Dalam postingan blog ini, kita akan mengkaji apa arti keruntuhan gelombang, dengan fokus pada interpretasi Kopenhagen dan interpretasi banyak dunia di antara berbagai interpretasi mekanika kuantum, dan mempertimbangkan karakteristik serta keterbatasan dari setiap interpretasi.
Dari akhir abad ke-19 hingga awal abad ke-20, mulai muncul fenomena yang tidak dapat dijelaskan hanya oleh fisika klasik. Maxwell dan Einstein menemukan bahwa cahaya memiliki sifat seperti gelombang dan seperti partikel. Max Born memprediksi bahwa partikel pun memiliki sifat seperti gelombang. Percobaan celah ganda Davisson-Germer dikatakan telah secara eksperimental menunjukkan bahwa elektron memiliki perilaku seperti gelombang. Pengamatan lebih dekat pada percobaan celah ganda mengungkapkan hal berikut: Sebuah alat yang memancarkan elektron, sebuah pelat dengan dua celah, dan sebuah layar disusun secara berurutan. Elektron yang dipancarkan dari sumber elektron melewati dua celah dan mencapai layar; ketika kedatangan elektron di layar diamati, pola interferensi akan muncul. Pola seperti itu tidak muncul jika hanya ada satu celah. Oleh karena itu, posisi elektron harus dijelaskan sebagai gelombang yang melewati kedua celah secara bersamaan. Mekanika kuantum muncul untuk menjelaskan fenomena-fenomena ini. Dalam mekanika kuantum, gelombang probabilitas digambarkan sebagai blok bangunan fundamental alam. Gelombang probabilitas digunakan untuk menggambarkan keadaan materi. Keadaan materi mencakup sifat-sifat seperti posisi dan spin. Gelombang probabilitas menunjukkan bahwa suatu nilai tidak tetap pada satu titik tertentu, melainkan probabilitas kemunculannya bervariasi di setiap titik. Mekanika kuantum didirikan pada awal abad ke-20, dan banyak hasil eksperimen dari periode tersebut dan setelahnya mendukung keabsahan teori ini. Inti dari teori ini terletak pada persamaan gelombang Schrödinger. Sebagai persamaan fundamental mekanika kuantum, persamaan gelombang Schrödinger menggambarkan bagaimana gelombang probabilitas berubah seiring waktu. Namun, masih belum jelas bagaimana tepatnya gelombang probabilitas tersebut berhubungan dengan kehidupan sehari-hari. Dalam kehidupan sehari-hari, hasil yang kita amati bukanlah berbagai keadaan, melainkan satu keadaan tunggal yang pasti—bagaimana hal ini dapat dijelaskan? Apa itu gelombang probabilitas, dan adakah cara untuk memahaminya? Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, berbagai interpretasi mekanika kuantum telah muncul. Dalam survei yang pernah dilakukan di sebuah konferensi fisika kuantum, para peserta ditanya tentang preferensi mereka mengenai setiap interpretasi. Preferensi terhadap interpretasi Kopenhagen berada di angka 42%, perspektif kuantum-informasional di angka 24%, dan interpretasi banyak dunia di angka 18%. Seperti yang terlihat dalam survei, interpretasi Kopenhagen adalah interpretasi arus utama dalam komunitas fisika. Interpretasi Kopenhagen adalah interpretasi yang dikembangkan sejak awal mekanika kuantum oleh para cendekiawan yang dipimpin oleh Bohr. Brian Greene memperkenalkan prinsip inti dari interpretasi Kopenhagen sebagai berikut: “Setiap kali kita mencoba mengamati gelombang probabilitas secara langsung, tindakan pengamatan itu sendiri mengganggu gelombang tersebut.” Interpretasi Kopenhagen menjelaskan bahwa pada saat pengamatan, gelombang probabilitas tidak dapat lagi tetap berada dalam keadaan tersebut dan runtuh menjadi satu titik tunggal. Dijelaskan bahwa hasil dari runtuhnya menjadi satu titik ini adalah realitas yang kita kenal. Proses ini disebut runtuhan gelombang. Perspektif informasi kuantum menjelaskan bahwa alam semesta itu sendiri tersusun dari informasi kuantum, yang merupakan esensi dari alam semesta itu sendiri. Teori ini beranggapan bahwa segala sesuatu adalah hasil dari komputasi kuantum yang melibatkan informasi kuantum ini. Dari sudut pandang ini, seluruh alam semesta terkadang dipandang sebagai mesin yang melakukan komputasi kuantum. Seth Lloyd telah menulis sebuah buku yang secara persuasif mendukung perspektif ini. Dalam buku itu, ia menjelaskan peran informasi dan bagaimana kaitannya dengan hukum fisika yang sebenarnya. Sebagai contoh, ia menjelaskan bagaimana komputasi kuantum cenderung menyebarkan informasi yang tidak diketahui dan menguraikan hukum-hukum fisika yang berkaitan dengan entropi. Interpretasi Banyak Dunia diajukan oleh Hugh Everett. Interpretasi ini tidak menerima runtuhnya fungsi gelombang, yang merupakan landasan dari interpretasi Kopenhagen. Sebaliknya, teori ini beranggapan bahwa alam semesta bercabang menjadi banyak dunia, dan semua kemungkinan terwujud. Dengan demikian, hal ini menjelaskan bahwa di setiap dunia, seorang pengamat mempersepsikan realitas yang kita kenal. Saya menganggap konsep runtuhnya fungsi gelombang—yang dapat dilihat sebagai inti dari interpretasi Kopenhagen—tidak meyakinkan. Seperti yang Brian Greene tunjukkan, batasan yang mendefinisikan apa yang dianggap sebagai "pengamatan" masih belum jelas. Penjelasannya kurang lebih seperti ini: runtuhnya fungsi gelombang tidak terjadi ketika objek mikroskopis berinteraksi satu sama lain, tetapi terjadi ketika seorang pengamat melakukan pengukuran; namun, penjelasan ini sulit diterima.
Wajar untuk berasumsi bahwa hukum fisika berlaku secara universal dan identik di seluruh alam semesta. Karena pengamat juga merupakan bagian dari alam semesta, saya percaya bahwa hukum mekanika kuantum berlaku secara sama untuk semua tindakan, termasuk pengamatan. Namun, interpretasi Kopenhagen menjelaskan bahwa runtuhnya gelombang terjadi sebagai akibat dari tindakan pengamatan yang dilakukan oleh pengamat. Secara matematis, keruntuhan gelombang juga merupakan operasi yang berbeda dari operasi mekanika kuantum biasa. Meskipun saya tidak dapat menjelaskan secara detail proses perubahan fungsi gelombang probabilitas di sini, proses tersebut dapat digambarkan sebagai operasi yang melibatkan perkalian dengan matriks reversibel dengan sifat-sifat khusus tertentu. “Reversibel” berarti terdapat korespondensi satu-ke-satu antara hasil dan keadaan yang menyebabkannya. Namun, ketika terjadi keruntuhan fungsi gelombang, korespondensi ini terputus. Sistem tersebut menjadi terpaku pada satu keadaan, sehingga tidak mungkin untuk mengembalikan keadaan semula. Dalam kasus di mana sifat pengamatan sangat penting—seperti dalam interpretasi Kopenhagen—konsep potongan Heisenberg terkadang diperkenalkan. Konsep ini menyatakan bahwa hukum-hukum mekanika kuantum berlaku hingga batas tertentu, dan di luar batas tersebut, fungsi gelombang akan runtuh. Namun, batasan ini tidak didefinisikan secara jelas. Hal itu dapat ditetapkan pada tingkat objek seperti elektron atau proton, atau dapat ditetapkan pada objek makroskopis seperti manusia. Hal ini tidak memuaskan karena tidak menentukan secara pasti di mana batas tersebut harus ditarik. Contoh terkenal yang menggambarkan situasi ini adalah eksperimen pikiran kucing Schrödinger. Dalam eksperimen pikiran ini, sebuah partikel yang lebih kecil dari atom dan seekor kucing muncul. Partikel kecil tersebut dapat meluruh dengan probabilitas tertentu, sebuah proses yang dapat dijelaskan oleh mekanika kuantum. Sebuah alat pendeteksi ditempatkan di sebelahnya. Konon, begitu pembusukan semacam itu terdeteksi, sebuah mekanisme yang membunuh kucing akan terpicu. Hal ini menimbulkan pertanyaan apakah kucing itu mati atau hidup pada saat itu. Interpretasi Kopenhagen menjelaskan bahwa keadaan kucing—apakah hidup atau mati—ditentukan pada saat diamati. Penjelasan ini didasarkan pada premis bahwa bahkan objek makroskopis pun tidak mengalami keruntuhan gelombang. Hal ini menunjukkan bahwa bahkan objek-objek besar pun harus dipertimbangkan dalam kerangka mekanika kuantum. Oleh karena itu, ada eksperimen pemikiran yang membawa situasi ini ke tingkat ekstrem yang lebih besar lagi. Dalam eksperimen pikiran ini, kita berasumsi bahwa seorang teman melakukan eksperimen pikiran kucing Schrödinger dan mengamati keadaan kucing tersebut. Dalam kasus seperti itu, hal tersebut tidak memberikan penjelasan pasti mengenai batas mana fungsi gelombang harus dianggap telah runtuh. Mengenai batasan ini, beberapa pihak memandang sejauh mana pengetahuan pengamat sebagai hal yang krusial, dan hal ini dikatakan berkaitan dengan probabilitas. Meskipun demikian, interpretasi Kopenhagen memiliki keunggulan dalam menjelaskan hasil yang diamati oleh pengamat dengan mudah dan jelas. Bahkan, buku ini menjelaskan hasil berbagai eksperimen dengan sangat baik. Cukup menerapkan prinsip gelombang runtuh pada saat mengamati hasil eksperimen atau saat berinteraksi dengan objek makroskopis. Ini adalah interpretasi yang mudah dan tidak memerlukan pertimbangan keadaan kuantum dari peralatan pengamatan. Salah satu alasan kesuksesannya yang besar, terlepas dari hasil runtuhnya gelombang yang secara intuitif sulit diterima, kemungkinan besar adalah kemampuannya untuk menjelaskan hasil eksperimen dengan baik. Justru karena runtuhnya gelombang merupakan penjelasan yang tidak alami, saya percaya Interpretasi Banyak Dunia dapat menjadi alternatif yang layak untuk interpretasi Kopenhagen. Interpretasi Banyak Dunia tidak mengakui keruntuhan gelombang. Interpretasi ini dikatakan diperoleh dengan hanya berfokus pada persamaan gelombang Schrödinger. Karena tidak menganggap tindakan pengamatan sebagai sesuatu yang tunduk pada hukum khusus apa pun, maka proses tersebut diinterpretasikan sebagai perubahan keadaan gelombang seperti yang terlihat dari persamaan gelombang. Dengan kata lain, dipahami bahwa ketika suatu pengamatan dilakukan, gelombang tersebut tidak runtuh; melainkan, pengamat dan objek memasuki keadaan keterikatan mekanika kuantum. Untuk memahami keadaan yang saling terkait ini, mari kita periksa sebuah contoh dari perspektif Interpretasi Banyak Dunia, yang tidak mengakui keruntuhan gelombang. Putaran elektron bisa ke atas (↑) atau ke bawah (↓). Peralatan pengamatan adalah perangkat yang mengukur putaran elektron. Mari kita asumsikan jendela tampilan status peralatan observasi memiliki tiga kemungkinan status: naik (⟰), turun (⟱), dan kosong (). Mari kita lihat situasi sebelum pengukuran dilakukan. Putaran elektron dan jendela tampilan keadaan peralatan pengamatan dapat digambarkan sebagai gelombang probabilitas yang saling independen. Elektron tidak tetap berada di atas (↑) atau di bawah (↓) tetapi direpresentasikan oleh gelombang probabilitas. Alat ukur akan diatur ke keadaan kosong () untuk percobaan, dan akan ada fungsi gelombang probabilitas yang mewakili situasi ini. Mari kita lihat situasi setelah pengukuran. Pada titik ini, hal tersebut tidak dapat lagi digambarkan sebagai fungsi gelombang probabilitas independen. Keadaan keseluruhan justru dijelaskan oleh fungsi gelombang probabilitas tunggal yang mencakup baik elektron maupun alat pengukur.
Secara spesifik, hal ini diwakili oleh fungsi gelombang probabilitas tunggal yang hanya menggambarkan dua kemungkinan situasi: satu di mana spin elektron mengarah ke atas dan jendela keadaan alat pengamatan menunjukkan "atas" (↑⟰), dan yang lainnya di mana spin elektron mengarah ke bawah dan jendela keadaan alat pengamatan menunjukkan "bawah" (↓⟱). Fenomena ini, di mana banyak keadaan tidak lagi independen, digambarkan sebagai "keterikatan" (entanglement). Interpretasi Banyak Dunia (Many-Worlds Interpretation) membawa hal ini selangkah lebih jauh. Melihat contoh di atas, ada dua kemungkinan situasi (↑⟰, ↓⟱). Interpretasi Banyak Dunia memandang dunia terbagi menjadi dua keadaan ini. Artinya, di satu dunia, situasi ↑⟰ terjadi, dan di dunia lain, situasi ↓⟱ terjadi. Konon, jika menelaah persamaan Schrödinger, tidak ada masalah matematika besar jika persamaan tersebut dilihat dari sudut pandang ini. Jika kita memisahkan kemungkinan keadaan berdasarkan hasil pengamatan dan menafsirkan setiap hasil sebagai dunia yang berbeda, itulah tepatnya Interpretasi Banyak Dunia. Dengan demikian, setiap peristiwa yang dapat dianggap sebagai pengamatan dipandang sebagai peristiwa di mana dunia terpisah. Oleh karena itu, setiap kemungkinan yang secara mekanika kuantum layak terwujud di setiap dunia. Aspek dari Interpretasi Banyak Dunia yang menurut saya paling menarik adalah bahwa interpretasi ini tidak menganggap tindakan pengamatan sebagai sesuatu yang istimewa. Karena pengamat pun dipandang sebagai bagian dari dunia yang tunduk pada hukum mekanika kuantum yang sama, saya menganggap interpretasi ini sebagai interpretasi yang lebih universal dan dapat diterapkan secara luas. Namun, Interpretasi Banyak Dunia menghadapi banyak kritik. Tidak ada penjelasan yang meyakinkan tentang apa artinya dunia terpecah menjadi banyak dunia. Selain itu, klaim bahwa terdapat banyak dunia itu sendiri sudah aneh. Jika dunia terus diciptakan tanpa batas, tidak mungkin kita dapat menjelaskan bagaimana kita bisa melacak begitu banyak dunia tersebut. Selain itu, jika dunia yang berbeda benar-benar terpisah dan tidak dapat saling memengaruhi, dapat dikatakan bahwa, dari perspektif pengamat, keberadaan dunia lain sama sekali tidak berarti. Dari sudut pandang itu, interpretasi itu sendiri menjadi tidak berarti. Selain itu, masih ada beberapa tantangan yang perlu diatasi dalam Interpretasi Banyak Dunia. Pertama, memberikan penjelasan yang memadai tentang dunia mana yang akan dipersepsikan oleh pengamat sebenarnya adalah salah satu tugas yang harus ditangani. Harus ada juga cara untuk menggambarkan fenomena dari perspektif pengamat—bukan dari perspektif keseluruhan—untuk menjelaskan fenomena yang kita amati dalam kehidupan sehari-hari. Hal ini karena kita tidak mengamati gelombang probabilitas secara langsung, melainkan hanya hasilnya saja. Interpretasi Kopenhagen menjelaskan aspek ini dengan jelas. Interpretasi Kopenhagen berpendapat bahwa dunia yang kita amati terwujud melalui runtuhnya fungsi gelombang, dan menghasilkan hasil yang selaras dengan realitas. Selain itu, Interpretasi Banyak Dunia seharusnya mampu menjelaskan interpretasi Kopenhagen. Jika Interpretasi Banyak Dunia adalah yang benar, maka interpretasi ini seharusnya mampu menjelaskan—dari perspektifnya sendiri—bagaimana semua hasil eksperimen hingga saat ini sesuai dengan prediksi interpretasi Kopenhagen. Selanjutnya, kita harus menentukan dalam keadaan apa perbedaan mungkin muncul antara kedua interpretasi tersebut. Oleh karena itu, membangun hubungan dengan interpretasi Kopenhagen juga merupakan tantangan besar. Saya tidak mendukung konsep runtuhnya gelombang dalam interpretasi Kopenhagen karena tidak jelas kapan tepatnya konsep tersebut harus diterapkan, dan saya memandang praktik mengisolasi pengukuran sebagai proses terpisah sebagai hal yang bermasalah dalam hal universalitas. Sebaliknya, saya percaya kita harus mempertahankan perspektif bahwa seluruh alam semesta dapat digambarkan sebagai gelombang probabilistik dalam mekanika kuantum, dan bahwa pengamat juga merupakan bagian darinya. Oleh karena itu, saya pikir Interpretasi Banyak Dunia dan teori-teori serupa dapat berfungsi sebagai alternatif. Namun, seperti yang disebutkan sebelumnya, masih ada beberapa masalah dengan interpretasi-interpretasi ini. Sebagaimana dibuktikan oleh hasil survei yang melibatkan para fisikawan, belum ada kesimpulan pasti yang dicapai mengenai interpretasi mekanika kuantum. Beberapa interpretasi yang ada memiliki sejarah terbukti salah melalui eksperimen. Namun, belum ada eksperimen semacam itu yang dilakukan untuk interpretasi Kopenhagen atau interpretasi Banyak Dunia. Ada kemungkinan bahwa desain eksperimental yang mampu benar-benar menunjukkan perbedaan antara interpretasi-interpretasi ini dapat dikembangkan suatu hari nanti. Atau, pada akhirnya kita mungkin menyimpulkan bahwa semua interpretasi ini sama-sama valid. Oleh karena itu, saya percaya bahwa seiring dengan semakin dalamnya pemahaman kita tentang hukum-hukum fisika, jalan baru untuk menafsirkan mekanika kuantum akan terbuka. Akan sangat menarik untuk menyaksikan proses itu berlangsung.
