Review kali ini detil sekali, hasil pembacaan reviewer tamu Anindita Yusan (Instagram: @andyusan ). Ini perkenalannya:

“Namaku Anindita Yusan, biasa dipanggil Anin. Aku lahir dan besar di kota Malang, Jawa Timur. Namun 5 tahun terakhir aku bekerja sebagai tim R&D di salah satu industri makanan di kota Gresik. Aku mulai suka membaca cukup dini ketika masih berada di bangku SD. Aku ingat betul aku mulai jatuh cinta membaca buku Sains sejak aku membaca ensiklopedia bergambar di perpustakaan sekolahku. Semenjak itu, aku semakin tertarik dengan Sains dan ingin mendalaminya lebih jauh. Berkat minatku pada bacaan Sains itu pula lah yg membawaku pada pekerjaanku sekarang di bidang R&D. ”

Selamat membaca!

—–

Quantum : A Guide for The Perplexed
Jim Al-Khalili
Orionbooks (2003)
276 pages

Jim Al-Khalili menulis buku ini berangkat dari pemahaman mayoritas orang mengenai betapa aneh dan ajaibnya fenomena Quantum. Sampai-sampai Al-Khalili menyebut bahwa seharusnya fenomena quantum diangkat di salah satu jilid The Unexplained, suatu majalah yang membahas fenomena paranormal seperti penampakan UFO, monster Danau Loch Ness, atau misteri Segitiga Bermuda. Pendapat ini tak lain juga karena Al-Khalili menemukan bahwa fenomena yang sulit dijelaskan ketika direduksi menjadi Sains yang dapat dengan mudah dimengerti membuat orang-orang beranggapan « kemisteriusannya » hilang dan hanya menyisakan teori-teori mengenai energi, partikel atau « hal-hal biasa Sains » lainnya. Namun tidak sama seperti betapa mudahnya mengerti bagaimana pelangi terbentuk (coba ingat pelajaran refraksi cahaya tampak oleh air hujan ketika SD), fenomena quantum, meskipun dengan tegas berada di domain Sains dimana angka dan fisika menjadi pondasi, masih menyisakan ruangan yang luas untuk imajinasi, kecantikan dan kemisteriusan.

Al-Khalili mengajak pembaca untuk perlahan mengurai kebingungan dan frustrasi mereka dalam memahami dunia Quantum dimulai dengan menyaksikan eksperimen fenomenal yang dilakukan oleh Thomas Young (fisikawan dari Inggris), yaitu Double Slits Experiment. Experimen ini cukup sederhana dimana cahaya ditembakkan melewati 2 celah ganda, kemudian suatu layar khusus dipasang di belakang celah untuk mendeteksi berkas cahaya. Fisika klasik (Fisika yang berpondasikan hukum gerak Newton dan lahir sebelum era Fisika Quantum) mendefinisikan cahaya adalah gelombang. Berkas cahaya yang melewati 2 celah ganda tersebut membentuk jejak interferensi (sifat gelombang ketika 2 panjang gelombang bertemu) seperti kue lapis dimana ada area gelap dan terang. Hal ini normal karena cahaya adalah gelombang. Namun keanehan muncul ketika bukan cahaya, melainkan partikel yang ditembakkan melalui celah ganda tersebut. Partikel sebagaimana butiran pasir adalah benda individual yang tidak memancarkan panjang gelombang sehingga kita menebak bahwa jejak di layar detektor akan membentuk 2 garis gelap tepat sejajar dengan kedua celah. Salah ! berkas partikel tersebut juga membentuk jejak kue lapis sebagaimana cahaya ditembakkan. Bagaimana bisa ? Inilah salah satu perilaku aneh dalam fisika quantum yang sulit diterima logika sehari-hari manusia. Melalui eksperimen ini, Al-Khalili menegaskan bahwa dalam fisika quantum, seringkali kita bisa menjelaskan apa yang kita lihat, namun tidak dengan alasan di baliknya. Ia lantas menekankan bahwa keanehan ini bukan karena teori (man-kind) yang cacat, namun karena alam kadang kala memang bersikap di luar logika manusia.

Di bagian buku selanjutnya, Al-Khalili menceritakan sejarah bagaimana Fisika Quantum lahir. Secara garis besar, Fisika ini lahir karena beberapa fenomena fisika tidak mampu dijelaskan oleh Fisika klasik seperti:
1. Perdebatan panjang fisikawan dan kimiawan mengenai apakah partikel (matter) dibangun dari atom yang tidak bisa dibagi lagi ataukah bisa dibagi sampai tak terhingga,
2. Mekanika Newton (yang menjelaskan interaksi antar benda makroskopis) tidak bekerja pada Teori Elektromagnetis Maxwell
3. Fenomena fotoelektrik dan radiasi benda hitam (berkaitan dengan eksperimen celah ganda)
4. Tidak ada yang mampu menginterpretasi « line spectra » yang dipancarkan oleh elemen tertentu.

Secara mengejutkan, penemuan para fisikawan dalam menjawab misteri di atas layaknya puzzle yang pada akhirnya bermuara pada terbukanya pintu ke dunia Quantum, yang di dalamnya perilaku fisika sama sekali berbeda dengan konsep fisika yang selama ini kita kenal.

Selain kemisteriusannya, fisika quantum juga erat dengan permasalahan filosofis. Newton’s Clockwork adalah pandangan dimana suatu kejadian, seberapa rumitnya, dapat diprediksi asalkan posisi dan gerakan partikelnya persis diketahui. Pandangan deterministik ini menjadi goyah dalam mekanika kuantum melalui salah satu konsepnya, yaitu indeterminacy. Artinya, kita tidak bisa mengetahui posisi dan momentum suatu benda secara tepat (dikenal juga dengan Konsep Ketidak-pastian Heisenberg). Padahal kedua properti ini sangat dibutuhkan untuk memprediksi perilaku benda/partikel. Paling jauh, kata Erwin Schrodinger, kita hanya mampu mengetahui probabilitas tertinggi suatu partikel ada di posisi dan momentum tertentu. Schrodinger, terinspirasi dari model atom Bohr dan juga sifat dualisme elektron deBroglie, menyusun model matematika untuk menentukan tingkat probabilitas ini. Persamaan matematika ini, Al-Khalili menyebutkan dalam bukunya adalah persamaan paling penting dalam dunia Fisika, disebut wavefunction. Lagi-lagi, perilaku aneh ini hanya berlaku di dunia sub atomik karena semakin besar benda, wavefunctionnya semakin kecil, yang artinya semakin mudah diprediksi.

Wavefunction memungkinkan adanya fenomena superposition, dimana benda berada pada keadaan yang berbeda di waktu yang sama. Kembali ke eksperimen Celah ganda, penjelasan mengapa suatu partikel yang ditembakkan memberikan jejak kue lapis sebagaimana ditinggalkan cahaya (sebagai gelombang) adalah karena partikel tersebut berada dalam superposisi dimana sebaran wavefunctionnya melewati kedua celah dan membuat partikel tersebut seolah bersifat seperti gelombang.

Superposisi, bersama fenomena quantum lain, diracik oleh Hugh Everett III dan melahirkan teori dunia banyak yang sampai sekarang banyak menginspirasi cerita pseudo-scientific seperti eksistensi dunia paralel. Bayangkan seperti suatu partikel yang dalam waktu bersamaan melalui dua celah, secara hipotetik, probabilitas bahwa alam semesta memiliki « kembaran » dengan keadaan yang berbeda bukanlah nol.

Memahami perilaku partikel di dunia sub atomik bukanlah hal yang mudah. Banyak fisikawan bahkan menerapkan prinsip «shut up and calculate » dalam mempelajari bidang ini supaya tidak berlarut-larut tenggelam memikirkan keanehan dunia subatomik dan mulai menjelajah sisi pragmatisnya. Salah satunya adalah Wilhelm Conrad Rontgen yang secara tak sengaja menemukan sinar X, suatu sinar tidak kasat mata yang mampu menembus benda sesuai dengan tingkat kerapatannya, menjadi salah satu penemuan penting fisika quantum dalam dunia medis. Kemudian J.J. Thompson dalam salah satu eksperimennya berhasil menunjukkan elektron yang sebelumnya telah diprediksi keberadaannya oleh George Stoney.
Penemuan elektron ini mengakselerasi penemuan-penemuan ilmuwan selanjutnya dalam membedah atom. Atom yang dari kata asalnya dalam bahasa Yunani « Atomos » yang artinya tidak dapat dibagi, ternyata dapat dibagi menjadi partikel-partikel kecil lain seperti elektron, proton dan neutron. Saya ingat ketika di jenjang SMA, bagian-bagian atom berhenti pada ketiga partikel sub atomik tersebut. Namun ternyata itu semua masih bisa dibagi lagi menjadi quarks.

Selain menjelaskan konfigurasi partikel sub-bagian di dalam atom, mekanika quantum dengan persamaan wave-function Schrodinger, juga menjelaskan bahwa elektron menempati orbit-orbit tertentu di dalam atom sesuai dengan nilai wave-functionnya. Elektron mampu berpindah orbit (tereksitasi) ketika berinteraksi dengan photon (partikel cahaya) dan mengabsorbsi energinya. Terkadang elektron tidak menyukai tambahan energi ini, jadi ia akan mengeluarkan kembali energi tersebut menjadi cahaya kembali yang disebut spektra. Spektra ini membantu para Astronom untuk mengetahui unsur suatu bintang hanya dengan meneliti spektra yang dipancarkannya.

Hampir mendekati bagian akhir buku, Al-Khalili kembali menghadirkan problema teoritikal dalam mekanika quantum, yakni unifikasi semua gaya -gaya fundamental dalam semesta. Seperti yang diketahui, ada 4 gaya fundamental yang diketahui saat ini :
1. Gaya Gravitasi, berperan dalam interaksi tarik-menarik antar 2 benda yang memiliki massa, seperti planet atau benda di sekitar kita.
2. Gaya Elektromagnetik, berperan dalam mengikat partikel bermuatan listrik, seperti elektron dan proton
3. Gaya nuklir lemah, bertanggung-jawab terhadap peluruhan inti atom. Gaya ini memicu reaksi fusi yang membuat matahari bersinar dan mengemisikan panas ke bumi.
4. Gaya nuklir kuat, merupakan gaya terkuat, berperan dalam pengikatan partikel atomik maupun sub atomik menjadi partikel yang lebih besar.

Meskipun keempatnya memiliki spesialisasi masing-masing, ilmuwan percaya bahwa 4 gaya ini sebenarnya adalah 1 gaya yang berperilaku berbeda pada 4 keadaan tertentu, sebagaimana es, air dan uap air yang ketiganya merupakan air namun dalam 3 fase yg berbeda.

Perjalanan menemukan kesamaan antar gaya ini bisa dibilang panjang dan cukup terjal. Hingga di tahun 1960 ditemukan bahwa Gaya Nuklir lemah dan Elektromagnetik merupakan 1 gaya yang sama di atas temperatur juta-milyaran derajat celcius, selanjutnya keduanya disebut sebagai Electroweak Force. Kemudian dengan konsep simetri (ketika properti fisika tetap sama meskipun suatu perubahan diberikan), Electroweak Force bergabung dengan Gaya Nuklir kuat membentuk GUT (Grand Unified Theory).

Tiga gaya fundamental sudah berhasil digabungkan. Bagaimana dengan Gravitasi ? Gravitasi nampaknya menjadi gaya paling sulit digabungkan karena perbedaan signifikan ukuran dan jarak benda yang diikatnya. Tidak seperti 3 gaya lain yang mengikat partikel atomik/sub atomik, gravitasi mengikat benda makroskopik dari benda kasat mata hingga planet-planet di semesta. Ilmuwan menemukan bahwa kuncinya terletak pada Teori Relativitas Umum Einstein yang mereduksi gaya Gravitasi menjadi « semata » objek geometri. Singkatnya, gravitasi dalam bentuk geometri harus disatukan dengan GUT.

Salah satu kandidat teori yang berhasil menggabungkan kesemuanya adalah String Theory dimana semua partikel fundamental semesta sejatinya adalah benang (string) yang ketika mendapatkan getaran menciptakan partikel elementer turunannya. String Theory pada awalnya memiliki beberapa kecacatan, namun diperbaiki dengan teori Super-simmetry dan lahirlah Superstring Theory atau dikenal juga dengan Theory of Everything (penggemar fisikawan Stephen Hawking pasti familiar dengan istilah ini).
Riset terhadap penggabungkan gaya-gaya fundamental melambat di tahun-tahun berikutnya karena beberapa limitasi, seperti belum adanya teknologi canggih yang mampu membuktikan teori ini dan kompleksitas matematika yang bahkan tidak satu orangpun paham benar apa maksud persamaan-persamaan dalam teori ini.

Cukup berputar-putar pada teori, memangnya apa sih kontribusi Mekanika Quantum terhadap kehidupan sehari-hari ? Well, microchip yang salah satunya ada di ponsel dan komputer mengadaptasi Prinsip Larangan Pauli, dimana 2 elektron tidak boleh menempati keadaan quantum yang sama. Sinar laser yang dipakai dalam banyak bidang juga merupakan produk mekanika quantum. Di bidang medis, selain sinar X, ada alat pencitra organ tubuh lain berdasarkan konsentrasi atom pada suatu benda yang disebut NMR (Nuclear Magnetic Resonance), yang karena istilah « Nuklir »nya membuat orang berpikir ini adalah alat yang berbahaya maka digantilah namanya menjadi MRI (Magnetic Resonance Imaging). Singkatnya, teknologi yang bertumpu pada Mekanika Quantum ada banyak di sekitar kita. Tanpa kemajuan bidang ini, tidak akan ada kemajuan teknologi yang dapat kita nikmati sekarang.

Al-Khalili menyusun bukunya dengan cukup komprehensif, dibuka dengan berkenalan dengan keanehan perilaku dunia sub atomik, menjajaki sebagian sejarahnya, memaksa pembaca mempertanyakan hakikat alam semesta melalui pandangan filosofis, mengenalkan permasalahan teori-teorinya, kemudian secara ringan menyibak tirai kemajuan teknologi dimana dibaliknya tak bukan « hanyalah » ulah partikel-partikel sub atomik yang dengan keunikan sifatnya masing-masing. Tak lupa buku ini ditutup dengan pandangan fututistik mengenai citra dunia dimana misteri dunia sub atomik nantinya dapat manusia pahami lebih baik.
Saya cukup banyak membaca buku sci-pop yang mengangkat tema Fisika Quantum, dan saya menyadari sebanyak apapun buku Fisika Quantum yang kita baca, tetap tidak ada satu buku sempurna yang mampu menjelaskan topik ini dengan jelas. Fisika Quantum memang berbeda, karena meskipun dekat dengan kehidupan, namun juga begitu jauh dari dunia kita yang kasat mata. Dibutuhkan kemampuan imaging yang sedikit lebih tinggi dari rata-rata. Buku ini pun juga bukan buku yang setelahnya memberikan pencitraan yang jelas pada orang awam tentang dunia Quantum. Namun tetap merupakan salah satu buku yang wajib dibaca oleh masyarakat awam (tentu saja dilengkapi dengan membaca buku-buku Fisika Quantum lain).

Satu hal yang saya rasa tidak dipunyai buku lain adalah kemampuan Al-Khalili dalam memosisikan dirinya sebagai pembaca awam dan penekanannya bahwa it’s fine jika pembaca merasa bingung, karena toh memang dunia subatomik sangat berbeda dengan dunia yang kita kenal.

Buku lain seputar quantum:

Jim Khalili : The Joy of Science & The World According to Physics
https://www.facebook.com/bookolatte/photos/a.113561254376108/169835128748720/
Michio Kaku : Quantum Supremacy
https://www.facebook.com/photo/?fbid=269292598811218&set=a.192317316508747
Michio Kaku : The God Equation
https://www.facebook.com/bookolatte/photos/a.113561254376108/129481066117460/
Sean Carroll : Something Deeply Hidden
https://www.facebook.com/bookolatte/posts/pfbid02ybUPvsP5gUsy47u5fgTbYKKVSauwNN6HtSZUAXMC5RhymzS55sK14WK5K5RpVccfl
Rosenblum&Kuttner : Quantum Enigma
https://www.facebook.com/bookolatte/posts/pfbid0Jv5dG89xPLooVtuE3kUWbgd7vrpcEX8AG4nj37VMubYN7a9tfrzJKHCLbJuP2wD9l
Carlo Rovelli : Helgoland
https://www.facebook.com/bookolatte/posts/pfbid05euxAjZFsvya6kjqhGPQJy79HzEjXjLJMd87u4cNDTgyT5saXLevmDLucvqKseYHl
Heinrich Päs : The One
https://www.facebook.com/bookolatte/posts/pfbid0jYf7jDqrPSXbSTrgHx1VeTto1SPTEhPQf7k6M9f2EcWaYKmT2HrD6szvEVyjfKWXl