Persidangan Ulang tahun ke-90 tahun Mekanik Kuantum di Singapura

Oleh: Mohd Faudzi Umar

Pada 23-26 Januari 2017, Institute of Advanced Studies (Nanyang Technology University (IAS-NTU) telah menjadi penganjur bagi meraikan 90 tahun Teori Mekanik Kuantum. Persidangan ini menghimpunkan penyelidik-penyelidik dalam bidang mekanik kuantum termasuklah pemenang Hadiah Nobel, masing-masing membentangkan kajian semasa dan hala tuju teori kuantum.

Betapa universalnya mekanik kuantum merentas disiplin ilmu yang lain adalah menjadi objektif persidangan ini, bahkan mekanik kuantum juga banyak terpakai dalam sains moden dan teknologi. Persidangan 90 tahun Mekanik Kuantum (diringkaskan 90YQM) ini dihadiri hampir 300 orang, termasuklah 4 orang pemenang Hadiah Nobel (Fizik dan Kimia). Makalah ini akan ditulis ringkasan keseluruhan program (tentatif program, lihat [1]).

Pada awal pembinaan mekanik kuantum sekitar tahun 1925-27, ia bermula dengan makalah Werner Heisenberg pada tahun 1925, berkisar kebarangkalian peralihan dalam orbit elektron [2]. Diikuti dengan Erwin Schrodinger dan Max Born, masing-masing persamaan mekanik-gelombang (atau dikenali persamaan Schrodinger) [3] dan penafsiran fungsi gelombang sebagai fungsi ketumpatan kebarangkalian [4] pada tahun 1926. Dua makalah inilah membuka era baru kepada fizik klasik apabila pengukurannya tidak lagi berketentuan dan peringkat awal di katakan dilengkapkan oleh makalah Heisenberg [5] yang terkenal dengan Prinsip Ketakpastian Heisenberg pada tahun 1927. Lalu keterselahan teori kuantum tersebut dirumuskan di Persidangan Solvay Ke-5 dengan tema “Elektron dan Foton” di Brussels pada Oktober 1927, ia dihadiri hampir semua fizikawan terkenal [6]. Rentetan daripada persidangan Solvay tersebutlah, persidangan ini diadakan sempena 90 tahun pembinaan dan pembangunan mekanik kuantum.

Pada hari pertama, C. N. Yang (Penerima Hadiah Nobel Fizik, 1957) mendahului pembentangan lain melalui rakaman video, beliau mengalu-alukan generasi muda meneruskan penyelidikan dalam mekanik kuantum tanpa melupakan jasa-jasa dari penyumbang awal teori kuantum. Kemudian diikuti dengan pemenang Hadiah Nobel Fizik 1999, Gerard t’ Hooft dengan kajian semasa beliau iaitu pemakaian automaton selular dalam penafsiran mekanik kuantum sehingga mengubah suai sifat ruang-masa pada lohong hitam, lalu muncul idea ‘vacuole’ dalam lohong hitam di mana ia berkeadaan vakum (vacuum state) di dalamnya [7]. Malah ia agak bercanggah dengan pemahaman David Gross (Hadiah Nobel Fizik, 2004), jadi terdapat sedikit perdebatan ilmiah ketika sesi soal jawab, dan juga berlaku pada sesi soal jawab David Gross. Bidang kuantum kosmologi dibentang oleh James Hartle, Viatcheslav Mukhanov dan Alexander Vilenkin (hari kedua). Hartle memperihalkan tiada sempadan kuantum dalam alam semesta, bertentangan dengan idea Vilenkin membina persamaan gelombang dari syarat sempadan awal iaitu deguman besar.

Dua isu utama yang mendominasi pembentangan David Gross iaitu: 1. Mekanik kuantum sukar diubah suai 2. Mekanik kuantum berfungsi dengan baik. Pembentangan beliau dan Hartle di hari pertama agak senang diikuti. Pada sesi petang, Stuart Parkins menggunakan pendekatan spintronik untuk menyimpan memori dengan lebih banyak, spintronik juga dibincang oleh Hideo Ohno pada hari ketiga. Mengkomersilkan teori kuantum telah dilakukan oleh Michael Graetzel, tentang aplikasi kuantum iaitu semikonduktor kuantum bintik. Lebih mengujakan lagi makalah Graetzel, “A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films” dirujuk lebih daripada 20,000 sitasi, dikatakan melebihi sitasi makalah Einstein sendiri [8]. Anthony Leggett (Hadiah Nobel Fizik, 2003) dan Yakir Aharonov (hari kedua) membentang melalui rakaman video.

Hari kedua, didahului oleh Thibault Damour, beliau membentangkan kejayaan kajian mengesan kehadiran gelombang gravitasi, di mana kajian tersebut, Hafizah Noor Isa, Ikon Remaja Malaysia juga sebagai penyumbang bersama (lihat [9], temubualnya pula lihat [10]). Pembentangan Lars Brink dan Hermann Nicolai menjadi perhatian penulis, terutamanya Nicolai, beliau menghidupkan semula teori supersimetri yang telah lama ditinggalkan, termasuk Brink sendiri. Nicolai mengusulkan kumpulan luar biasa berdarjah 10, iaitu E₁₀ bagi menjana simetri yang bertindak ke atas ruang Hilbert. Tatsu Tekeuchi menunjukkan bagaimana rupa bentuk kuantum jika system bi-ortogonal terpakai, antara idea yang menarik ialah beliau jadikan vektor-Bra sebagai pencerap dan vector-Ket sebagai yang dicerap. Matthew Fisher di sebelah petang agak unik pembentangannya, beliau menjadikan fosforus sebagai qubit yang boleh menyimpan maklumat dengan lebih baik.

Rata-ratanya hari ketiga, banyak daripada eksperimentalis yang membentang. Manakala Boris Altshuler dan Peter Zoller, ketika mereka berdua menjadi panel pada sesi akhir hari keempat, Peter Zoller berkata, “kenapa kita mesti membincangkan perkara yang tinggi, sedangkan banyak lagi hal lain yang memerlukan penyelidikan dan pengiraan”, tatkala menjawab soalan peserta tentang kesahihan tafsiran mekanik kuantum. Begitu juga jawapan Altshuler agak bertentangan dengan rakan senegaranya Mukhanov yang cenderung kepada falsafah kuantum.

Apapun selingan sejarah kuantum daripada Mukhanov agak menarik. Pembentangan fermion Majorana oleh Shoucheng Zhang, mendapat perhatian peserta kritis iaitu Cecilia Jarlskog dengan banyak soalan yang diajukan. Qikun Xue, Ignacio Cirac dan Immanuel Bloch, masing-masing tentang kesan Hall janggal, fizik jasad banyak dan penggunaan prinsip ultra sejuk ke atas jirim.

Persidangan ini bukan untuk ahli fizik sahaja, tetapi ahli kimia juga, ini boleh dilihat pada sebelah pagi hari keempat, di mana dimulakan oleh dua pemenang Hadiah Nobel Kimia 1992 dan 2004, iaitu Rudolph Marcus dan Arieh Warshel. Sudah tentulah teori kuantum menjadi asas kepada kajian mereka, iaitu masing-masing tentang teori pemindahan elektron dalam tindakbalas kimia dan permodelan sistem kimia kompleks.

Sementara itu, pembentangan Miles Padgett lebih banyak kepada optik berbanding teori kuantum itu sendiri. Cubaan untuk mengawal spin dalam pepejal dibahas oleh Jiangfeng Du dan vakum kuantum juga menarik kerana Per Delsing melihat dari aspek kesuperkonduktoran. Sixia Yu menggunakan kiub rubik sebagai alat bantuan mengajar bagi membuktikan kuantum kontekstualiti merdeka keadaan dengan 13 boleh cerap berbanding 33 boleh cerap.

Pada sebelah petang pula, Jun Ye mencetuskan revolusi baru ke atas jam atom di mana kejituannya mencapai 18 digit. Pencapaian ini dapat diguna pakai bagi menguji hukum asas semulajadi, bahkan melewati model lazim. William Munro pula lebih membincangkan penemuan mekanik kuantum dan era baru teori kuantum, perbincangannya lebih bersifat umum.

Persidangan ini diakhiri dengan perbincangan meja bulat dibarisi oleh empat orang pembentang iaitu, Boris Altshuler, Jun Ye, Peter Zoller dan Viatcheslav Mukhanov.

Apapun 90YQM ini memang menyeronokkan dan berkualiti, ini turut diakui oleh K. K. Phua Pengarah IAS-NTU, katanya, persidangan ini yang terbaik pernah dianjurkan oleh mereka. Kemudian penghargaan tak terhingga oleh Lars Brink, penasihat 90YQM kepada En. Raymond Liu antara staf yang bersungguh-sungguh bagi menjayakan persidangan ini. Beliau juga membantu penulis bagi mendapatkan penginapan dan setiap emel dibalas dengan cepat dan baik sekali. K. K. Phua juga menyampaikan mesej bahawa mereka cuba akan menganjurkan 100 tahun mekanik kuantum, insyaallah kita nantikan pembentang dari Malaysia kelak.

Tahukah anda, 17 orang daripada 29 peserta Persidangan Solvay 1927 menerima Hadiah Nobel (58%), mana tahu 7 orang daripada 13 peserta 90YQM dari Malaysia bakal memperolehi Hadiah Nobel. Tidak salah bermimpi!

Rujukan

[1] Programme Conference on 90 years of Quantum Mechanics. http://www.ntu.edu.sg/ias/upcomingevents/qm90/documents/90yearsqm-program.pdf

[2] Heisenberg, W. (1925). “Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen”. Zeitschrift für Physik. 33 (1): 879–893. Makalah asa lihat pautan ini: http://www.chemie.unibas.ch/~steinhauser/documents/Heisenberg_1925_33_879-893.pdf

[3] Schrodinger, E. (1926). “Quantisierung als Eigenwertproblem”. Annalen der Physik. 384 (4): 273–376. Makalah asal lihat pautan ini: http://jeti.uni-freiburg.de/vorles_Theo_IV/schroedinger_II.pdf .

[4] Born, M. (1926). “Zur Quantenmechanik der Stoßvorgänge”. Zeitschrift für Physik. 37 (12): 863–867. Makalah asal lihat pautan ini: http://www.psiquadrat.de/downloads/born26_stossvorgaenge.pdf

[5]  Heisenberg, W. (1927). “Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik”. Z. Phys. 43 (3–4): 172–198. Makalah asal lihat pautan ini:

http://iftucr.org/IFT/Heisenberg_files/Heisenberg_francais.pdf

[6] Mehra, J. (1927) “Electrons and Photons”. The Solvay Conference on Physics: 132-181

[7] t’ Hooft, G. (2015) The Cellular Automaton Interpretation of Quantum Mechanics. arXiv:1405.1548v3

[8] Sitasi makalah. B O’Regan, M Grätzel (1991) “A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films” rujuk di sini:

https://scholar.google.ch/citations?user=B0h47WAAAAAJ&hl=fr

[9] Abbott et. al. (2016) “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”. Phys. Rev. Lett. 116 (061102): 1-16.

[10] Penemuan Gravitational Waves- Temubual Khas bersama Hafizah Noor Isa. http://www.majalahsains.com/penemuan-gravitational-waves-temubual-khas-bersama-hafizah-noor-isa/

Nota// Penulis merupakan Pensyarah Fizik di UPSI, Tanjung Malim yang kini sedang menyambung pengajian di peringkat Doktor Falsafah di Institut Penyelidikan Matematik (INSPEM), Universiti Putra Malaysia