FISIKA kuantum, juga dikenal sebagai mekanika kuantum, adalah cabang ilmu fisika yang membahas perilaku materi dan energi pada skala yang sangat kecil, yakni pada tingkat molekul, atom, dan partikel subatomik seperti elektron. Konsep utama di balik teori ini adalah bahwa energi dan momentum materi terkuantifikasi, artinya hanya bisa berada dalam nilai-nilai tertentu dan tidak kontinyu. Dengan kata lain, energi bisa berlompat dari satu tingkat ke tingkat lainnya, tetapi tidak bisa berada di antara kedua tingkat tersebut.
Salah satu fenomena menarik dari fisika kuantum adalah prinsip superposisi. Ini adalah ide bahwa suatu partikel, seperti elektron, dapat berada dalam banyak keadaan sekaligus hingga ada pengukuran yang dilakukan.
Misalnya, jika kita membayangkan elektron berada di dalam kotak, maka elektron tersebut bisa berada di sisi kiri, sisi kanan, atau keduanya sekaligus sampai kita memeriksa posisinya. Fenomena ini tampaknya bertentangan dengan intuisi kita sehari-hari, namun telah terbukti benar melalui berbagai eksperimen (Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands. The Feynman Lectures on Physics, Vol. III: Quantum Mechanics. Addison-Wesley, 1965).
Baca juga: Mengapa Kadar Oksigen Menipis Saat Berada di Puncak Gunung?
Selanjutnya, ada fenomena "entanglement" atau pengaitan kuantum. Dua partikel yang memiliki pengaitan kuantum akan saling terkait sedemikian rupa sehingga keadaan satu partikel dapat memberikan informasi tentang keadaan partikel lainnya, meskipun keduanya berada pada jarak yang sangat jauh. Ini membingungkan banyak ilmuwan termasuk Albert Einstein, yang menyebutnya "aksi jarak jauh yang menakutkan" (Albert Einstein, Boris Podolsky, Nathan Rosen. “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”. Physical Review, 1935).
Meski tampaknya aneh dan sulit dipahami, mekanika kuantum telah menjadi fondasi bagi banyak teknologi modern. Ini termasuk komputer, MRI, dan semikonduktor. Konsep-konsep kuantum memainkan peran penting dalam memahami sifat dasar alam semesta dan telah mengubah cara kita melihat dunia.
Sejarah dan Latar Belakang Pengembangan
Sebelum munculnya fisika kuantum, fisika klasik, terutama yang dianut oleh Isaac Newton, sudah dominan dan berhasil menjelaskan banyak fenomena alam. Namun, saat ilmuwan mulai mengamati dan mencoba memahami perilaku materi pada skala yang sangat kecil, beberapa eksperimen memberikan hasil yang tidak sesuai dengan prediksi fisika klasik. Inilah yang mendorong kelahiran dan evolusi fisika kuantum.
Baca juga: Mengapa Tubuh Kita Menggigil Saat Kedinginan?
Salah satu eksperimen yang menimbulkan pertanyaan besar adalah fenomena radiasi benda hitam. Pada akhir abad ke-19, ilmuwan mengamati bahwa benda hitam (benda yang menyerap semua radiasi yang jatuh padanya) memancarkan radiasi dengan spektrum tertentu.
Fisika klasik gagal menjelaskan spektrum ini. Max Planck, pada tahun 1900, berhasil menjelaskannya dengan mengusulkan bahwa energi hanya bisa dipancarkan atau diserap dalam paket-paket tertentu atau "kuanta" (Max Planck. "On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum". Annalen der Physik, 1901).
Kemudian, tahun 1905, Albert Einstein mempublikasikan makalahnya tentang efek fotolistrik yang menjelaskan bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel, yang dia sebut "foton", bukan gelombang kontinyu. Eksperimen lain, seperti percobaan celah ganda yang menunjukkan sifat gelombang-partikel dari materi, menambah bukti bahwa konsep klasik tentang cahaya dan materi perlu direvisi.
Baca juga: Mengungkap Fakta Menarik Mengenai Mata Minus: Pandangan yang Memudar
Bohr, Heisenberg, Schrödinger, dan Dirac adalah beberapa nama besar lainnya yang memberikan kontribusi penting pada pengembangan awal teori kuantum. Mereka memperkenalkan konsep-konsep seperti model atom Bohr, matriks Heisenberg, dan persamaan gelombang Schrodinger yang membentuk dasar fisika kuantum yang kita kenal saat ini.
Meski awalnya kontroversial dan sulit dipahami, fisika kuantum telah terbukti akurat dan menghasilkan prediksi yang luar biasa akurat. Dengan pengembangan ini, pemahaman kita tentang alam semesta telah berkembang, dan banyak teknologi modern yang kita gunakan sehari-hari kini berakar pada prinsip-prinsip kuantum.
Pentingnya Fisika Kuantum dalam Dunia Modern
Dalam era teknologi dan informasi saat ini, kontribusi fisika kuantum terhadap kehidupan sehari-hari kita sulit untuk tidak dilebih-lebihkan. Prinsip-prinsip yang ditemukan dan dikembangkan melalui mekanika kuantum telah menjadi dasar bagi banyak inovasi dan penemuan teknologi di berbagai sektor industri.
Salah satu aplikasi paling menonjol adalah dalam pengembangan komputer dan teknologi informasi. Transistor, komponen dasar dari chip komputer, bekerja berdasarkan prinsip kuantum.
Tanpa pemahaman akan sifat kuantum dari materi, kita mungkin tidak akan memiliki komputer, smartphone, atau internet seperti yang kita kenal saat ini. Chip semikonduktor, yang menjadi jantung dari hampir semua perangkat elektronik modern, berfungsi berkat pemahaman kita tentang fisika kuantum (Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang. Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press, 2000).
Kemajuan dalam bidang medis juga sangat bergantung pada fisika kuantum. Teknologi pencitraan seperti Magnetic Resonance Imaging (MRI) bekerja berdasarkan prinsip kuantum yang berkaitan dengan perilaku inti atom dalam medan magnet. Ini memungkinkan dokter mendapatkan gambaran detail tentang tubuh manusia tanpa harus melakukan operasi invasif.
Saat ini, dunia sedang bergulat dengan konsep komputer kuantum - mesin yang, jika berhasil diwujudkan, akan memanfaatkan prinsip kuantum untuk memproses informasi dengan kecepatan yang belum pernah dilihat sebelumnya. Ini berpotensi merevolusi bidang seperti kriptografi, optimasi, dan penelitian obat-obatan.
Akhirnya, pemahaman fisika kuantum juga berdampak pada penelitian energi dan bahan. Misalnya, sel surya memanfaatkan efek kuantum untuk mengubah cahaya menjadi listrik. Studi tentang superkonduktivitas, di mana bahan menghantarkan listrik tanpa hambatan, juga didasarkan pada prinsip kuantum dan berpotensi mengubah cara kita mendistribusikan dan menyimpan energi.
