak yang sama, konstan, dan linier---sungguh sebuah kasus yang sangat istimewa, dan jarang ditemukan oleh seseorang dalam pengalaman sehari-hari. Teori relativitas yang spesial ini tumbuh berdasarkan pada relativitas Newtonian---ide bahwa hukum-hukum fisika terlihat dan terasa persis sama

dalam dua sistem dalam gerak relatif yang konstan (seperti sebuah kereta yang sedang bergerak dalam kecepatan yang stabil di atas permukaan tanah). Tapi, Einstein mengabaikan satu dari hukum-hukum alam yang tampak paling solid: bahwa ruang dan waktu adalah absolut---bahwa satu mil adalah satu mil adalah satu mil dan satu detik satu detik satu detik, tak peduli sistem apa yang menaungi anda, apakah dalam keadaan tidak bergerak atau bergerak pada 186.000 mil per detik. Dalam kenyataan, apa yang tampa seperti satu mil di atas sebuah kereta yang sedang bergerak, akan terlihat lebih pendek daripada satu mil dari permukaan tanah; dan apa yang tampak seperti satu detik di atas kereta, akan terlihat lebih lama dari satu detik dari sebuah stasiun. Sebuah fakta aneh tentang ini adalah bahwa ia juga bekerja secara sebaliknya: apa yang terlihat seperti satu mil dari permukaan tanah, akan terlihat lebih pendek dari saat berada di atas kereta, dan seterusnya. Jika tidak demikian, anda akan tahu bahwa kereta itu sedang bergerak, dan bukan di atas permukaan tanah, dimana ini bertentangan dengan teori ini. Lalu, Einstein tidak mengatakan bahwa obyek-obyek yang bergerak, secara harfiah, berkontraksi---bahka, katakanlah, sebuah hot dog yang panjangnya satu kaki adalah lebih pendek daripada hot dog dengan panjang dua belas inci di atas sebuah kereta yang sedang bergerak. Ini adalah mustahil, karena relativitas itu berlangsung secara timbal balik: adalah sama bagusnya untuk mengatakan bahwa permukaan tanah itu sedang bergerak sebagaimana halnya dengan mengatakan bahwa kereta itu sedang bergerak, sehingga tidak ada tempat untuk berdiri dan mengatakan: “Disini, sebuah hot dog dengan panjang

satu kaki adalah absolut satu kaki panjangnya.” Einstein sedang berbicara tentang kontraksi yang dapat terlihat, yang setara dengan ketidaksepakatan antara dua pihak tentang gerak relatif, ukuran-ukuran siapakah yang benar. Fakta yang menyedihkan adalah bahwa tak satupun yang benar. Untuk mengukur sesuatu, ini membutuhkan waktu, dan ia juga membutuhkan pengamatan terhadap sesuatu itu, yang mensyaratkan cahaya, yang dengan sendirinya membutuhkan waktu untuk menempuh perjalanan. Dimana anda berada saat anda melihat sesuatu---saat anda menerima informati tentangnya--menentukan kapan anda berpikir ia telah terjadi. Poin dari relativitas spesial ini adalah bahwa tak seorang pun dalam posisi apapun yang dapat pernah berkata: “Peristiwa ini telah terjadi pada waktu definitif (mempunyai batasan-batasan yang tegas dan tak terbantahkan, pent.) ini dan di tempat definitif ini.”

Teori Relativitas Umum Kita telah menggoreng seluruh ikan, tapi Einstein bahkan mempunyai ambisiambisi yang lebih besar lagi. Dalam teori spesial-nya, dia telah menunjukkan bahwa hukum-hukum fisika memegang sistem-sistem yang berseberangan yang sedang bergerak dalam gerak yang sama sepanjang kita mengabaikan gagasangagasan tentang waktu yang telah baku dan jarak yang telah baku. Pada tahun 1916, dia membawa relativitas melangkah lebih jauh lagi, dengan “teori umum”nya, yang mengembangkan teori spesialnya untuk mencakup semua sistem apapun, bahkan jika mereka bergerak secara tidak beraturan, secara elips, atau dengan kecepatan yang berubah-ubah dikaitkan dengan sebuah poin acuan

yang dipilih. Dia melakukan ini dengan membuktikan bahwa tidak ada basis yang riil untuk membedakan akselerasi dari graviti---mereka merasa dan bertindak secara sama persis (itulah sebabnya, ketika anda menaiki permainan roller coaster, perubahan-perubahan dalam kecepatan terasa seperti bertambahnya atau berkurangnya berat). Banyak argumen-argumen subtil (sangat kecil dan halus sehingga sulit untuk dideteksi) selanjutnya---dan anda akan memaafkan saya atas pengabaian mereka disini---Einstein menunjukkan bahwa hukum-hukum fisika dapat dihasilkan dari sistem apapun, apapun keadaan geraknya, dan itu tidak hanya relatif secara jarak dan waktu, tapi demikian pula akselerasi dan gravitasi, dan dengan demikian, setiap kuantitas yang bergantung pada mereka (seperti kekuatan dan momentum). Dan tidak ada cara untuk menemukan, dan tidak ada basis untuk memilih, satu kerangka acuan yang akan menghasilkan nilai-nilai yang “benar” tentang ukuran satu mil, satu detik, atau satu pon. Diantara banyak akibat revolusioner dari teori relativitas yang umum ini adalah kesadaran bahwa waktu itu bukan ruang yang independen---sungguh, bahwa waktu terlihat dan bertindak seperti sebuah dimensi spasial, dan yang dapat “dibelokkan” oleh medan-medan gravitasi. Dengan demikian, Einstein tidak membicarakan peristiwa-peristiwa yang sedang terjadi dalam ruang pada sebuah poin khusus (dan tidak berkaitan) dalam waktu, tapi lebih berupa peristiwa-peristiwa dalam suatu “ruang-waktu berkesinambungan” empatdimensi. Kesinambungan ini dibelokkan dan dibengkokkan oleh gravitasi; ia menolak hukum-hukum geometry Euclidean dan Cartesian yang rapi, yang mengasumsikan suatu homogenitas ruang dan waktu dan suatu alam semesta

yang bergerak searah garis lurus. (Seseorang harus menggunakan apa yang disebut dengan “geometri non-Euclidean” terkait dengan fenomena ruangwaktu; Einstein sendiri lebih menyukai geometri yang dikembangkan oleh Gauss). Bahkan, secara lebih radikal lagi, Einstein mempertanyakan gagasangagasan tentang “ruang” dan “waktu” ini, yang dia lihat sebagai efek-efek psikologis daripada sebagai “realitas-realitas” alam. Ketika bentuk dari apa yang kita sebut “ruang” (“ruang-waktu” menurut Einstein) bergantung pada gravitasi, yang mensyaratkan benda-benda materi, Einstein memutuskan bahwa ruang dan waktu tanpa materi adalah tak ada artinya. Pernah, ketika diminta untuk menjelaskan makna relativitas, Einstein menjawab: “Ini telah diyakini sebelumnya bahwa jika semua benda-benda materi dilenyapkan dari alam semesta ini, waktu dan ruang akan masih tetap ada. Namun, menurut teori relativitas, waktu dan ruang lenyap bersamaan dengan lenyapnya benda-benda.”

E = mc2 Dan sekarang tentang E = mc2, dimana mayoritas orang menyamakannya dengan relativitas. Sekali lagi, ini hanya sebuah akibat alami dari teori relativitas yang spesial, dimana Einstein sendiri tidak banyak dibuat sibuk dibuatnya. Detail-detail yang menyeramkan mungkin ditemukan dalam sebuah APPENDIKS (lihat, hal. ..), tapi yang disajikan disini adalah sebuah versi yang cepat: teori relativitas yang spesial menyatakan bahwa hukum-hubuk fisika harus terlihat sama bagi dua pengamat dalam gerak konstan yang sama. Diantara hukum-hukum ini adalah hukum konservasi Newton tentang momentum [lihat,

hal....). tapi, ketika pengertian momentum adalah massa dikali kecepatan, dan ketika kecepatan akan terlihat berbeda bagi dua pengamat ini, maka relativitas memaksa kita untuk mengambil kesimpulan bahwa benda-benda yang bergeraklebih cepat harus menampak agar dapat mempunyai lebih banyak massa. Lalu, jika massa bersifat relatif bagi kecepatan, maka, apa yang terjadi pada sebuah obyek ketika kita menambahkan energi kepadanya, bergantung pada seberapa cepat ia bergerak. Energi, dalam bentuk kekuatan, meningkatkan momentum sebuah obyek; berdasarkan pada hukum mekanika Newton, ini hanya berarti bahwa kita meningkatkan kecepatannya, ketika massa diasumsikan sebagai telah baku (fixed). Tapi, Einstein menunjukkan bahwa massa itu tidak pernah diberikan secara absolut, tapi selalu bersifat relatif dan meningkat dengan kecepatan. Jadi, dengan menambahkan energi kepada sebuah obyek bagi semua niat dan tujuan akan meningkatkan massanya. Dalam kenyataan, jika obyek ini terus bergerak hingga mendekati kecepatan cahaya, kita hampir tidak dapat mempengaruhi kecepatannya sama sekali, dan energi ekstra akan mengisi hampir secara utuh untuk meningkatkan massanya. Jadi, energi, E, harusnya dalam kadar tertentu dapat diubah bentuknya menjadi massa, m. Ini harusnya benar bagi sebuah obyek yang sedang bergerak pada kecepatan cahaya sebagaimana yang lainnya, dan kita tidak pernah dapat membuat sebuah obyek untuk bergerak lebih cepat; karena obyekobyek ini, energi ekstra adalah sama dengan massa ekstra. Tapi, menurut relativitas, untuk mengatakan obyek ini sedang bergerak pada kecepatan cahaya adalah persis sama dengan mengatakan bahwa ia dalam keadaan tidak bergerak sementara kita bergerak pada kecepatan cahaya. Dengan kata lain, tidak peduli

seberapa cepat sesuatu itu sedang bergerak, massanya dapat diubah bentuk menjadi energi. Faktor proporsional berakhir dengan menjadi kecepatan cahaya dikwadratkan, memberikan formula terkenal Einstein, E = mc2. Artinya adalah bahwa jika kita tidak menamb ah kecepatan dari sebuah obyek, kita dapat menambahkan secara persis E/c2 lebih banyak massa kepadanya dengan memompa energi E. (meskipun, E harus cukup besar untuk membuat suatu perbedaan yang signifikan). Dan, secara timbal balik, kita harus mampu mengubah bentuk massa kembali menjadi energi, oleh faktor yang sangat besar c2. Faktor ini begitu besar yang menghancur-leburkan beberapa atom, memberikan kandungan energi yang sangat besar, dengan akibat bahwa seluruh kota-kota metropolis dapat dihancurkan atau dapat menciptakan peralatan kekuatan nuklir. Einstein tidak pernah, secara tegas, mendesain hasil akhir yang tertentu; dia hanya tertarik dengan ekuasi-ekuasi yang benar. Teknologi telah mengambil bola dan melarikannya.

Sebuah “Lompatan Quantum” Sejalan dengan paper-paper Einstein tentang relativitas, teori mekanika kuantum ini membantu untuk mengakhiri era di mana fisika bersahabat dan harmonis dengan akal sehat. Ide Newtonian bahwa partikel-partikel terkecil dari materi harus berperilaku seperti partikel-partikel yang terbesar, dan keyakinan bahwa teori-teori tentang dunia mikroskopik akan dengan mudah bersesuaian dengan visi kita tentang dunia secara luas, telah lenyap.

Mekanika kuantum adalah ilmu pengetahuan tentang bagaimana partikelpartikel sub-atomik melakukan perjalanan, mengorbit, dan melompat. (Yang penting, terutama sekali, adalah bagaimana aktivitas semacam ini menghasilkan cahaya). Ide-ide dasar ini, meskipun sangat menakjubkan, muncul dari eksperimen-eksperimen sederhana, yang dipimpin oleh Max Planck di sekitar pergantian abad dua puluh, yang melibatkan radiasi cahaya dalam frekuensifrekuensi (warna-warna) yang beragam oleh obyek-obyek hitam yang panas (hot black objects). Planck sampai pada hasil-hasil yang aneh. Sebelum eksperimeneksperimen yang dia lakukan, para fisikawan berasumsi bahwa cahaya adalah sebuah bentuk gelombang dari energi, persis seperti suara. Batere-batere dari eksperimen-eksperimen telah mendukung asumsi ini, ketika cahaya menghasilkan pola-pola interferensi (gangguan) yang hanya dapat dihasilkan oleh gelombang-gelombang. Namun, hasil studi keseluruhan dari Plank hanya dapat dijelaskan jika cahaya memancar tidak dalam gelombang yang terusmenerus. Tapi dalam ledakan-ledakan kecil dari “gumpalan-gumpalan” seperti partikel, yang dia sebut sebagai “quanta” (bentuk tunggalnya adalah “quantum”). Jika cahaya benar-benar menjadi “quanta”, bagaimana mereka ini dapat dihasilkan? Ketika cahaya adalah energi yang dikeluarkan oleh materi, penghantarannya, pada akhirnya, harus ditelusuri pada pelepasan energi pada tingkat atom. Mekanika ini masih dalam perdebatan, tapi teori sentralnya adalah tentang Niels Bohr, fisikawan Denmark, yang menerapkan teori quantum Planck pada model atomik yang dikembangkan pada tahun 1910.

Berdasarkan model ini, setiap atom adalah seperti sebuah miniatur dari tata surya, dengan nukleus pada posisi matahari dan elektron-elektron pada posisi planet-planet yang mengitari nukleus. Menurut Bohr, elektron-elektron mengitari nukleus sepanjang garis-garis orbit khusus dan baku. Jika kita membombardir sebuah atom dengan energi, kita mungkin “menstimulasi” elektron-elektronnya untuk melompat dari satu orbit ke orbit lainnya, tapi, mereka tidak pernah dapat dibuat untuk bertempat tinggal di suatu tempat diantara itu---dalam kenyataan, mereka bahkan tidak dapat dikatakan “eksis” ditengahnya: mereka lenyap dari satu orbit dan menampak di orbit lain. Dan begitu kita memindahkan stimulus eksternal, elektron-elektron ini akan “melompat” kembali ke orbit-orbit asal mereka, dengan melepaskan energi dalam proses perpindahan itu. Inilah “lompatan quantum” yang terkenal itu, yang pertama kali digambarkan oleh Bohr pada tahun 1913: ketika sebuah elektron melompat dari sebuah orbit terluar menuju orbit yang lebih dalam, energi dilepaskan dalam bentuk sebuah quantum cahaya (disebut dengan sebuah “photon”). Perubahan tiba-tiba dan tak terduga dalam energi, dan fakta bahwa elektron-elektron ini melompat secara spontan dari satu posisi menuju posisi lain (yang tidak berdekatan) tanpa melewati, secara fisik, tengah-tengahnya, menjelaskan penggunaan umum dari “lompatan quantum” untuk memaknai “perubahan radikal dan tiba-tiba dari situasi-situasi”. (Para fisikawan lebih menyukai istilah “quantum jump” ketika menggambarkan teori ini). Adapun yang menjadi masalah dengan teori Bohr ini adalah bahwa, sementara teori ini memperhitungkan keragaman dari fenomena yang dicermati,

ia tidak pernah dapat dibuktikan melalui observasi. Anda tidak dapat meletakkan sebuah atom di bawah sebuah mikroskop dan mengamati elektron-elektronnya berlompatan. Dan, dalam kenyataan, sejumlah metode-metode dan teori-teori saingan telah berkembang sebagai respons atas riset Bohr, yang paling menuntut perhatian adalah Copenhagen Institute for Theoretical Physics, dimana Erwin Schrodinger mengemukakan sebuah reinterpretasi (penafsiran ulang) tentang model atomik. Kisah ini akan dilanjutkan pada sub-judul “Prinsip Ketidakpastian”.

Prinsip Ketidakpastian Dari ketidakpastian ia muncul, dan menuju ketidakpastian ia akan kembali. Yang sebenarnya dimaksudkan oleh Werner Heisenberg tentang “prinsip ketidakpastian” adalah bergantung kepada siapa yang anda tanya. Tanyakan kepada ratusan orang dan anda akan memperoleh 60 tatapan (membelalak) hampa, 30 angkat bahu (tanda tak tahu, pent.), dan 10 versi jawaban “ Kita mengubah dunia ini dengan mengobservasinya,” yang tidak cukup benar. Ironinya adalah bahwa Heisenberg berharap untuk dapat mereduksi kebingungan yang dihasilkan oleh teori-teori fisika modern---khususnya mekanika quantum. Pada dasarnya, yang ingin dikatakan oleh Prinsip Ketidakpastian ini adalah bahwa tidak ada cara untuk mengukur secara tepat properti-properti (perlengkapan) paling esensial dari perilaku sub-atomik. Atau lebih tepatnya, semakin pasti dan akurat anda mengukur satu properti---katakanlah,

momentum dari sebuah elektron---semakin kurang akurat anda dapat mengetahui yang lain---dalam kasus ini, posisinya. Semakin pasti satu properti, maka semakin tidak pasti properti yang lainnya. Heisenberg telah menemukan fakta yang tidak mengenakkan ini dalam upaya untuk berinteraksi dengan teori-teori cahaya yang sedang bersaing ini. Menurut teori quantum Niels Bohr, yang lebih disukai oleh Heisenberg, cahaya dilepaskan energinya (emitted) secara tidak berkesinambungan oleh atom-atom dalam gumpalan-gumpalan ketika elektron-elektron membuat sebuah “lompatan quantum.” Menurut fisikawan lain seperti Erwin Schrodinger (tentang cat fame), teori quantum gagal karena ia tidak dapat menjelaskan cara-cara dimana cahaya berperilaku seperti sebuah gelombang. Heisenberg sendiri merasa tidak puas dengan teori Bohr, karena ia disandarkan pada sebuah gambar tentang atom yang tidak pernah dapat dibuktikan. Tapi, dia memikirkan gambar saingan dari Schrodinger adalah lebih salah lagi, dan untuk membuktikannya, dia merancang untuk menguji secara lebih teliti apa yang dapat kita katakan secara pasti tentang elektron-elektron. Dalam proses, dia menguji dengan cermat pengukuran-pengukuran umum--posisi, kecepatan, momentum, energi, dan waktu---yang digunakan oleh para fisikawan dalam mengemukakan teori-teori mereka. Pada tahun 1927, dia sampai pada sebuah kesimpulan yang mengejutkan: bahwa teori quantum dan teori gelombang saingannya, sebagaimana yang kemudian diformulasikan, ternyata dipenuhi dengan ketidakpastian-ketidakpastian yang tak mungkin dilenyapkan. Heisenberg mulai berpikir keras tentang proses observasi ilmiah yang sama ini, yang mungkin secara umum dapat diandalkan ketika berhubungan

dengan obyek-obyek sehari-hari, tapi kemudian menemui kesulitan-kesulitan sangat serius ketika dia sampai pada penelitian partikel-partikel sub-atomik. Poin pertama dia adalah ini: anda tidak dapat mengobservasi posisi dari sebuah elektron kecuali dengan memantulkannya. Dengan kata lain, anda harus memperkenalkan sebuah bentuk radiasi, yang mempunyai energinya sendiri, dan energi ini akan mengganggu jalan elektron hingga tingkat yang lebih besar atau lebih kecil. Dalam kenyataan, semakin tepat dan akurat anda ingin untuk menentukan posisi elektron, maka semakin anda harus mengganggu kecepatannya (dan dengan demikian momentumnya), karena anda harus menambahkan energi lebih. Secara timbal balik, jika ingin untuk mengukur secara tepat dan akurat momentum elektron ini (yang diekspresikan dalam kecepatannya), anda harus meminimalisir gangguan dari radiasi. Tapi, dengan melakukan yang demikian ini, anda membuatnya menjadi tidak mungkin untuk menentukan posisi elektron dengan tepat. Untuk meringkas pembahasan, radiasi dari energi yang sangat besar ini akan memberi anda data yang lebih akurat tentang dimana elektron berada, sementara pada saat yang sama menghancurkan bukti dari kecepatannya yang awal. Radiasi dari energi rendah ini akan memberi anda data yang lebih akurat tentang seberapa cepat elektron ini bergerak, sementara pada saat yang sama menyamarkan data tentang letak keberadaannya. Bahkan yang lebih aneh, tindakan yang sama dalam mengobservasi posisi sebuah elektron, akan membuatnya “berperilaku” lebih seperti sebuah partikel, sementara tindakan

untuk mengukur energinya akan membuatnya “berperilaku” lebih seperti sebuah gelombang. Heisenberg mengupayakan sedikit formula yang menarik untuk mengekspresikan fakta-fakta yang membuat frustrasi ini, ide sentralnya adalah bahwa jika anda menggandakan ketidakpastian dari posisi dengan ketidakpastian momentum, produknya tidak pernah dapat menjadi lebih kecil daripada sejumlah hal positif tertentu yang disebut “Konstanta Planck”. Yaitu, ketidakpastian tidak pernah dapat direduksikan ke angka nol, dan semakin bagus anda mengukur satu kuantitas, maka semakin tidak pasti kuantitas yang lain. Poinnya bukan bahwa pengetahuan kita tentang partikel-partikel atomik itu bersifat tidak pasti karena teknik pengukuran kita yang tidak cukup bagus. Poinnya lebih berupa: tidak ada teknik apapun yang pernah dapat menaklukkan ketidakpastian fundamental ini atau “kesamaran” dalam perilaku quantum. Elektron-elektron, dalam kenyataan, mungkin saja berperilaku persis seperti poin-poin yang sedang bergerak pada kecepatan-kecepatan yang tepat, tapi kita tidak akan pernah mampu untuk tahu; ini sepertinya mereka tidak dapat dipahami, jadi proposisi-proposisi (usul dan saran) untuk memberi pengaruh adalah tidak bermakna dan tidak bermanfaat. Dalam istilah-istilah praktis, apa yang disarkankan oleh prinsip ketidakpastian adalah bahwa anda tidak dapat memperlakukan partikel-partikel atau quanta seolah-olah mereka adalah seperti obyek-obyek yang kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari---obyek-obyek yang dapat kita genggam dengan jari tangan kita dan berkata: “Disini, obyek ini sekarang, dan disana, kemana ia akan menuju.” Aspek-aspek esensial dari sebuah partikel (posisi, kecepatan,

momentum, energi) tidak pernah dapat secara persis diobservasi segera--tindakan observasi itu sendiri, secara tak terhindarkan dan tak dapat diperoleh kembali, mendistorsi sekurang-kurangnya satu dari kuantitas-kuantitas ini. Hal terbaik yang dapat kita harapkan adalah untuk membuat pengukuranpengukuran dan membuat prediksi-prediksi yang bersifat mungkin atau bersifat statistik. Gagasan-gagasan yang tampaknya kalah ini membangkitkan amarah dari beberapa fisikawan hebat, fisikawan yang paling terkenal di kalangan mereka adalah Albert Einstein. Dia selalu menolak dan menyangkal.

“Tuhan Tidak Bermain Dadu” “Bagaimanapun juga, aku merasa yakin bahwa Dia tidak bermain dadu.” Albert Einstein, letter to Max Born, 1926 Bahkan para pemikir yang paling radikal dan inovatif pun, setelah mempelopori sistem-sistem pemikiran yang baru, tidak pernah sepenuhnya mendobrak sistem pemikiran yang lama. Sigmund Freud, pada intinya, masih tetap seorang ilmuwan dengan watak kuat abad 19, dan demikian pula, dalam banyak hal, dengan Albert Einstein. Einstein, dengan membantu memformulasikan partikel ganda/model gelombang dari entitas-entitas sub-atomik, telah memberi kontribusi sebesar para ilmuwan lain bagi lahirnya mekanika quantum. Tapi, di proses akhir, dia tidak mampu untuk menerima kesimpulan-kesimpulannya. Ketika dia

berkomentar, dalam sebuah surat kepada koleganya Max Born, bahwa “Dia [Tuhan] tidak memainkan dadu,” Einstein sedang menolak validitas dari prinsip ketidakpastian dan semua klaim lain bahwa faktor kebetulan (unsur-unsur yang tak diketahui dan tak terduga) memainkan peranan yang sangat penting dalam peristiwa-peristiwa fisika. Dia meyakini bahwa alam semesta ini dipenuhi hukum-hukum semesta dan penuh tatanan; apapun Tuhan itu, bahkan jika Dia hanya metafor bagi keterbentangan ruang dan waktu, Dia adalah Newtonian yang baik. Esensi dari fisika Newtonian adalah fisika deterministik. Dengan memberikan suatu deskripsi lengkap tentang sebuah situasi atau sistem---obyekobyeknya, massa-massanya, energi keseluruhan, dan lain-lain---secara prinsip anda harusnya mampu untuk memprediksi dengan tepat dan akurat tentang bagaimana situasi itu akan berubah suatu saat nanti. Misalnya, jika anda mengetahui seberapa cepat sebuah bola dilemparkan ke arah orang yang memukul bola (dalam permainan baseball), berapa banyak energi yang dikerahkan oleh si pemukul bola itu saat mengayunkan tongkat pemukul, pada posisi dan waktu apa dia harus memukul bola itu, dan bagaimana situasi angin yang sedang berhembus, anda harus mampu memprediksi dengan tepat dan akurat kapan dia akan memukul bola itu. Tapi, Werner Heisenberg---di mana Born bersetuju dengannya---telah melakukan serangan sangat serius atas pandangan dunia Newtonian. Kesimpulan logis dari mekanika quantum, kata Heisenberg, adalah bahwa sebab dan akibat, diinterpretasikan secara ketat, adalah gagasan-gagasan yang hampa. Heisenberg menunjukkan bahwa, setidaknya pada tingkat sub-atomik, anda

tidak pernah dapat mengetahui semua kondisi-kondisi awal dari sebuah situasi---maksimal, anda akan banyak berurusan dengan kemungkinankemungkinan dan statistik-statistik. Oleh karena itu, perilaku atomik tidak bisa ditentukan secara pasti dan kaku: ia tidak dapat diprediksikan. Heisenberg melangkah lebih jauh lagi dengan menolak validitas gagasan klasik tentang kausalitas; dalam paper-nya yang ditulis pada tahun 1927, dia mempublikasikan prinsip ketidakpastian (the uncertainty principle), dia memberi stigma sebagai “tidak berguna dan tidak bermakna” pada asumsi yang menyatakan bahwa “dibalik semesta persepsi yang statistikal, tersembunyi disana sebuah dunia yang “riil” yang dikuasai oleh hukum kausalitas.” Ketika kita tidak pernah menyadari atau mengukur kondisi-kondisi sub-atomik, dan ketika kita bahkan tidak dapat mengetahui jika hukum kausalitas berlaku, gagasan ini menjadi sangat terabaikan. Ide ini ditentang oleh Einstein, yang tidak mau disalahkan hanya karena dia telah memformulasikan relativitas. Einstein telah menghancurkan keyakinan bahwa terdapat poin acuan yang absolut bagi pengukuran-pengukuran fisika; tapi, ketika terjadi jalinan kontak diantara sistem-sistem yang relativistik, dia menawarkan fomula-formula yang pasti dan baku yang menghasilkan serangkaian acuan yang kaku. Alam semesta Einstein mempunyai sebuah bentuk yang definitif (mempunyai batasan-batasan yang tegas) dan meski bersifat relativistik, ia berkesinambungan dan dapat diprediksikan. Singkatnya, dia tidak dapat membayangkan sebuah dunia yang hanya dapat dideskripsikan dalam ekspresi-ekspresi statistik yang samar.

Einstein berjuang sekuat tenaga selama beberapa tahun untuk meyakinkan kepada para pendukung teori quantum bahwa asumsi-asumsi mereka harusnya salah, dan bahwa faktor kebetulan yang tak terduga, tidak berperan penting dalam peristiwa-peristiwa fisika. Kekalahannya yang sangat menyedihkan, sebagian diilhami oleh fakta bahwa karya-karyanya didasarkan pada alam semesta yang bersifat kausal dan berkesinambungan---ruang-waktu “kontinuum”---telah ditolak dan dinyatakan tidak benar oleh interpretasi Heisenberg tentang teori quantum. Dan dibalik karya itu adalah sebuah pemahaman mendalam tentang tatanan universal dan kontinuitas. Kualitas-kualitas ini, daripada suatu sosok ilahiah yang maha kuasa, adalah apa yang dipahami oleh Einstein sebagai Tuhan. (Mohon dicatat bahwa dia tidak menulis “Tuhan tidak memainkan dadu dengan alam semesta” tapi “Dia tidak memainkan dadu.”). “Saya tidak meyakini Tuhan personal,” kata Einstein, “dan saya tidak pernah mengingkari ini tapi telah mengekspresikannya dengan jelas. Jika terdapat sesuatu di dalam diri saya yang dapat disebut agama, maka ini adalah ketakjuban yang tak terbatas terhadap struktur dunia ini sejauh ilmu pengetahuan kita dapat menyingkapkannya.” Apa yang tidak dapat dibayangkan oleh Einstein adalah suatu alam semesta dimana rangkaian bangunan dasarnya seperti elektron-elektron yang mengembara dengan bebas, tidak dapat dibatasi oleh hukum (lawless), dan terbebas dari kausalitas. Alam semesta semacam ini tidak mempunyai desain atau koherensi yang menyeluruh. Apapun yang terjadi, Einstein masih tetap benar, sejalan dengan klaim-klaim mekanika quantum yang semakin sulit dipahami, yang terus menjadi bahan perdebatan hingga sekarang ini.