Siapa yang pernah nonton ant-man? Salah satu tokoh di Marvel Universe tersebut seringkali dihubungkan dengan fisika kuantum atau efek kuantum. Pasti mengundang banyak pertanyaan, mengapa kuantum itu selalu dibahas?
Apa itu fisika kuantum dan apa saja aplikasinya?
Apa Itu Fisika Kuantum?
Dibalik praktik canggihnya, pada dasarnya, fisika kuantum adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari materi dan energi pada level yang paling fundamental, contohnya adalah elektron, proton, dan neutron.
Secara simpel, fisika kuantum adalah fisika yang mempelajari benda-benda yang berukuran sangat kecil (skala atomik) dimana mekanika Newtonian tidak berlaku pada level tersebut.
Penerapan fisika kuantum banyak diterapkan pada material, inti, zat padat, atau superkonduktor karena berukuran sangat kecil.
Cikal Bakal Fisika Kuantum
Pada awalnya, cabang ilmu fisika ini naik pamor pada awal abad ke-20 dari observasi secara eksperimental. Didapatkan bahwa dari observasi tersebut, pergerakan atom terasa tidak “make sense” jika menggunakan fisika klasik.
Beberapa temuan yang menarik adalah benda dan energi bisa dibayangkan sebagai bentuk yang diskrit. Contohnya, cahaya memiliki quanta bernama foton yang juga memiliki energi. Pada frekuensi yang sama, foton akan memiliki energi yang sama juga (sesuai dengan persamaan E = hf, dimana E adalah energi, h adalah konstanta planck, dan f adalah frekuensi).
Karena terobosan pada ilmu kuantum ini, konseptualisasi atom bisa dibentuk, misalnya adalah nukleus yang dikelilingi oleh atom. Pada awalnya, model atom digambarkan dengan inti atom yang dikelilingi oleh elektron layaknya matahari yang dikelilingi oleh planet.
Konsep tersebut berbeda pada fisika kuantum. Konsep barunya adalah, elektron didistribusikan pada orbit yang merepresentasikan peluang keberadaan elektron pada lebih dari satu lokasi dalam jangka waktu tertentu (sebagai informasi, elektron memiliki kecepatan yang sangat tinggi).
a. Dualisme Cahaya
Dualisme yang dimaksud adalah cahaya bisa dipandang sebagai partikel dan gelombang.
Cahaya bisa dianggap sebagai partikel karena memiliki momentum, dan bisa dianggap sebagai gelombang karena memiliki frekuensi.
Dari frekuensi tersebut, bisa diketahui energi dari cahaya (E=hf), sementara, momentum bisa diketahui dengan membagi konstanta planck dengan panjang gelombang.
b. Superposisi
Superposisi banyak digunakan pada konsep fisika gelombang. Fisika kuantum juga menggunakan konsep superposisi.
Superposisi pada dasarnya adalah saat dimana objek bisa memiliki lebih dari satu keadaan yang mungkin. Jika dimatematikakan, persamaannya menghasilkan lebih dari satu solusi.
c. Ketidakpastian
Berbeda dengan fisika klasik yang eksak atau sudah pasti (non-probability). Fisika kuantum konsepnya adalah peluang atau ketidakpastian.
Secara fisis, maksudnya adalah saat dua properi objek, seperti posisi dan kecepatan tidak bisa diketahui dalam waktu yang sama. Jika kamu mengukur posisi dari suatu elektron, maka kamu tidak akan bisa mengukur kecepatan elektronnya.
Aplikasi Fisika Kuantum
Meskipun matematikanya yang ribet dan bisa membuat kepala panas, aplikasinya ada cukup banyak loh, terutama di bidang teknologi.
a. Transistor
Transistor banyak digunakan pada alat elektronik untuk mengaplifikasi sinyal elektrik atau daya listrik.
Pada dasarnya, transistor tersusun dari semikondukter tipe n,p, dan n, serta strukturnya diaplikasikan pada chip komputer.
Kalau tidak ada cabang ilmu fisika tersebut, transistor tidak akan bisa diciptakan, alias, tidak ada perkembangan teknologi seperti komputer yang biasa kamu pakai di rumah.
b. Laser
Laser yang dipakai saat operasi adalah salah satu aplikasi cabang fisika yang canggih tersebut.
Ketika elektron tereksitasi (naik ke level energi yang lebih tinggi), ia tidak akan selamanya di level tersebut. Saat ia turun level (untuk menstabilkan diri), maka ia akan menghasilkan cahaya.
State mekanika kuantum dari atomnya juga dipengaruhi oleh foton eksternal yang diasosiasikan dengan transisi atomic.
c. Mikroskop Elektron
Berbeda dengan mikroskop cahaya yang kemampuan membesarkan objeknya cukup terbatas, mikroskop elektron bisa membesarkan objek hingga skala yang lebih kecil.
Berkat perkembangan ini, imaging atau pencintraan dari benda-benda sangat kecil bisa lebih jelas dan bermanfaat untuk penelitian.
d. GPS
Kalau kamu pekerja lapangan atau sering berhubungan dengan hal-hal yang berbau mapping atau pemetaan, pasti sudah tidak asing dengan GPS.
Pada dasarnya, GPS juga adalah salah satu aplikasi dari fisika kuantum. Navigasi ke tempat yang tidak kamu ketahui atau tidak familiar jadi lebih mudah berkat cabang ilmu fisika ini.
GPS menggunakan banyak satelit untuk menentukan posisi. Nah, satelit tersebut memiliki jam atomik yang kerjanya bergantung pada kuantum.
Ternyata, Banyak Hal Canggih yang Tercipta Karena Fisika Kuantum
Meski secara matematis, cabang ilmu fisika ini termasuk yang tersulit, ternyata banyak teknologi-teknologi lahir yang canggih karena fisika kuantum.
Karena baru naik perkembangannya sejak abad 20, kemungkinan besar akan banyak terobosan baru dari ilmu fisika ini.
