Neutron Menentang Fisika Klasik dalam Eksperimen Menakjubkan

Apakah alam benar-benar seaneh yang dikatakan teori kuantum — atau adakah penjelasan yang lebih sederhana? Pengukuran neutron membuktikan: Alam tidak bekerja tanpa sifat-sifat aneh teori kuantum.

Teori kuantum memungkinkan partikel berada dalam keadaan superposisi, yang bertentangan dengan realisme klasik. Ketidaksetaraan Leggett-Garg menguji hal ini dengan membandingkan perilaku kuantum dengan ekspektasi klasik. Eksperimen sinar neutron baru-baru ini di TU Wien mengonfirmasi bahwa partikel memang melanggar ketidaksetaraan ini, yang memperkuat validitas teori kuantum atas penjelasan klasik.

Superposisi Kuantum: Bisakah Sebuah Partikel Berada di Dua Tempat Sekaligus?

Dapatkah sebuah partikel berada di dua tempat berbeda pada saat yang sama? Dalam fisika kuantum, hal itu mungkin: Teori kuantum memungkinkan objek berada dalam beberapa keadaan pada saat yang sama – atau lebih tepatnya: dalam superposisi, menggabungkan berbagai keadaan yang dapat diamati. Namun, apakah ini benar-benar terjadi? Mungkin partikel tersebut sebenarnya berada dalam keadaan yang sangat spesifik, di lokasi yang sangat spesifik, tetapi kita tidak mengetahuinya?

Pertanyaan tentang apakah perilaku objek kuantum mungkin dapat dijelaskan oleh teori yang lebih sederhana dan lebih klasik telah dibahas selama beberapa dekade. Pada tahun 1985, sebuah cara untuk mengukurnya diusulkan: yang disebut “ketidaksetaraan Leggett-Garg.” Setiap teori yang menggambarkan dunia kita tanpa keadaan superposisi aneh dari teori kuantum harus mematuhi ketidaksetaraan ini. Teori kuantum, di sisi lain, melanggarnya. Pengukuran dengan neutron yang menguji “ketidaksetaraan Leggett-Garg” ini kini telah dilakukan untuk pertama kalinya di TU Wien – dengan hasil yang jelas: ketidaksetaraan Leggett-Garg dilanggar, penjelasan klasik tidak mungkin, teori kuantum menang. Hasilnya kini telah dipublikasikan dalam jurnal Surat Tinjauan Fisik.

Menjelajahi Realisme Fisik

Kita biasanya berasumsi bahwa setiap objek memiliki sifat-sifat tertentu: Sebuah bola berada di lokasi tertentu, memiliki kecepatan tertentu, mungkin rotasi tertentu. Tidak masalah apakah kita mengamati bola tersebut atau tidak. Bola memiliki sifat-sifat ini secara objektif dan independen dari kita. “Pandangan ini dikenal sebagai 'realisme',” kata Stephan Sponar dari Institut Atom di TU Wien.

Kita tahu dari pengalaman sehari-hari bahwa objek makroskopis yang besar khususnya harus mematuhi aturan-aturan ini. Kita juga tahu bahwa objek makroskopis dapat diamati tanpa terpengaruh secara signifikan. Pengukuran tidak mengubah keadaan sesuatu secara mendasar. Asumsi-asumsi ini secara kolektif disebut sebagai “realisme makroskopis”.

Teori Kuantum dan Realisme Makroskopik

Akan tetapi, teori kuantum seperti yang kita ketahui saat ini melanggar realisme makroskopis ini. Jika berbagai keadaan mungkin terjadi pada partikel kuantum, misalnya, posisi, kecepatan, atau nilai energi yang berbeda, maka kombinasi apa pun dari keadaan ini juga mungkin terjadi. Setidaknya selama keadaan ini tidak diukur. Selama pengukuran, keadaan superposisi dihancurkan: pengukuran memaksa partikel untuk memutuskan salah satu nilai yang mungkin.

Meskipun demikian, dunia kuantum harus terhubung secara logis dengan dunia makroskopis – lagipula, objek besar tersusun dari partikel kuantum yang sangat kecil. Pada prinsipnya, aturan teori kuantum harus berlaku untuk semuanya.

Jadi pertanyaannya adalah: Apakah mungkin mengamati perilaku pada objek “besar” yang tidak sesuai dengan gambaran intuitif kita tentang realisme makroskopis? Dapatkah objek makroskopis juga menunjukkan tanda-tanda yang jelas tentang sifat kuantum?

Memahami Ketimpangan Leggett-Garg

Pada tahun 1985, fisikawan Anthony James Leggett dan Anupam Garg menerbitkan sebuah rumus yang dapat digunakan untuk menguji realisme makroskopis: ketidaksetaraan Leggett-Garg. “Ide di baliknya mirip dengan ketidaksetaraan Bell yang lebih terkenal, yang membuatnya dianugerahi Penghargaan Nobel Fisika pada tahun 2022,” kata Elisabeth Kreuzgruber, penulis pertama makalah tersebut. “Namun, ketidaksetaraan Bell adalah tentang pertanyaan tentang seberapa kuat perilaku sebuah partikel terkait dengan perilaku partikel kuantum terjerat lainnya. Ketidaksetaraan Leggett-Garg adalah tentang satu objek dan mengajukan pertanyaan: bagaimana keadaannya pada suatu titik waktu tertentu terkait dengan keadaan objek yang sama pada titik waktu lain yang diberikan?”

Korelasi yang Lebih Kuat Daripada yang Dimungkinkan oleh Fisika Klasik

Leggett dan Garg berasumsi bahwa sebuah objek dapat diukur pada tiga waktu yang berbeda, setiap pengukuran memiliki dua hasil yang berbeda. Bahkan jika kita tidak tahu apa pun tentang apakah atau bagaimana keadaan objek ini berubah seiring waktu, kita masih dapat menganalisis secara statistik seberapa kuat hasil pada titik waktu yang berbeda saling berkorelasi.

Secara matematis dapat dibuktikan bahwa kekuatan korelasi ini tidak akan pernah melampaui level tertentu – dengan asumsi bahwa realisme makroskopik itu benar. Leggett dan Garg mampu menetapkan ketidaksetaraan yang harus selalu dipenuhi oleh setiap teori realis makroskopik, terlepas dari detail teorinya.

Namun, jika objek mematuhi aturan teori kuantum, maka seharusnya ada korelasi statistik yang jauh lebih kuat antara hasil pengukuran pada tiga titik waktu yang berbeda. Jika suatu objek benar-benar berada dalam keadaan yang berbeda pada waktu yang sama di antara pengukuran, hal ini – menurut Leggett dan Garg – seharusnya mengarah pada korelasi yang lebih kuat antara ketiga pengukuran tersebut.

Sinar Neutron: Objek Kuantum Berukuran Sentimeter

“Namun, tidak mudah untuk menyelidiki pertanyaan ini secara eksperimental,” kata Richard Wagner. “Jika kita ingin menguji realisme makroskopis, maka kita memerlukan objek yang makroskopis dalam beberapa hal, yaitu, memiliki ukuran yang sebanding dengan ukuran objek sehari-hari kita.” Namun pada saat yang sama, objek tersebut harus memiliki peluang untuk tetap menunjukkan sifat kuantum.

“Sinar neutron, seperti yang kami gunakan dalam interferometer neutron, sangat cocok untuk ini,” kata Hartmut Lemmel, yang bertanggung jawab atas instrumen S18 di Institut Laue-Langevin (ILL) di Grenoble, tempat percobaan dilakukan. Dalam interferometer neutron, interferometer kristal silikon sempurna yang pertama kali berhasil digunakan di Institut Atom TU Wien pada awal tahun 1970-an, sinar neutron yang masuk dibagi menjadi dua sinar parsial pada pelat kristal pertama dan kemudian digabungkan kembali oleh bagian silikon lainnya. Oleh karena itu, ada dua cara berbeda di mana neutron dapat bergerak dari sumber ke detektor.

“Teori kuantum menyatakan bahwa setiap neutron bergerak di sepanjang kedua lintasan pada saat yang sama,” kata Niels Geerits. “Namun, kedua berkas parsial tersebut berjarak beberapa sentimeter. Dalam arti tertentu, kita berhadapan dengan objek kuantum yang sangat besar menurut standar kuantum.”

Melanggar Ketimpangan Leggett-Garg dengan Neutron

Dengan menggunakan kombinasi canggih dari beberapa pengukuran neutron, tim di TU Wien mampu menguji ketidaksetaraan Leggett-Garg – dan hasilnya jelas: ketidaksetaraan itu dilanggar. Neutron berperilaku dengan cara yang tidak dapat dibayangkan oleh teori makroskopis yang realistis. Mereka sebenarnya bergerak di sepanjang dua jalur pada saat yang sama, mereka secara bersamaan berada di tempat yang berbeda, terpisah beberapa sentimeter. Gagasan bahwa “mungkin neutron hanya bergerak di sepanjang salah satu dari dua jalur, kita hanya tidak tahu yang mana” telah dibantah.

“Eksperimen kami menunjukkan: Alam itu aneh seperti yang diklaim oleh teori kuantum,” kata Stephan Sponar. “Apa pun teori klasik dan realistis yang Anda kemukakan: Teori itu tidak akan pernah mampu menjelaskan realitas. Teori itu tidak akan berhasil tanpa fisika kuantum.”

Referensi: “Pelanggaran Ketimpangan Leggett-Garg Menggunakan Pengukuran Negatif Ideal dalam Interferometri Neutron” oleh Elisabeth Kreuzgruber, Richard Wagner, Niels Geerits, Hartmut Lemmel dan Stephan Sponar, 24 Juni 2024, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.260201