Mematahkan Kecepatan Cahaya: Enigma Quantum Tunneling

Dalam fenomena fisika kuantum menakjubkan yang dikenal sebagai tunneling, partikel tampak bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Namun, fisikawan dari Darmstadt percaya bahwa waktu yang dibutuhkan partikel untuk mencapai terowongan hingga saat ini telah diukur secara salah. Mereka mengusulkan metode baru untuk menghentikan kecepatan partikel kuantum.

Dalam fisika klasik, ada aturan ketat yang tidak bisa diabaikan. Misalnya, jika bola yang menggelinding tidak mempunyai energi yang cukup, maka bola tersebut tidak akan melewati bukit, melainkan akan berputar sebelum mencapai puncak dan berputar. Dalam fisika kuantum, prinsip ini tidak terlalu ketat: sebuah partikel dapat melewati suatu penghalang, meskipun ia tidak memiliki cukup energi untuk melewatinya. Ia bertindak seolah-olah ia menyelinap melalui sebuah terowongan, itulah sebabnya fenomena ini juga dikenal sebagai “terowongan kuantum”. Apa yang terdengar ajaib memiliki penerapan teknis nyata, misalnya pada drive memori flash.

Tunneling Kuantum dan Relativitas

Di masa lalu, eksperimen yang membuat terowongan partikel yang lebih cepat dari cahaya menarik perhatian. Namun teori relativitas Einstein melarang kecepatan melebihi kecepatan cahaya. Oleh karena itu, pertanyaannya adalah apakah waktu yang diperlukan untuk pembuatan terowongan dapat “dihentikan” dengan benar dalam percobaan ini. Fisikawan Patrik Schach dan Enno Giese dari TU Darmstadt mengikuti pendekatan baru dalam mendefinisikan “waktu” untuk penerowongan partikel. Mereka kini telah mengusulkan metode pengukuran baru kali ini. Dalam eksperimennya, mereka mengukurnya dengan cara yang mereka yakini lebih konsisten dengan sifat kuantum penerowongan. Mereka telah mempublikasikan desain eksperimentalnya di jurnal ternama Kemajuan dalam Sains.

Dualitas Gelombang-Partikel dan Terowongan Kuantum

Menurut fisika kuantum, partikel kecil seperti atom atau partikel cahaya memiliki sifat ganda.

Tergantung pada eksperimennya, mereka berperilaku seperti partikel atau gelombang. Penerowongan kuantum menyoroti sifat gelombang partikel. Sebuah “paket gelombang” bergulir menuju penghalang, sebanding dengan gelombang air. Ketinggian gelombang menunjukkan kemungkinan munculnya partikel di lokasi tersebut jika posisinya diukur. Jika paket gelombang menabrak penghalang energi, sebagian darinya akan dipantulkan. Namun, sebagian kecil menembus penghalang dan kecil kemungkinan partikel tersebut akan muncul di sisi lain penghalang.

Mengevaluasi Kembali Kecepatan Tunneling

Eksperimen sebelumnya mengamati bahwa partikel cahaya telah menempuh jarak yang lebih jauh setelah terowongan dibandingkan partikel yang memiliki jalur bebas. Oleh karena itu, ia akan bergerak lebih cepat dari cahaya. Namun, para peneliti harus menentukan lokasi partikel tersebut setelah melewatinya. Mereka memilih titik tertinggi dari paket gelombang.

“Tetapi partikel tidak mengikuti jalur dalam pengertian klasik,” bantah Enno Giese. Tidak mungkin untuk mengatakan dengan tepat di mana partikel tersebut berada pada waktu tertentu. Hal ini menyulitkan untuk membuat pernyataan tentang waktu yang diperlukan untuk berpindah dari A ke B.

Pendekatan Baru untuk Mengukur Waktu Tunneling

Schach dan Giese, sebaliknya, dipandu oleh kutipan dari Albert Einstein: “Waktu adalah apa yang Anda baca di jam.” Mereka menyarankan untuk menggunakan partikel penerowongan itu sendiri sebagai jam. Partikel kedua yang tidak melakukan terowongan berfungsi sebagai referensi. Dengan membandingkan dua jam alami ini, dimungkinkan untuk menentukan apakah waktu berlalu lebih lambat, lebih cepat, atau sama cepatnya selama penerowongan kuantum.

Sifat gelombang partikel memfasilitasi pendekatan ini. Osilasi gelombang mirip dengan osilasi jam. Secara khusus, Schach dan Giese mengusulkan penggunaan atom sebagai jam. Tingkat energi atom berosilasi pada frekuensi tertentu. Setelah mengatasi sebuah atom dengan pulsa laser, level awalnya berosilasi secara tersinkronisasi – jam atom dimulai. Namun, selama terowongan, ritmenya sedikit berubah. Pulsa laser kedua menyebabkan dua gelombang internal atom berinterferensi. Mendeteksi interferensi memungkinkan untuk mengukur seberapa jauh jarak kedua gelombang pada tingkat energi, yang pada gilirannya merupakan ukuran tepat dari waktu yang telah berlalu.

Atom kedua, yang tidak melakukan terowongan, berfungsi sebagai acuan untuk mengukur perbedaan waktu antara terowongan dan non-terowongan. Perhitungan kedua fisikawan tersebut menunjukkan bahwa partikel penerowongan akan menunjukkan waktu yang sedikit tertunda. “Jam yang dibangun di terowongan ini sedikit lebih tua dibandingkan jam lainnya,” kata Patrik Schach. Hal ini tampaknya bertentangan dengan eksperimen yang menghubungkan kecepatan superluminal dengan terowongan.

Tantangan Penerapan Eksperimen

Pada prinsipnya pengujian dapat dilakukan dengan teknologi saat ini, kata Schach, namun hal tersebut merupakan tantangan besar bagi para peneliti. Sebab, selisih waktu yang ingin diukur hanya berkisar 10 saja^-26 detik – waktu yang sangat singkat. Para fisikawan menjelaskan bahwa akan membantu jika menggunakan awan atom sebagai jam, bukan sebagai atom individual. Dimungkinkan juga untuk memperkuat efeknya, misalnya dengan meningkatkan frekuensi clock secara artifisial.

“Kami sedang mendiskusikan ide ini dengan rekan eksperimental dan menghubungi mitra proyek kami,” tambah Giese. Ada kemungkinan bahwa sebuah tim akan segera memutuskan untuk melakukan eksperimen menarik ini.

Referensi: “Teori terpadu waktu terowongan yang dipromosikan oleh jam Ramsey” oleh Patrik Schach dan Enno Giese, 19 April 2024, Kemajuan dalam Sains.
DOI: 10.1126/sciadv.adl6078