Bisnis.com, Jakarta – Ditayangkannya film Oppenheimer yang terinspirasi dari bapak bom atom dunia Robert J Oppenheimer, membuat banyak orang mulai tertarik dengan mekanika kuantum.
Mekanika kuantum adalah cabang dasar fisika yang digunakan untuk menjelaskan sistem atom dan subatom.
Dikembangkan selama paruh pertama abad ke-20, hasil dari mekanika kuantum sering kali sangat aneh dan berlawanan dengan intuisi.
Konsep mekanika kuantum digunakan untuk menggantikan mekanika klasik. Mekanika kuantum berada dalam superposisi kuantum sehingga tidak bersesuaian dengan fisika klasik.
Mengapa mekanika kuantum berbeda dengan fisika klasik?
Pada skala atom dan elektron, banyak persamaan mekanika klasik yang menggambarkan pergerakan dan interaksi benda-benda pada ukuran dan kecepatan sehari-hari.
Dalam mekanika klasik, objek berada di tempat tertentu pada waktu tertentu. Dalam mekanika kuantum, benda-benda ada dalam kabut probabilitas. Mereka memiliki peluang tertentu untuk berada di titik A, peluang lain untuk berada di titik B, dan seterusnya.
Kapan mekanika kuantum dikembangkan?
Menurut University of St Andrews di Skotlandia, mekanika kuantum berkembang selama beberapa dekade, dimulai sebagai serangkaian penjelasan matematis yang kontroversial untuk eksperimen yang tidak dapat dijelaskan oleh matematika mekanika klasik.
Dimulai pada pergantian abad ke-20, sekitar waktu yang sama ketika Albert Einstein mempublikasikan teori relativitasnya, sebuah revolusi terpisah dalam fisika yang menjelaskan gerakan benda-benda dengan kecepatan tinggi.
Namun, tidak seperti relativitas, asal mula mekanika kuantum tidak dapat dikaitkan dengan satu ilmuwan. Sebaliknya, beberapa ilmuwan berkontribusi pada sebuah fondasi yang secara bertahap mendapatkan penerimaan dan verifikasi eksperimental antara akhir 1800-an dan 1930.
Pada tahun 1900, fisikawan Jerman Max Planck mencoba menjelaskan mengapa benda-benda pada suhu tertentu, seperti filamen bola lampu bersuhu 1.470 derajat Fahrenheit (800 derajat Celcius), memancarkan warna tertentu.
Planck menyadari bahwa persamaan yang digunakan oleh fisikawan Ludwig Boltzmann untuk menggambarkan perilaku gas dapat diterjemahkan ke dalam penjelasan untuk hubungan antara suhu dan warna. Masalahnya, karya Boltzmann bergantung pada fakta bahwa setiap gas terbuat dari partikel-partikel kecil, yang berarti bahwa cahaya juga terbuat dari partikel-partikel kecil.
Ide ini bertentangan dengan gagasan tentang cahaya pada saat itu, ketika sebagian besar fisikawan percaya bahwa cahaya adalah gelombang kontinu dan bukan paket kecil.
Planck sendiri tidak percaya pada atom atau potongan-potongan kecil cahaya, tetapi konsepnya mendapat dorongan pada tahun 1905, ketika Einstein menerbitkan sebuah makalah, "Mengenai Sudut Pandang Heuristik Terhadap Emisi dan Transformasi Cahaya."
Einstein membayangkan cahaya merambat bukan sebagai gelombang, tetapi sebagai semacam "kuanta energi". Paket energi ini, Einstein menyarankan dalam makalahnya, dapat "diserap atau dihasilkan hanya secara keseluruhan," khususnya ketika sebuah atom "melompat" di antara tingkat getaran yang terkuantisasi. Dari sinilah bagian "kuantum" dari mekanika kuantum berasal.
Dengan cara baru untuk memahami cahaya ini, Einstein menawarkan wawasan tentang perilaku sembilan fenomena dalam makalahnya, termasuk warna-warna spesifik yang dijelaskan Planck dipancarkan dari filamen bola lampu. Dia juga menjelaskan bagaimana warna cahaya tertentu dapat mengeluarkan elektron dari permukaan logam, sebuah fenomena yang dikenal sebagai efek fotolistrik.
Apa yang dimaksud dengan dualitas gelombang partikel?
Dalam mekanika kuantum, partikel terkadang berupa gelombang dan terkadang ada yang berupa partikel. Hal ini terlihat pada eksperimen celah ganda, di mana partikel seperti elektron ditembakkan pada papan dengan dua celah yang dipotong di dalamnya, yang di belakangnya terdapat layar yang menyala ketika elektron menabraknya. Jika elektron adalah partikel, mereka akan menciptakan dua garis terang di mana mereka telah berdampak pada layar setelah melewati salah satu celah.
Malahan, apabila percobaan dilakukan, pola interferensi terbentuk pada layar. Pola pita gelap dan terang ini hanya masuk akal jika elektron merupakan gelombang, dengan puncak (titik tinggi) dan palung (titik rendah), yang bisa saling berinterferensi. Bahkan, apabila satu elektron ditembakkan melalui celah pada satu waktu, pola interferensi akan muncul. Ini adalah suatu efek yang serupa dengan elektron tunggal yang mengganggu dirinya sendiri.
Pada tahun 1924, fisikawan Prancis Louis de Broglie menggunakan persamaan teori relativitas khusus Einstein untuk menunjukkan bahwa partikel dapat menunjukkan karakteristik seperti gelombang dan gelombang dapat menunjukkan karakteristik seperti partikel. Ini merupakan sebuah temuan yang membuatnya memenangkan Hadiah Nobel beberapa tahun kemudian.
Bagaimana mekanika kuantum menggambarkan atom?
Pada tahun 1910-an, fisikawan Denmark, Niels Bohr, mencoba menggambarkan struktur internal atom dengan menggunakan mekanika kuantum. Pada saat itu, diketahui bahwa atom terbuat dari inti yang berat, padat, dan bermuatan positif yang dikelilingi oleh sekumpulan elektron yang kecil, ringan, dan bermuatan negatif.
Bohr menempatkan elektron-elektron tersebut ke dalam orbit mengelilingi inti, seperti planet-planet di tata surya subatomik, kecuali mereka hanya dapat memiliki jarak orbit tertentu yang telah ditentukan. Dengan melompat dari satu orbit ke orbit lainnya, atom dapat menerima atau memancarkan radiasi pada energi tertentu, yang mencerminkan sifat kuantumnya.
Tak lama setelah itu, menurut American Physical Society, dua ilmuwan yang bekerja secara independen dan menggunakan jalur pemikiran matematis yang berbeda, menciptakan gambaran kuantum yang lebih lengkap tentang atom. Di Jerman, fisikawan Werner Heisenberg mencapai hal ini dengan mengembangkan "mekanika matriks." Fisikawan Austria-Irlandia, Erwin Schrödinger, mengembangkan teori serupa yang disebut "mekanika gelombang." Schrödinger menunjukkan pada tahun 1926 bahwa kedua pendekatan ini setara.
Model atom Heisenberg-Schrödinger, di mana setiap elektron bertindak sebagai gelombang di sekitar inti atom, menggantikan model Bohr yang sebelumnya. Dalam model atom Heisenberg-Schrödinger, elektron mematuhi "fungsi gelombang" dan menempati "orbital", bukan orbit. Tidak seperti orbit melingkar dari model Bohr, orbital atom memiliki berbagai bentuk, mulai dari bola, dumbel, hingga aster.
