Buku tentang cahaya

Secara perkiraan, cahaya adalah partikel dan gelombang. Tetapi dalam representasi yang tepat, cahaya bukanlah partikel atau gelombang, tetapi sesuatu yang lebih kompleks. Sebagai metafora, pertimbangkan kaleng berbentuk silinder.

Jika kita memegang kalengnya ke samping, memaksa seorang teman untuk hanya melihat bayangannya, dan bertanya kepadanya apa bentuk benda itu, dia akan menjawab “persegi panjang”. Tapi sekarang putar kaleng sembilan puluh derajat, minta teman kedua melihat bayangannya saja, dan dia akan memberi tahu kita bahwa kaleng itu “melingkar”.

Apakah cahaya merupakan partikel atau gelombang? Penampilan artistik ini mencoba merangkum dualitas itu.

Sekarang mintalah kedua teman kita berdebat satu sama lain tentang bentuk aslinya dan mereka tidak akan membuat banyak kemajuan. Yang mana yang benar? Mereka berdua bisa benar dan keduanya juga bisa salah.

Silinder adalah lingkaran jika dilihat dari satu sudut, dan persegi panjang dari sudut lain, tetapi pada kenyataannya silinder itu lebih dari sekadar lingkaran ditambah persegi panjang. Ini adalah sesuatu yang lebih kompleks: bentuk tiga dimensi yang tidak dapat dideskripsikan sepenuhnya melalui bentuk dua dimensi seperti lingkaran dan persegi panjang.

Masalahnya adalah teman kita sedang melihat bayangan kaleng dan bukan benda itu sendiri. Bayangan adalah representasi dua dimensi yang diciutkan dari objek tiga dimensi. Kasusnya sangat mirip dengan partikel kuantum seperti cahaya.

Sebuah kaleng tampak seperti lingkaran dari satu perspektif dan persegi panjang dari perspektif lain. Pada kenyataannya, kaleng itu adalah sebuah silinder. Demikian pula, cahaya kadang-kadang bertindak seperti gelombang dan di lain waktu bertindak seperti partikel tetapi pada kenyataannya adalah sesuatu yang lebih kompleks

Mengatakan cahaya adalah partikel berarti melihatnya sebagai representasi runtuh dari entitas yang lebih kompleks. Demikian pula, membayangkan cahaya sebagai gelombang berarti memperlakukannya sebagai objek yang lebih sederhana daripada yang sebenarnya.

Cahaya terkadang bertindak seperti gelombang dan terkadang bertindak seperti partikel, tergantung situasinya. Ini hanya masuk akal jika kita menerima bahwa cahaya adalah sesuatu yang lebih kompleks; sesuatu yang dari perspektif tertentu terlihat seperti gelombang dan dari perspektif lain terlihat seperti partikel. Jadi, apa sebenarnya cahaya itu? Pertanyaan ini sulit dijawab tanpa mempelajari matematika yang rumit.

Situasinya sangat mirip dengan pepatah gajah dan orang-orang buta. Seorang pria buta hanya merasakan kaki gajah dan menyatakan gajah itu sebagai pohon. Orang buta lainnya merasakan ekor gajah dan menyatakannya sebagai tali. Yang lain lagi merasakan gading dan menyatakan binatang itu sebagai tombak. Semua orang buta itu sebagian benar dan sebagian juga salah karena mereka tidak memiliki informasi yang lengkap.

Tapi bagaimana kita menjelaskan seekor gajah kepada orang buta tanpa dia memanjat semuanya dan merasakan setiap inci untuk dirinya sendiri? Ini adalah kesulitan yang ditemukan fisikawan dalam menjelaskan partikel kuantum kepada orang-orang yang tidak mampu memecahkan matematika sendiri.

Cahaya adalah distribusi probabilitas bernilai kompleks yang memiliki sifat terkuantisasi (diskrit) seperti energi. Bagian cahaya terkecil disebut foton. Seperti gelombang, foton mengalami difraksi (menekuk di sekitar sudut), interferensi (pola berpohon), pembiasan (menekuk saat memasuki material), refleksi, dispersi (penyebaran bentuk gelombang), koherensi (berbaris fase), dan memiliki frekuensi.

Seperti sebuah partikel, foton mengandung energi tetap, momentum tetap, putaran tetap, dan dapat diukur untuk memiliki satu lokasi tetap di ruang angkasa. Sifat-sifat seperti gelombang dan partikel dari foton bertukar dengan Prinsip Ketidakpastian Heisenberg. Ini berarti bahwa semakin kita memaksa foton untuk bertindak seperti partikel, misalnya dengan mengurungnya dalam kotak kecil sehingga menurunkan ketidakpastian posisinya, semakin sedikit foton bertindak seperti gelombang.

Dalam eksperimen celah ganda Young yang terkenal, seberkas cahaya yang koheren diarahkan melalui dua celah dan kemudian ke pelat fotografi. Ketika setiap foton menyentuh pelat, ia membuat satu tanda seperti titik, yang menunjukkan bahwa foton berinteraksi dengan pelat sebagai partikel. Tetapi pola keseluruhan tanda pada pelat adalah pola interferensi batang, yang hanya mungkin jika cahayanya gelombang.

Interferensi adalah hasil dari dua sinar yang dibuat oleh dua celah, yang menyebar dari celah dan saling mengganggu. Lebih hebatnya lagi, jika kita meredupkan cahaya sampai kita hanya mengirimkan melalui satu foton pada satu waktu, kita masih mendapatkan pola interferensi. Ini berarti bahwa satu foton melewati kedua celah pada saat yang sama, berinteferensi dirinya sendiri dengan cara seperti gelombang saat muncul dari celah, dan kemudian membuat tanda tunggal di pelat dengan cara seperti partikel.

Jika ini terdengar tidak masuk akal bagi kita, itu karena kita masih membayangkan foton hanya sebagai partikel atau gelombang. Karena foton adalah distribusi probabilitas yang berfluktuasi dengan properti terkuantisasi, foton dapat melakukan semua hal ini dengan cara yang benar-benar masuk akal.

Hebatnya, semua objek kuantum dari elektron ke proton berperilaku sebagai distribusi probabilitas terkuantisasi, dan bukan hanya foton. Jika kita menemukan partikel / gelombang kuantum sulit untuk divisualisasikan. Teori kuantum telah diverifikasi secara eksperimental di ratusan laboratorium selama hampir satu abad sekarang. Selain itu, chip semikonduktor di dalam komputer yang kita miliki di depan kita saat ini sangat bergantung pada teori kuantum yang benar. Mengabaikan teori kuantum sebagai perdukunan karena konsepnya sulit untuk divisualisasikan sama dengan mengatakan bahwa komputer tidak ada.

Buku tentang cahaya

Artikel Terkait