Bisakah suara melakukan apa yang dilakukan partikel kuantum?

Pertanyaan yang terus muncul di benak saya

Saya punya pertanyaan sederhana di kepala saya untuk sementara waktu. Suara adalah gelombang. Cahaya adalah gelombang, dan elektron juga berperilaku seperti gelombang. Semua orang tahu eksperimen celah ganda, di mana elektron membuat garis-garis pada layar dan garis-garis itu hilang segera setelah Anda memeriksa celah mana yang mereka lewati. Jadi, bisakah suara melakukan hal yang sama? Bisakah gelombang suara menunjukkan perilaku yang sama seperti objek kuantum, dengan interferensi dan efek pengamatan yang aneh ini?

Saya mendalami hal ini, dan jawaban singkatnya adalah ya dan tidak. Suara melakukan banyak hal yang dilakukan gelombang kuantum. Namun, bagian yang membuat fisika kuantum menjadi kuantum justru adalah bagian yang tidak bisa dilakukan suara. Di sinilah letak batasnya.

Apa itu suara

Suara adalah gelombang mekanis. Ia membutuhkan sesuatu untuk merambat, seperti udara atau air atau zat padat, dan itulah sebabnya tidak ada suara di ruang hampa. Kerucut speaker atau tepukan tangan mendorong molekul udara di sebelahnya bersama-sama, lalu mereka menyebar lagi, dan pola udara yang dipadatkan dan direnggangkan ini bergerak ke luar. Molekul itu sendiri tidak terbang ke telinga Anda. Mereka hanya berayun maju mundur di tempatnya, dan hanya gangguan tersebut yang merambat.

Gelombang suara memiliki panjang gelombang, jarak dari satu tekanan ke tekanan berikutnya. Ia memiliki frekuensi, berapa banyak gelombang yang lewat setiap detik, dan kita mendengarnya sebagai nada. Manusia mendengar kira-kira dari 20 Hz hingga 20.000 Hz. Ia memiliki amplitudo, seberapa kuat dorongannya, dan kita mendengarnya sebagai kenyaringan. Dan ia memiliki kecepatan yang bergantung pada mediumnya. Di udara pada suhu ruangan, suara bergerak sekitar 343 meter per detik, di air laut sekitar 1.531.

Hal yang penting untuk pertanyaan saya adalah bahwa semua ini adalah fisika klasik. Jika Anda mengetahui sumber dan mediumnya, Anda dapat menghitung dengan tepat apa yang akan dilakukan gelombang selanjutnya. Tidak ada yang acak di dalamnya.

Suara melakukan semua yang dilakukan gelombang

Suara memantul. Itulah gema, dan begitulah cara sonar menemukan benda di bawah air. Suara membiaskan, jadi ia berbelok ketika udara menjadi lebih hangat atau lebih dingin atau ketika angin berubah, dan suara dapat terdengar lebih jauh mengikuti arah angin. Suara mendifraksi, ia berbelok di tikungan dan menyebar setelah melewati ambang pintu, dan itulah sebabnya Anda bisa mendengar seseorang di ruangan sebelah tanpa melihat mereka. Suara rendah lebih mudah berbelok daripada suara tinggi, itulah sebabnya guntur yang jauh hanya berupa gemuruh rendah.

Dan suara berinterferensi. Ketika dua gelombang suara bertemu dan puncaknya sejajar, mereka bertambah dan suaranya menjadi lebih keras. Ketika puncak satu gelombang bertemu lembah gelombang lainnya, mereka saling meniadakan dan suaranya menjadi lebih pelan, secara teori sampai hening. Dua nada dengan nada yang hampir sama menjadi lebih keras dan lebih pelan dalam irama lambat, dan itu disebut pelayangan.

Jadi suara memiliki set lengkap, dan fisika gelombang klasik lama menjelaskan setiap bagian darinya.

Mengapa ukuran itu penting

Apa yang Anda lihat sangat bergantung pada ukuran gelombang. Nada 100 Hz di udara memiliki panjang gelombang sekitar 3,4 meter, nada 10 kHz sekitar 3,4 sentimeter. Itu adalah ukuran pintu, ruangan, perabotan, dan manusia. Jadi suara berbelok di sekitar dunia kita sehari-hari sepanjang waktu, dan kita mendengar hal-hal yang tidak bisa kita lihat.

Cahaya tampak memiliki panjang gelombang sekitar 400 hingga 700 nanometer. Untuk membuat cahaya berbelok dan berinterferensi, Anda memerlukan celah kecil yang dibuat dengan banyak presisi, dan itulah sebabnya cahaya tidak berbelok di tikungan dalam kehidupan sehari-hari. Elektron juga memiliki panjang gelombang, dan dalam eksperimen biasa, ukurannya kira-kira sebesar jarak antar atom dalam kristal.

Jadi perilaku gelombang yang sama muncul pada skala yang sama sekali berbeda. Suara melakukannya di ruang tamu, elektron melakukannya pada skala atom. Hal itu saja tidak memberi tahu Anda apa pun tentang kuantum atau bukan kuantum. Itu hanya panjang gelombang.

Celah ganda dengan dua speaker

Anda benar-benar dapat melakukan celah ganda dengan suara, dan ini adalah demonstrasi kelas yang klasik. Salah satu caranya adalah dinding dengan dua celah. Cara yang lebih mudah adalah dua speaker yang digerakkan oleh generator sinyal yang sama, sehingga keduanya memainkan nada yang sama secara serempak. Pengaturan tipikal menempatkan mereka sekitar setengah meter terpisah dan memainkan sesuatu sekitar 2.000 Hz.

Kemudian Anda berjalan perlahan melintasi ruangan di depan mereka. Anda mendengar titik keras dan titik pelan, satu demi satu. Itu adalah garis terang dan gelap yang sama yang dilihat Thomas Young dengan cahaya, dan orang menyebutnya pinggiran Young untuk suara. Dengan mikrofon dan alat pengukur, Anda dapat memetakan polanya dengan tepat. Tepat di tengah, pada jarak yang sama dari kedua speaker, suaranya keras.

Di ruangan normal, suaranya menjadi berantakan karena dinding memantulkan suara dan menambahkan lebih banyak gelombang di atasnya. Di luar ruangan atau di ruang kedap suara, ini bekerja paling baik. Dan Anda hampir tidak pernah mendapatkan keheningan sempurna di titik-titik pelan, karena kedua gelombang tidak sampai dengan kekuatan yang persis sama.

Celah ganda dengan elektron

Sekarang versi kuantumnya. Sebuah sumber mengirimkan foton tunggal atau elektron tunggal, satu per satu, menuju dinding dengan dua celah sempit. Di belakangnya ada layar yang merekam di mana masing-masing mendarat.

Setiap elektron tunggal mendarat sebagai satu titik di satu tempat. Namun, ketika Anda mengirim banyak elektron, menjaga kedua celah tetap terbuka dan tidak memeriksa celah mana yang mereka gunakan, titik-titik tersebut perlahan membentuk garis-garis. Ini adalah jenis pola interferensi yang sama seperti pada suara. Dan mereka tidak mungkin berinterferensi satu sama lain, karena mereka datang satu per satu. Setiap elektron entah bagaimana melewati kedua jalur sebagai gelombang dan mendarat sebagai partikel.

Kemudian Anda menempatkan detektor di celah untuk mengetahui jalur mana yang diambil setiap elektron. Garis-garis itu hilang. Anda mendapatkan dua pita polos di belakang kedua celah, seperti yang akan Anda dapatkan dengan menembakkan bola-bola kecil melaluinya.

Dua jenis gelombang

Di sinilah saya mengerti bahwa celah ganda adalah ujian untuk gelombang dan bukan ujian untuk kuantum. Young melakukannya dengan cahaya pada awal tahun 1800-an untuk menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang, jauh sebelum ada yang berbicara tentang fisika kuantum. Suara, air, dan cahaya semuanya membuat pola garis itu. Jika Anda melihat garis-garis, Anda telah mempelajari bahwa sesuatu itu bergelombang, dan hanya itu yang Anda pelajari.

Perbedaan yang sebenarnya adalah apa yang bergelombang. Dalam eksperimen suara, itu adalah tekanan udara, sesuatu yang fisik yang dapat Anda ukur di setiap titik. Kenyaringan di suatu titik hanyalah jumlah dari dua gelombang tersebut. Dalam eksperimen kuantum, gelombangnya adalah fungsi gelombang, dan itu bukan benda fisik yang bergerak melalui medium. Itu adalah amplitudo probabilitas. Ia memberi tahu Anda seberapa besar kemungkinan menemukan elektron di suatu titik tertentu. Aturan untuk itu disebut aturan Born, dan ia mengatakan Anda mengambil ukuran gelombang di suatu titik dan menguadratkannya, dan itu memberi Anda probabilitasnya. Garis-garis itu berasal dari amplitudo kedua jalur yang dijumlahkan, dan mereka hanya muncul setelah banyak sekali tumbukan tunggal.

Fungsi gelombang itu sendiri berubah dengan lancar dan dapat diprediksi selama tidak ada yang mengukur, mengikuti persamaan Schrödinger. Namun, di mana satu elektron tunggal mendarat adalah acak. Eksperimen yang mematahkan apa yang disebut ketidaksamaan Bell menunjukkan bahwa keacakan ini nyata dan bukan sekadar kurangnya pengetahuan, jadi tidak ada detail lokal tersembunyi yang belum kita temukan.

Melihat mengubah elektron, bukan suara

Katakanlah kamu mencoba mencari tahu celah mana yang dilewati suara. Kamu menaruh mikrofon di dekat satu celah. Mikrofon itu mengambil sebagian energi dari gelombang dan menghamburkan sedikit darinya, lalu pola di belakangnya berubah sedikit. Tapi suara itu tetaplah gelombang suara. Di tempat yang lebih jauh ia masih berinterferensi, dan tidak ada sifat dasarnya yang berubah.

Ini seperti memeriksa tekanan ban. Pasti ada sedikit udara yang keluar, jadi kamu mengubah apa yang kamu ukur. Itu juga efek pengamat, tapi jenis klasik yang membosankan. Kamu bisa menghitungnya, dan dengan alat yang lebih baik kamu bisa membuatnya lebih kecil.

Dengan elektron semuanya berbeda. Segera setelah kamu mendapatkan informasi jalur mana yang diambilnya, garis-garis itu hilang sama sekali. Ini bukan karena detektor yang ceroboh dan mendorong elektron terlalu keras. Ini terikat pada informasi itu sendiri. Prinsip ketidakpastian Heisenberg menetapkan batasan mutlak pada seberapa tepat kamu bisa mengetahui beberapa pasang hal pada saat yang sama, seperti posisi dan momentum. Dalam fisika kuantum ada gangguan minimum yang tidak bisa kamu hilangkan begitu saja lewat rekayasa alat.

Masalah pengukuran

Fisika kuantum punya dua aturan tentang bagaimana suatu keadaan berubah, dan keduanya tidak cocok satu sama lain. Ketika tidak ada yang mengukur, fungsi gelombang berkembang dengan mulus, kamu bisa memutarnya mundur, dan superposisi tetap menjadi superposisi. Ketika kamu mengukur, kamu mendapatkan satu hasil, yang dipilih secara acak dengan probabilitas aturan Born, dan keadaan tersebut melompat agar sesuai dengan hasil itu. Orang-orang menyebutnya keruntuhan, atau collapse. Itu terjadi tiba-tiba dan tidak bisa dibatalkan.

Persamaan Schrödinger tidak memuat keruntuhan ini, dan keruntuhan tersebut melanggar aturan-aturannya. Teori ini juga tidak mengatakan apa yang dianggap sebagai pengukuran, atau di mana sistem kuantum berakhir dan perangkat pengukur dimulai. Celah itulah yang disebut masalah pengukuran, dan para fisikawan masih memperdebatkannya. Pandangan Kopenhagen menganggap keruntuhan sebagai aturan. Many Worlds mengatakan tidak ada keruntuhan sama sekali. Mekanika Bohmian menambahkan variabel tersembunyi. Teori keruntuhan objektif seperti GRW menjadikan keruntuhan sebagai proses fisik yang nyata.

Dekoherensi menjelaskan sebagian darinya. Sistem kuantum menyentuh lingkungannya sepanjang waktu, molekul udara dan cahaya dan segalanya, lalu terjerat dengannya. Dilihat dari sisi sistem itu sendiri saja, interferensinya memudar dengan cepat dan mulai terlihat klasik. Itulah alasan utama mengapa kita tidak pernah melihat benda-benda besar berada di dua tempat sekaligus. Tapi dekoherensi tidak menjelaskan mengapa kamu mendapatkan satu hasil ini dan bukan hasil yang lain.

Suara tidak memiliki hal semacam ini. Gelombang suara memiliki sifat-sifat yang pasti sepanjang waktu, dan pengukuran hanya mengungkap sifat-sifat itu, mungkin dengan sedikit gangguan.

Pengamat bukanlah sebuah pikiran

Kata pengamat membingungkan banyak orang. Cerita-cerita populer mengubahnya menjadi gagasan bahwa kesadaran menciptakan realitas, bahwa elektron menentukan pilihannya karena manusia melihat. Beberapa diskusi awal seputar von Neumann dan Wigner mendorong ke arah itu. Namun fisikanya tidak membutuhkan manusia. Pengamat adalah sistem fisik apa pun yang berinteraksi dengan elektron dan mengambil informasi tentang jalur mana yang diambil. Detektor di ruangan kosong bisa melakukannya, dan lingkungan sekitar juga bisa melakukannya.

Menurut saya interaksi pengukuran adalah kata yang lebih baik daripada pengamat. Ini adalah proses fisik, bukan proses mental, dan kata yang lama terus memberi makan banyak omong kosong esoteris tentang fisika kuantum.

Fonon, sang kuantum suara

Ada tempat di mana suara benar-benar menjadi kuantum, yaitu di dalam benda padat. Di dalam kristal, atom-atom tersusun dalam kisi dan bergetar bersama. Fisika kuantum mengatakan energi getaran ini datang dalam paket-paket kecil yang tetap, dan satu paket disebut fonon. Namanya berasal dari kata Yunani untuk suara. Fonon bagi suara di dalam kristal setara dengan foton bagi cahaya. Ini bukan partikel dasar seperti elektron, melainkan kuasipartikel, getaran bersama dari banyak atom. Gelombang fonon yang panjang hanyalah gelombang suara biasa di dalam benda padat tersebut.

Dan fonon melakukan hal-hal kuantum yang sesungguhnya. Para peneliti membuat fonon tunggal, menempatkannya dalam superposisi, menunjukkan interferensi antara jalur-jalur fonon, menjerat fonon, dan bahkan menjalankan penghapus kuantum dengannya. Untuk melakukan itu, mereka menggabungkan fonon dengan qubit superkonduktor pada sebuah chip dan mendinginkan semuanya hingga suhu kriogenik, agar getaran panas acak tidak menghapus efek tersebut.

Jadi ya, suara bisa bersifat kuantum. Tapi hanya sebagai fonon, di dalam benda padat, di laboratorium, di suhu yang sangat dingin. Suara di udara ruang tamu kamu adalah gelombang tekanan klasik, dan fisika klasik menjelaskannya dengan hampir sempurna. Fonon mungkin masih berguna nanti, sebagai cara untuk menyimpan informasi kuantum dan memindahkannya antara sirkuit superkonduktor dan cahaya.

Mengapa speaker tidak bisa membangun komputer kuantum

Hal berikutnya yang saya tanyakan adalah mengapa tidak ada yang membuat komputer dari speaker, jika komputer kuantum bekerja berdasarkan superposisi dan interferensi, dan suara memiliki keduanya.

Jawabannya adalah ukuran ruang tempat mesin itu bekerja. Dengan n qubit, komputer kuantum bekerja dalam ruang dengan 2 pangkat n keadaan, jadi setiap tambahan qubit akan melipatgandakannya. Superposisi memungkinkannya menggunakan seluruh ruang tersebut, dan keterikatan kuantum menghubungkan qubit-qubit itu satu sama lain. Banyak algoritma kuantum membutuhkan hubungan tersebut.

Gelombang klasik bisa saling menjumlahkan, dan kamu bisa mencampur banyak frekuensi dalam satu suara. Namun untuk mendapatkan keadaan yang eksponensial dari sistem gelombang klasik, kamu akan membutuhkan lebih banyak hal fisik secara eksponensial, seperti frekuensi yang semakin tinggi atau energi yang semakin banyak. Menambahkan speaker hanya membuatnya bertambah besar secara perlahan. Gelombang klasik juga tidak memiliki keterikatan antara bagian-bagian yang terpisah dan tidak memiliki interferensi amplitudo probabilitas. Dan koreksi kesalahan kuantum bergantung pada sifat-sifat dan pengukuran kuantum yang tidak dimiliki oleh sistem suara klasik.

Yang saya petik dari sini

Suara adalah cara yang bagus untuk merasakan apa itu interferensi. Kamu bisa berjalan melewati ruangan dan mendengar garis-garis polanya. Namun celah ganda dengan suara hanya membuktikan bahwa suara adalah gelombang. Bagian kuantumnya adalah hal yang berbeda. Bagian kuantum itu adalah bahwa satu elektron tunggal berinterferensi dengan dirinya sendiri, bahwa polanya terbangun dari hantaman tunggal yang acak, bahwa memeriksa jalurnya mematikan polanya, dan bahwa tidak ada yang bisa sepenuhnya menjelaskan bagaimana sebuah pengukuran memilih satu hasil.

	Suara di udara	Elektron atau foton
Apa yang bergelombang	tekanan udara	amplitudo probabilitas
Butuh medium	ya	tidak
Interferensi	ya	ya
Tiba sebagai titik tunggal	tidak	ya
Di mana satu hantaman jatuh	bisa ditebak	acak
Memeriksa jalurnya	gangguan kecil	polanya hilang
Keterikatan	tidak	ya

Jadi jawaban jujur saya untuk pertanyaan saya sendiri adalah bahwa gelombang suara bisa meniru rupa fisika kuantum, garis-garisnya dan gelombangnya, tapi bukan apa yang terjadi di dalamnya. Di mana suara benar-benar menjadi kuantum, sebagai fonon di dalam kristal dingin, ia mengikuti semua aturan kuantum yang aneh, termasuk masalah pengukuran. Matematika gelombang adalah bahasa bersama untuk keduanya, tapi bahasa itu menggambarkan dua hal yang sangat berbeda.