Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Eksperimen Celah Ganda dan Pilihan yang Tertunda

Eksperimen celah ganda adalah salah satu eksperimen paling fundamental dalam fisika klasik maupun modern. Susunan peralatan untuk eksperimen ini ditunjukkan pada gambar. Ada sumber gelombang dan layar, kemudian di antara keduanya diletakkan dinding penghalang. Dinding penghalang ini memiliki dua celah. Pada layar dapat teramati pola interferensi, yaitu pola intensitas “maksimum-minimum-maksimum-minimum-dst”. Gelombang yang mencapai layar adalah hasil penjumlahan gelombang yang berasal dari kedua celah.

Skema eksperimen celah ganda untuk gelombang (misalnya gelombang air). Gambar diadaptasi dari: http://www.fnal.gov/pub/science/inquiring/

Skema eksperimen celah ganda untuk gelombang (misalnya gelombang air). Gambar diadaptasi dari: http://www.fnal.gov/pub/science/inquiring/

Misalkan kita punya gelombang air sebagai sumber. Permukaan air yang tenang ketika diberi gangguan akan menghasilkan perubahan tinggi permukaan air. Ada “puncak” dan ada “lembah” secara bergantian. Ketika dua gelombang berpadu, puncak dari gelombang A dan puncak dari gelombang B menghasilkan puncak yang lebih tinggi lagi. Lembah dari gelombang A dan lembah dari gelombang B menghasilkan lembah yang lebih rendah lagi. Puncak dari salah satu gelombang dan lembah dari gelombang lainnya saling menghilangkan. Perpaduan ini menghasilkan pola interferensi pada layar.

Bagaimana jika pada eksperimen celah ganda ini kita gunakan partikel? Misalkan kita gunakan kelereng. Akumulasi titik-titik di mana kelereng mencapai layar tidak menunjukkan pola interferensi. Berbeda dengan gelombang, kelereng yang mencapai layar masing-masing melalui salah satu dari dua celah.

Skema eksperimen celah ganda untuk partikel (misalnya kelereng). Gambar diadaptasi dari: http://www.fnal.gov/pub/science/inquiring/

Skema eksperimen celah ganda untuk partikel (misalnya kelereng). Gambar diadaptasi dari: http://www.fnal.gov/pub/science/inquiring/

Cahaya: gelombang atau partikel?

Fakta cahaya menunjukkan pola interferensi di layar membuktikan bahwa cahaya adalah gelombang. Akan tetapi, beberapa eksperimen menunjukkan bahwa cahaya juga bersifat seperti partikel. Salah satunya adalah efek Compton. Arthur Holly Compton mengamati hamburan cahaya pada elektron hanya dapat dijelaskan jika cahaya dipandang sebagai partikel. Partikel cahaya ini biasa disebut sebagai foton.

Bagaimana dengan elektron? Gelombang atau partikel?

Pada awal ditemukannya oleh J. J. Thomson, elektron diketahui sebagai partikel. Beberapa tahun kemudian, Clinton Davisson dan Lester Germer menunjukkan bahwa pancaran elektron pada kristal nikel menunjukkan pola interferensi pada layar yang terbuat dari bahan fosfor (eksperimen Davisson-Germer kurang lebih serupa dengan eksperimen celah ganda). Ini menunjukkan bahwa elektron juga bersifat gelombang. Sebenarnya tidak hanya terbatas pada foton dan elektron, semua materi di alam punya sifat gelombang sekaligus partikel, termasuk kelereng.

Sekarang kita bisa ajukan pertanyaan, “Apakah mungkin bagi elektron atau foton secara kolektif membentuk gelombang yang sama seperti gelombang air yang tersusun atas molekul-molekul H2O?” Untuk menjawabnya, kita misalkan layar pada eksperimen celah ganda berupa detektor-detektor kecil yang dipasang berjejeran. Susunan detektor ini terhubung ke alat yang mencatat detektor mana saja yang “menyala” pada waktu tertentu. Detektor akan menyala jika ada partikel mencapainya.

Anggaplah sumber elektron dibuat redup. Sebegitu redupnya sehingga rata-rata hanya satu detektor di layar yang menyala setiap (misalnya) 10 detik. Ini untuk memastikan bahwa rata-rata elektron sendirian dalam perjalanannya dari sumber ke layar. Satu detektor di layar yang menyala pada suatu saat menunjukkan bahwa elektron punya lokasi yang jelas. Ini berbeda dengan gelombang yang menyebar mengisi ruang, seredup apapun.

Meski demikian, setelah menunggu sekian lama sehingga cukup banyak elektron yang mencapai layar, dari data yang tersimpan diperoleh akumulasi titik-titik yang menunjukkan pola interferensi yang ternyata serupa dengan pola interferensi gelombang air. Artinya, elektron memang memiliki sifat gelombang, tetapi sekumpulan elektron tidak secara kolektif membentuk gelombang yang sama seperti gelombang air. Menakjubkan, bukan?

Gambar (a) hingga (e) menunjukkan akumulasi titik lokasi elektron yang tiba di layar. Sumber: Wikipedia.

Gambar (a) hingga (e) menunjukkan akumulasi titik lokasi elektron yang tiba di layar.
Sumber gambar: Wikipedia.

Dua celah, lewat yang mana?

Pertanyaan berikutnya yang dapat kita ajukan, “Apakah mungkin masing-masing elektron melewati kedua celah sekaligus, berinterferensi dengan dirinya sendiri?” Kita misalkan pada kedua celah dipasang suatu detektor, sekadar untuk mengetahui elektron lewat celah yang mana dalam perjalanannya mencapai layar. Detektor ini sebisa mungkin tidak mengganggu elektron dalam perjalanannya.

Hasilnya, jika detektor di layar mendeteksi elektron, ternyata paling maksimal didahului oleh terdeteksinya elektron oleh detektor di salah satu celah saja, dan tidak pernah keduanya sekaligus. Dari sini, diketahui bahwa elektron tersebut mencapai layar melalui salah satu celah. Sayangnya, upaya untuk mengetahui lintasan elektron ini (lewat celah yang mana) akan mengubah hasil pengamatan di layar. Jika kita berupaya untuk mendeteksi elektron melalui salah satu celah, akumulasi titik-titik tempat elektron mencapai layar tidak akan lagi menunjukkan pola interferensi, tetapi membentuk pola seperti yang dihasilkan pancaran partikel pada contoh kelereng sebelumnya. These electrons are just messing with us! Atau sebaliknya? We are messing with them!

Realitas objektif?

Apa yang kita peroleh dari eksperimen celah ganda dengan elektron adalah seolah-olah ketika tidak ada detektor dipasang di celah, elektron “berwujud” gelombang dalam perjalanannya menuju layar. Kemudian, detektor di layar memaksanya “berubah wujud” menjadi partikel. Probabilitas lokasi partikel elektron ini berkaitan dengan kuadrat fungsi gelombang. Kuadrat fungsi gelombang di layar membentuk pola maksimum-minimum sehingga akumulasi titik-titik lokasi elektron di layar mengikuti pola maksimum-minimum ini. Jika detektor dipasang di celah, upaya untuk mengetahui lintasan elektron telah mengganggu elektron dalam perjalanannya dan memaksanya untuk “berganti wujud” menjadi partikel lebih awal. Hilanglah pola interferensi di layar. Namun, berikut ini akan dijelaskan bagaimana pandangan ini justru keliru.

Anggaplah momentum elektron ketika mencapai layar dapat diukur dengan akurat. Dari informasi mengenai komponen momentum arah tegak lurus layar dan komponen momentum arah paralel layar, dapat diketahui dari celah mana elektron tersebut berasal.  Seumpama detektor-detektor yang dipasang di layar memiliki kemampuan ini, berarti tidak perlu lagi dipasang detektor di kedua celah untuk mengetahui lewat celah mana suatu elektron masuk. Sayangnya, detektor seperti ini (yang dapat mengetahui lokasi dan momentum elektron di layar dengan sangat akurat) mustahil diperoleh.

Ketika ketidakpastian pengukuran posisi diperkecil, ketidakpastian pengukuran momentum akan membesar. Sebaliknya, ketika ketidakpastian pengukuran momentum diperkecil, ketidakpastian pengukuran posisi membesar. Ini adalah salah satu bentuk dari prinsip ketidakpastian Heisenberg. Detektor yang dirancang untuk memiliki kemampuan mengetahui dari celah mana suatu elektron berasal pasti memiliki ketidakpastian pengukuran posisi yang besar. Ketidakpastian posisi ini cukup besar sehingga pola interferensi di layar tidak dapat diamati.

Menunda pilihan

Upaya mengamati elektron sebelum mencapai layar, dengan memasang detektor di celah, telah mengganggu elektron dalam perjalanannya. Untuk menghindari hal tersebut, pengamatan dapat dilakukan di layar saja. Dalam upaya mengamati elektron di layar ada dua pilihan. Pertama, dapat dilakukan pengukuran posisi elektron, misalnya dengan memasang layar. Kedua, dapat dilakukan pengukuran momentum untuk mengetahui elektron berasal dari celah yang mana. Penentuan elektron lewat celah yang mana dapat dilakukan misalnya dengan menggunakan beberapa lensa magnetik yang memfokuskan elektron yang berasal dari celah A ke detektor D­­­­­A dan elektron yang berasal dari celah B ke detektor DB. Pengamat dapat memilih salah satu saja metode pengamatan ini.

Dengan metode pertama diperoleh pola interferensi di layar. Dengan metode kedua dapat diketahui elektron berasal dari celah yang mana. Metode pengamatan pertama mengungkapkan sifat gelombang dari elektron selama perjalanannya dari sumber ke layar, metode kedua mengungkapkan sifat partikel dari elektron yang punya lintasan yang jelas, yaitu lewat celah A atau lewat celah B.

Pengamat dapat menunda pilihan metode pengamatan. Setelah elektron melalui celah, tetapi sebelum elektron mencapai layar, pengamat dapat memilih untuk membiarkan elektron mencapai layar yang tersusun atas detektor-detektor berjejeran untuk menentukan posisi, atau pengamat dapat memilih untuk sesegera mungkin menyingkirkan layar tersebut. Di balik layar telah terpasang peralatan berupa beberapa lensa magnetik yang memfokuskan elektron yang berasal dari celah A ke detektor D­­­­­A dan elektron yang berasal dari celah B ke detektor DB.

Dari eksperimen ini, elektron seolah-olah dapat meramal. Segera setelah meninggalkan sumber, suatu elektron memutuskan untuk berwujud gelombang karena ia tahu di masa depan akan ada pengamatan pola interferensi. Atau, segera setelah meninggalkan sumber, suatu elektron memutuskan berwujud partikel karena ia tahu di masa depan akan ada pengamatan untuk menentukan lintasannya. Eksperimen pilihan tertunda ini menunjukkan bahwa pilihan metode pengamatan di masa kini mengungkapkan “wujud” elektron di masa lalu.

John Wheeler, seorang fisikawan kenamaan dari AS, bahkan membayangkan versi kosmik dari eksperimen ini. Foton yang dipancarkan oleh sebuah quasar (makhluk mirip bintang yang memancarkan gelombang elektromagnetik) dalam perjalanannya dibelokkan oleh gravitasi suatu galaksi ke arah bumi. Suatu foton dapat mencapai bumi sebagai partikel yang melalui sisi kiri atau melalui sisi kanan galaksi, atau foton tersebut dapat mencapai bumi sebagai gelombang yang melalui semua sisi galaksi sekaligus. Foton-foton ini bisa saja dipancarkan oleh quasar yang jaraknya milyaran tahun cahaya dari bumi. Jadi, apakah pengamatan saat ini dapat mengubah sejarah selama miliaran tahun?

Versi kosmik ala John Wheeler dari eksperimen celah ganda. Sumber gambar: http://einstein.drexel.edu/~bob/TermPapers/WheelerDelayed.pdf

Versi kosmik ala John Wheeler untuk eksperimen celah ganda. Sumber gambar: http://einstein.drexel.edu/~bob/TermPapers/WheelerDelayed.pdf

Tentu saja kejadian masa kini tidak dapat mengubah masa lalu karena yang lalu telah berlalu. Konsep masa lalu menurut mekanika kuantum berbeda dengan pemahaman klasik. Menurut pemahaman klasik, diamati ataupun tidak, kelereng punya lokasi dan momentum tertentu. Menurut pemahaman kuantum, sebelum pengukuran dilakukan, elektron tidak punya lokasi yang jelas, tidak punya momentum yang jelas, tidak punya “wujud” yang jelas, bisa berupa gelombang yang melalui dua celah sekaligus atau partikel yang melalui salah satu celah saja.

Dalam alam kuantum, yaitu alam kita ini, ketidakpastian menjadi norma, beragam untaian realitas berpadu. Aspek tertentu dari realitas di masa lalu dapat diketahui hanya jika dilakukan suatu pengamatan dan bergantung dari bagaimana pengamatan dilakukan.

Bahan bacaan:

  • http://motls.blogspot.jp/2010/11/delayed-choice-quantum-eraser.html
  • R. Feynman, R. Leighton, and M. Sands, The Feynman Lectures on Physics Vol. 3, (1989).
  • B. Greene, The Fabric of the Cosmos: Space, Time and the Texture of Reality (2004).
  • R. B. Griffiths, Consistent Quantum Theory (2003).

Penulis:
Zainul Abidin, dosen STKIP Surya, alumnus College of William & Mary, Amerika Serikat.
Kontak: zxabidin(at)yahoo(dot)com.