Oleh: *Ahmad Hazazi Ahmad Sumadi, PhD
Pensyarah, Program ASASIpintar UKM, Pusat PERMATA@Pintar Negara,
Universiti Kebangsaan Malaysia
Seabad yang lalu, pada tahun 1925, sekumpulan fizikawan muda mula menggoncang dunia fizik dengan idea yang luar biasa. Mereka bukan sahaja mengubah cara fizikawan memahami zarah atom, tetapi turut menukar asas kefahaman ahli sains tentang hakikat alam tabii. Apa yang kita kenali hari ini sebagai mekanik quantum lahir daripada usaha mereka. Kini, pada tahun 2025, genap satu abad yang telah pun diisytihar oleh Pertubuhan Bangsa-bangsa Bersatu (PBB) sebagai Tahun Antarabangsa Sains dan Teknologi Quantum, kita bukan lagi sekadar bercakap tentang teori yang ‘aneh’ dan sukar dibayangkan itu.
Dunia kini sedang menyaksikan perkembangan ke arah suatu revolusi sains dan teknologi yang memberangsangkan dengan idea pembangunan teknologi quantum seperti komputer quantum, komunikasi quantum dan sensor & metrologi quantum serta rancangan besar-besaran untuk mengubah sistem kriptografi sejagat demi menghadapi ancaman keselamatan siber.
Fizik klasik, yang mendominasi sains selama berabad-abad, membayangkan alam tabii dapat difahami dengan jelas dan boleh diramal. Namun, pada awal abad ke-20, beberapa siri idea yang dirintis oleh Max Planck bagi menyelesaikan masalah sinaran jasad hitam hingga melahirkan idea bingkisan tenaga yang disebut quanta membawa kepada kelahiran pamalar Planck (h=6.626×10⁻³⁴ Js atau 4.14 ×10⁻¹⁵ eVs yang menjadi inspirasi lahirnya Hari Quantum Sedunia (14 April) ), dan kemudian dikembangkan lagi oleh Niels Bohr, Albert Einstein, Louis de Broglie, Wolfgang Pauli dan lain-lain telah menjadi pencetus kepada idea bahawa hakikat alam zarah atom tidak berkelakuan seperti yang kita fahami. Inilah yang mendorong lahirnya revolusi yang membuka jalan kepada dua pendekatan utama yang meskipun berbeza, akhirnya terbukti setara.
Segalanya bermula apabila Werner Heisenberg, seorang fizikawan muda dari Jerman, memperkenalkan mekanik matriks pada tahun 1925. Beliau cuba menjelaskan tingkah laku atom tanpa bergantung pada gambaran klasik orbit elektron yang diusulkan dalam teori quantum lama Niels Bohr mengenai idea lompatan quantum. Idea beliau adalah untuk membina teori hanya berdasarkan apa yang boleh diukur dan dicerap secara langsung. Kaedah matriks digunakan untuk menggambarkan kuantiti fizikal, dan hasil kerja beliau bersama Max Born dan Pascual Jordan meletakkan asas matematik yang kukuh untuk teori baharu ini. Ini adalah satu langkah yang radikal meninggalkan gambaran visual dan beralih sepenuhnya kepada bahasa matematik yang abstrak.
Tidak lama selepas itu, seorang lagi fizikawan, Erwin Schrödinger, memperkenalkan mekanik gelombang melalui persamaannya yang kini mendominasi fizik moden. Pendekatannya didakwa lebih berintuisi, menggambarkan zarah sebagai gelombang yang merambat dan memperkenalkan model atom yang lebih jelas iaitu awan elektron. Kedua-dua pendekatan ini kelihatan berbeza, tetapi akhirnya terbukti setara. Sumbangan penting datang daripada Max Born, yang menafsirkan fungsi gelombang Schrödinger sebagai kebarangkalian menemui zarah di sesuatu ruang. Penafsiran ini, bersama-sama dengan idea keterlengkapan dari Niels Bohr, mengusulkan zarah bukan lagi unsur penting hakikat alam tabii. Hakikat, sebaliknya ialah taburan ketumpatan kebarangkalian melalui proses pengukuran yang meletakkan asas ‘Tafsiran Copenhagen’ iaitu pendekatan piawai yang mendominasi pemikiran fizikawan quantum selama berdekad-dekad.
Tindakan meremangkan dari kejauhan
Tafsiran Copenhagen, dengan penekanannya pada kebarangkalian dan ketidakpastian, tidak diterima oleh ramai fizikawan, terutamanya Einstein. Beliau percaya bahawa teori quantum masih belum lengkap. Einstein, bersama Boris Podolsky dan Nathan Rosen, menerbitkan satu makalah pada tahun 1935 yang dikenali sebagai Paradoks EPR. Mereka berhujah bahawa jika mekanik quantum adalah lengkap, ia akan membawa kepada kewujudan fenomena di mana dua zarah yang berdaya saling tindak akan mempengaruhi keadaan satu sama lain serta-merta, tidak kira seberapa jauh jaraknya melampau had halaju cahaya. Tetapi bagi Einstein ianya menunjukkan mekanik quantum tidak lengkap dan menyifatkan ia sebagai “tindakan yang meremangkan dari kejauhan (spooky action at a distance)”.
Beliau melihat ini sebagai bukti bahawa wujudnya “pemboleh ubah tersembunyi (hidden variables)” yang belum dapat dicerap tidak dimasukkan dalam teori quantum. Akibatnya telah mencetuskan polemik besar bersama Bohr, kemudian beliau menerbitkan makalah dengan judul yang seiras dengan makalah EPR. Dengan menyetujui intuisi Einstein, Schrödinger menamakan fenomena ini sebagai Verschränkung lewat surat-suratnya kepada Einstein. Kemudian beliau sendiri menterjemahkan Verschränkung ke dalam bahasa Inggeris sebagai entanglement (keterbelitan). Fenomena keterbelitan telah memberi inspirasi Schrödinger untuk mengusulkan ujikaji pemikiran (gedanken experiment) kucing Schrödinger bagi menunjukkan paradoks mekanik quantum.
Selama hampir tiga dekad, perdebatan ini kekal sebagai isu falsafah dalam fizik. Namun, pada tahun 1964, ahli fizik berbangsa Irish, John Stewart Bell merumuskan satu teorem yang kini dikenali sebagai Teorem Bell, terilham dari pengembangan idea paradoks EPR oleh David Bohm pada 1951,… kemudian dilengkapkan lagi oleh Shimony, Clauser, Horne dan Holt menjadi Teorem Bell-CHSH, yang mejelaskan kaedah untuk menguji secara ujikaji makmal sama ada pemboleh ubah tersembunyi benar-benar wujud atau tidak. Akhirnya, pada tahun 1982, fizikawan Perancis Alain Aspect dan pasukannya menjalankan ujikaji yang membuktikan bahawa ramalan mekanik quantum adalah tepat, dan pemboleh ubah tersembunyi tidak wujud seperti yang dibayangkan Einstein. Pembuktian yang sama sekali lagi dijalankan dengan ujikaji yang lebih moden pada 1998 oleh Anton Zeilinger dengan jarak yang lebih jauh. Penemuan ini mengesahkan kebenaran yang menakjubkan: fenomena keterbelitan quantum adalah fenomena nyata, bukan sekadar paradoks teori. Akhirnya, Clauser, Aspect dan Zeilinger dianugerahi Hadiah Nobel Fizik pada tahun 2022 disebabkan sumbangan besar mereka.
Dari Revolusi Pertama ke Revolusi Kedua
Penemuan-penemuan awal sejak “revolusi quantum pertama” (kelahiran fizik quantum) telah melahirkan teknologi seperti semikonduktor, GPS, jam atom, laser, sensor, dan Magnetic Resoncance Imaging (MRI), memanfaatkan dampak quantum secara pasif (prinsip quantum yang dimanfaatkan tanpa mengganggu atau mengubah sistem quantum asas seperti kesan fotoelektrik dan sebagainya.). Tanpa pemahaman ini, revolusi digital dan komunikasi yang kita nikmati hari ini tidak mungkin berlaku. Kini, kita berada di tengah-tengah perjalanan ke revolusi quantum kedua. Jika revolusi pertama memberi kita pemahaman dan teknologi yang memanfaatkan kesan quantum secara pasif, revolusi kedua memfokuskan kepada manfaat kesan quantum secara aktif iaitu keupayaan untuk mengawal dan memanipulasi ciri-ciri ‘keanehan’ quantum terutamanya superposisi dan keterbelitan quantum (quantum entanglement). Apa yang mempesonakan ialah bagaimana idea-idea ini yang kelihatan terlalu abstrak boleh melahirkan generasi teknologi baharu di abad ke-21.
Pengkomputeran Quantum: Berbeza dengan komputer klasik yang berasaskan bit (0 atau 1), komputer quantum berasaskan qubit yang boleh wujud sebagai 0 dan 1 -superposisi kedua-duanya sekaligus. Ini membolehkan komputer quantum melakukan pengiraan yang sangat kompleks dan berpotensi menyelesaikan masalah yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik, seperti reka bentuk ubat baharu, simulasi molekul, dan pengoptimuman logistik. Syarikat-syarikat gergasi seperti Google dan IBM kini bersaing untuk membina komputer quantum yang berfungsi dan boleh digunakan secara komersial.
Komunikasi Quantum: Para saintis sedang berusaha membina rangkaian komunikasi yang bergantung pada prinsip keterbelitan quantum. Rangkaian ini akan menawarkan tahap keselamatan yang tidak dapat dicerobohi dan lebih cekap, di mana sebarang percubaan untuk mencuri atau mengintip data akan serta-merta mengganggu keadaan quantum dan dikesan oleh pengguna. Komunikasi quantum sudah pun berjaya diuji antara benua dan melalui satelit, membuka jalan kepada “internet quantum” pada masa hadapan.
Sensor & Metrologi Quantum: Sensor yang memanfaatkan keterbelitan dan superposisi untuk menghasilkan pengukuran yang sangat sensitif, jauh melebihi apa yang boleh dicapai oleh sensor biasa. Ini berpotensi digunakan dalam perubatan untuk mendiagnosis penyakit, atau dalam bidang geologi untuk mengesan sumber mineral di bawah tanah.
Pengembaraan Belum Berakhir
Sejak tahun 1925, hasil idea yang digagaskan oleh Max Planck melalui masalah sinaran jasad hitam, ilham dari Heisenberg, Schrodinger; perdebatan Einstein dan Bohr tentang maksud hakikat alam tabii, kini pada tahun 2025 pula para fizikawan dan ahli sains bertungkus lumus membina perkakasan ratusan qubit dan negara-negara di seluruh dunia menggubal dasar dan piawaian keselamatan digital negara masing-masing. Perkembangan ini menunjukkan bahawa sains bukan sahaja memajukan pengetahuan, tetapi juga membentuk dunia realiti. Paradoks yang dulu dianggap aneh dan pelik kini menjadi asas teknologi yang bakal mentakrifkan sains dan teknologi abad ke-21.
Seratus tahun penemuan mekanik quantum mengajarkan kita satu perkara penting, idea yang radikal hari ini mungkin menjadi teknologi hari esok. Dari ujikaji tiub kaca dan papan hitam para fizikawan pada tahun 1920-an, kini kita menuju kepada pembangunan komputer quantum, internet quantum, dan piawaian kriptografi baharu yang melibatkan seluruh dunia. Sejarah ini juga menegaskan betapa rapat hubungan antara idea falsafah, matematik, ujikaji, dan teknologi, dari teori ke teknologi. Tanpa perdebatan Einstein dan Bohr, mungkin kita tidak akan sampai kepada hadiah Nobel Fizik 2022. Tanpa ilham Feynman pada 1981, mungkin kita tidak akan melihat IBM Condor 2023.
Maka, mekanik quantum bukan sekadar teori fizikal, tetapi kisah bagaimana idea manusia yang berani mampu mengubah dunia dan ia baru sahaja bermula. Dalam tempoh 100 tahun, kita telah bergerak dari quanta ke qubit, namun perjalanan pengetahuan ini belum berakhir. Seperti yang diungkap oleh Robert Dijkgraaf, mantan pengarah Institute for Advanced Studies (IAS),
“The search for answers to deep questions, motivated solely by curiosity and without concern for applications, often leads not only to the greatest scientific discoveries but also to the most revolutionary technological breakthroughs. In short, no quantum mechanics, no computer chips” ~ The Usefulness of Useless Knowledge
Selamat Ulang Tahun yang ke -100 Mekanik Quantum!
Rujukan
- Manjit Kumar. 2008. Quantum: Einstein, Bohr and the Great Debate about the Nature of Reality. London: Icon Books.
- Carlo Rovelli. 2020. Helgoland: Making Sense of the Quantum Revolution. London: Allen Lane.
- Max Jammer. 1974. The Philosophy of Quantum Mechanics: The Interpretations of Quantum Mechanics in Historical Perspective. New York: Wiley.
- Max Jammer, 1966. The Conceptual Development of Quantum Mechanics, International Series in Pure and Applied Physics, McGraw-Hill, Inc, New York
- B. L. van der Waerden, 1967 Sources of Quantum Mechanics, North Hollad Pub. Company Amsterdam
- Jonathan Allday, 2022, Quantum Reality From Theory to Philosophy. CRC Press
- John Polkinghorne, 2002. Quantum Theory: A Very Short Introduction. Oxford: Oxford University Press.
- Jim Baggott, 2011. The Quantum Story: A History in 40 Moments. Oxford: Oxford University Press.
Tentang Penulis:
*Penulis berkelulusan Ijazah Doktor Falsafah dalam bidang fizik matematik (teori quantum) dari INSPEM, UPM. Kini berkhidmat sebagai pensyarah program ASASIpintar UKM. Rencana ini adalah huraian sebuah ceramah yang penulis sampaikan di Seminar Jabatan Fizik Gunaan, FST, UKM pada Julai 2025 bersempena 100 tahun kelahiran mekanik quantum.
