31.12.19

Di Sebalik (Bahasa) Kuantum

Pada bulan Ogos 2019 yang lalu, saya menerima jemputan dari pihak pelajar sebuah universiti tempatan untuk memberi ceramah bertajuk "Alam Kuantum - Refleksi dari 'Ant Man and the Wasp'". Kemungkinan tajuk ini diberi kerana Majalah Sains telah menerbit semula makalah blog saya yang lepas dengan tajuk yang sama. Pada asalnya saya bersedia untuk memberi ceramah tersebut, namun setelah beberapa hari berfikir, saya memberi balasan e-mel, akan bersetuju sekiranya tidak dikaitkan dengan filem berkenaan. Selepas itu, saya menerima maklum balas bahawa sudah ada peneceramah lain yang akan beri ceramah tersebut.

Makalah ini sebenarnya ingin menjelaskan kenapa saya meletakkan syarat tersebut dan bukan melahirkan rasa tidak puas hati atau kecewa (jauh sama sekali). Pada pandangan peribadi saya, salah satu perkara yang agak rumit untuk dikendali adalah salah persepsi dan salah faham berleluasa akibat popularisasi sains oleh pembaca umum. Popularisasi sains itu memang perlu tetapi ada keperluan menyedari aspek-aspek sensasi, tokok-tambah, fantasi atau mainan minda yang boleh berlaku dalam makalah sains popular. Lazimnya popularisasi sains akan memudahkan konsep-konsep rumit bagi tatapan umum dan kadangkala memberi analogi untuk memudahkan kefahaman. Lantas itu, jika diambil secara literal boleh menyebabkan kekeliruan dan salah faham. Apatah lagi jika dimuatkan pula fantasi dalam bentuk fiksyen sains seperti yang berlaku dalam filem Marvel. Dengan sebab itu, saya mengambil kedudukan sebagai seorang ahli fizik teori yang ingin mengelakkan sebarang bentuk salah faham setakat mana yang mampu dan cuba menceritakan apa yang berlaku dan diterima (sepakat) dalam penyelidikan fizik.

Antara ilmu fizik yang selalu menjadi mangsa kepada ketempangan salah faham ini adalah teori kuantum. Kita sering mendengar ungkapan seperti fizik kuantum itu aneh. Ada pula yang mengungkapkan Feynman sebagai berkata "Tiada siapa yang memahami mekanik kuantum". Seperti kata Philip Ball dalam bukunya "Beyond Weird" (lihat juga makalah Quanta beliau), ini bukan bermaksud Feynman tidak faham langsung mengenai mekanik kuantum walhal beliau mengasaskan sejenis formalisme mekanik kuantum baharu (formalisme kamiran lintasan), tetapi pengertian formalisme ini akan mengalami kejanggalan jika diungkap dalam bahasa harian kita. Sebagai contoh bagi eksperimen dua celah, dikatakan zarah dapat berada dalam dua kedudukan dalam satu masa atau melalui dua celah serentak (jika dalam formalisme Feynman pula lebih teruk kerana zarah melalui semua lintasan yang mungkin). Bahasa matematik teori kuantum itu sendiri tidak mengatakan yang demikian: yang ada ialah gelombang kebarangkalian itu melalui dua celah tersebut serentak. Jika kita terima jawapan sebegini, pertanyaan seterusnya pula adalah apa sebenarnya gelombang kebarangkalian. Di sini persoalan tersebut akan membawa kita menempuhi pelbagai mazhab penafsiran teori kuantum, yang sebenarnya tiada kata sepakat pun. Dengan sebab itu mazhab Copenhagen berkefahaman bahawa teori kuantum sebenarnya adalah teori tentang bagaimana kita dapat perihal objek kuantum dan bukan mengenai objek kuantum itu sendiri. Idea sedemikianlah yang menyebabkan ramai ahli fizik mengambil sikap baik senyap dan buat pengiraan (shut up and calculate). Namun ini bukan bermaksud komuniti ahli fizik bersifat begitu pengalah tetapi lebih cenderung kepada mencari perkara yang lebih produktif dalam menyelesaikan masalah. Ramai sahaja ahli fizik yang berminat untuk menyelidiki masalah asas teori kuantum tapi jika hanya menemui jalan buntu akan beralih kepada aspek lain.

Kini dengan berkembangnya teori maklumat kuantum, lebih ramai penyelidik yang berminat dalam masalah asas teori kuantum. Malah ada yang cuba membina semula teori kuantum tanpa melalui jalan yang sama seperti fizik kuantum lazim. Antara penyelidik awal yang berjaya berbuat demikian adalah Lucien Hardy dengan kertas kerja beliau bertajuk "Quantum Theory From Five Reasonable Axioms". (Catatan: Lucien Hardy menjalankan penyelidikan PhD pada masa yang sama dengan penulis di Durham dan penyelia beliau adalah Euan Squires, pengarang buku popular "The Mystery of the Quantum World".) Aksiom-aksiom teori beliau berkisar sekitar konsep keadaan sistem (kuantum), darjah kebebasan sistem, kebarangkalian hasil pengukuran, sistem komposit atau berbilang dan bagaimana keadaan atau kebarangkalian bergantung kepada darjah kebebasan. Dalam cara lain boleh dirumuskan bahawa teori Hardy hanya merupakan suatu teori pengukuran bersama kebarangkalian yang boleh menyamai teori kuantum. Atas kejayaan ini, penyelidik lain mula mengemukakan teori kebarangkalian teritlak yang dapat memuatkan teori kuantum sendiri (lihat https://arxiv.org/abs/1402.6562). Selain Hardy, Clifton, Bub dan Halvorson juga mengemukakan suatu teori lain berdasarkan penemuan-penemuan dalam teori maklumat kuantum seperti tiada pemindahan maklumat superluminal (lebih laju daripada cahaya), kekangan sekuriti unit maklumat yang ditukar-balas (bit commitment) dan aspek-aspek aljabar, dan teori tersebut dapat menemukan ciri-ciri teori kuantum. Ini diikuti dengan Chiribella, d'Ariano dan Perinotti yang membangunkan teori kuantum berdasarkan teori maklumat (lihat juga https://arxiv.org/abs/1506.00398).

Mungkin pembaca kini tersentak minda dengan pelbagai soalan seperti "takkanlah teori kuantum hanyalah suatu teori maklumat tentang dunia mikroskopik". Bagaimana pula aspek gelombang bagi zarah kuantum yang selalu dicanang dalam konsep kedualan zarah-gelombang deBroglie? Apakah gelombang ini merujuk kepada sesuatu sifat? Untuk perkara ini, kita beralih kepada suatu teori mainan Spekkens yang dikatakan hampir menyamai teori kuantum termasuk menerbitkan aspek interferens (ciri yang ada dalam gelombang). Teori Spekkens berdiri di atas suatu prinsip yang dinamakan Prinsip Pengetahuan Seimbang (Balanced Knowledge Principle) yang menyatakan pengetahuan yang kita ketahui tentang sistem, sebenarnya mesti setara dengan kejahilan kita tentang sistem tersebut. Apabila penulis mula-mula membaca penyelidikan Spekkens ini (walaupun tidak menghasilkan teori kuantum sepenuhnya), penulis rasa tertarik dengan idea batasan pengetahuan, seolah-olah menyamai idea prinsip ketakpastian Heisenberg. Malah akhirnya memang penyelidikan Spekkens adalah ke arah perkara tersebut. Apa yang penting yang perlu ditonjolkan di sini adalah konsep interferens yang muncul daripada aspek batas pengetahuan dan secara tak langsung memberi implikasi bahawa sifat gelombang adalah suatu artifak teori mainan ini. Teori Spekkens sebenarnya adalah sejenis teori pembolehubah tersembunyi yang menghampiri teori kuantum dalam sesetengah ciri. Boleh disoalkan di sini, apakah yang perlu kita tambah dalam teori Spekkens bagi menghasilkan teori kuantum? Diberitakan Spekkens akhirnya meninggalkan Prinip Pengetahuan Seimbangnya dan mengambilpakai Prinsip (Transformasi) Simplektik.

Pengarang bersama Bob Coecke (kiri) dan Robert Spekkens (kanan)

Pengarang bersama Robert Spekkens (tengah) dan Jesni Shamsul Shaari (kanan)

Sekiranya pembaca ingin mengatakan teori kuantum bukan hanya mengenengahkan aspek gelombang (yang turut berlaku dalam teori Spekkens) tapi teori kuantum juga ada prinsip ketakpastian Heisenberg yang sangat penting. Seperti telah disebutkan di atas Prinsip Keseimbangan Pengetahuan sudah ada kesamaannya dengan prinsip Heisenberg. Malah prinsip yang Spekkens bawa kemudiannya (Prinsip Simplektik) menunjuk kepada suatu arah keputusan matematik yang ramai tidak tahu. Aspek batasan pengetahuan itu sendiri sudah ada dalam teori mekanik klasik iatu dalam bentuk Teorem Nyah-himpit Gromov. Teorem ini menyatakan isipadu ruang fasa (ruang pembolehubah kedudukan dan momentum) tidak boleh dihimpit atau dileperkan sebarangan. Sudah pun ada penyelidik (Maurice deGosson) yang cuba mengaitkan teorem ini (yang munculnya dari konsep topologi simplektik) dengan prinsip ketakpastian Heisenberg (yang muncul daripada ketakserasian pembolehcerap) seperti dalam makalah ini. Sekali lagi bermain di minda samada teori kuantum boleh diterbitkan dengan bahasa matematik yang lain, mendekatkan mekanik kuantum dengan mekanik klasik.

Perlu ditekankan bahawa ada banyak lagi masalah asas teori kuantum boleh dibangkitkan di sini seperti Teorem Kochen-Specker menidakkan idea nilai automatik kepada sifat-sifat fizik (nombor nyata yang kita dapat beri kepada pembolehcerap dalam bentuk nilai eigen) yang membawa kepada pelbagai persoalan bahasa matematik (dan maknanya) yang ingin diberi kepada teori kuantum. Mungkin sahaja bahasa yang kita pakai untuk teori kuantum sekarang ini kurang sesuai sehinggakan kita menyalahkan teori kuantum ini pelik!

1 comment:

  1. Terusk menulis tuan. Saya senantiasa menantikan tulisan berilmiah tuan. Terima kasih

    ReplyDelete