Satu Jam Dua Waktu: Saat Mekanika Kuantum Bertemu Relativitas Umum

"Ini adalah paradoks kembar untuk 'anak tunggal' kuantum, dan membutuhkan relativitas umum serta mekanika kuantum. Interaksi antara kedua teori ini belum pernah diselidiki dalam percobaan."

Penyatuan mekanika kuantum dan relativitas umum Einstein merupakan salah satu pertanyaan yang paling menarik dan masih terbuka dalam fisika modern. Dalam relativitas umum, gabungan teori gravitasi, ruang dan waktu memberikan prediksi-prediksi yang menjadi bukti jelas pada skala kosmik bintang dan galaksi. Di sisi lain, efek kuantum bersifat rapuh dan biasanya terobservasi pada skala kecil, misalnya ketika mempertimbangkan partikel tunggal dan atom. Itulah mengapa sangat sulit untuk menguji interaksi antara mekanika kuantum dan relativitas umum.

Kini, fisikawan teoritis yang dipimpin Prof. Caslav Brukner dari Universitas Wina mengusulkan suatu eksperimen baru yang dapat mengamati ketumpangtindihan dari kedua teori tersebut. Fokus pekerjaan ini adalah mengukur konsep waktu relativistik umum pada skala kuantum. Temuan ini dipublikasikan minggu ini dalam Nature Communications.

Salah satu prediksi kontraintuitif relativitas umum Einstein adalah gravitasi mendistorsi aliran waktu. Teori ini memprediksi bahwa jam berdetak lebih lambat di dekat objek yang besar dan berdetak semakin cepat saat semakin menjauh dari massa. Efek ini menghasilkan “paradoks kembar”: jika salah satu kembar bergerak keluar untuk tinggal di ketinggian yang lebih tinggi, maka usianya akan lebih cepat dari usia kembar lain yang tetap tinggal di darat. Efek ini telah tepat diverifikasi dalam percobaan klasik, namun tidak dalam hubungannya dengan efek kuantum, yang merupakan tujuan dari percobaan baru yang diusulkan kali ini.

Kelompok peneliti Wina ingin mengeksploitasi kemungkinan yang luar biasa bahwa sebuah partikel kuantum tunggal dapat kehilangan properti klasiknya dalam memiliki posisi yang didefinisikan dengan baik, atau sebagaimana yang diutarakan dalam istilah mekanik kuantum: ia dapat berada dalam “superposisi”. Hal ini memungkinkan untuk efek seperti-gelombang, yang disebut interferensi, dengan sebuah partikel tunggal. Namun, jika posisi partikel diukur, atau bahkan jika secara prinsip dapat diketahui, maka efek ini menghilang. Dengan kata lain, tidak mungkin mengamati interferensi dan sekaligus mengetahui posisi partikel. Hubungan antara informasi dan interferensi merupakan contoh komplementaritas kuantum – prinsip yang diusulkan oleh Niels Bohr.

Usulan eksperimental yang sekarang dipublikasikan dalam Nature Communications ini menggabungkan prinsip tersebut dengan “paradoks kembar” dari relativitas umum.

Tim riset Universitas Wina beranggapan bahwa sebuah jam tunggal (partikel dengan perkembangan derajat kebebasan internal seperti spin) dibawa dalam superposisi dari dua lokasi – yang satu lebih dekat dan yang yang satunya lagi lebih jauh dari permukaan bumi.

Berdasarkan relativitas umum, jam berdetak pada tingkat yang berbeda pada dua lokasi, dalam cara yang sama seperti dua kembar yang berbeda usia. Tapi karena waktu yang diukur dengan jam mengungkapkan informasi di mana jam itu terletak, interferensi dan sifat-gelombang jam menjadi menghilang.

“Ini adalah paradoks kembar untuk ‘anak tunggal’ kuantum, dan membutuhkan relativitas umum serta mekanika kuantum. Interaksi antara kedua teori ini belum pernah diselidiki dalam percobaan,” kata Magdalena Zych, penulis utama makalah dan anggota Program Doktor CoQuS Wina. Dengan demikian, ini merupakan usulan pertama untuk percobaan yang memungkinkan pengujian gagasan waktu relativistik umum dalam hubungannya dengan komplementaritas kuantum.

Kredit: Universitas Wina
Jurnal: M. Zych, F. Costa, I. Pikovski, C. Brukner. Quantum interferometric visibility as a witness of general relativistic proper time. Nature Communications, 18 October 2011. DOI:10.1038/ncomms1498