Ruang kosong ternyata tidak pernah benar-benar kosong. Dalam mekanika kuantum, bahkan medan yang berada pada tingkat energi terendah tetap mengalami fluktuasi kecil akibat prinsip ketidakpastian Heisenberg. Kini, tim fisikawan berhasil mengamati secara langsung fenomena tersebut melalui medan kuantum buatan yang dikendalikan di laboratorium.
Penelitian yang dipimpin Yansheng Zhang dari Universitas Cambridge berhasil mencitrakan fluktuasi pada medan kuantum eksperimental. Temuan ini membuka peluang untuk mempelajari berbagai fenomena fisika yang selama ini sangat sulit dianalisis secara langsung.
“Pengamatan fluktuasi semacam itu dalam batas sine-Gordon membuka banyak kemungkinan untuk simulasi laboratorium terhadap medan relativistik dalam rezim yang saat ini belum dapat ditangani secara teoretis,” tulis para peneliti.
Ruang Hampa Tetap Memiliki Aktivitas Kuantum
Menurut teori medan kuantum, alam semesta dipenuhi berbagai medan, sementara partikel dapat dipahami sebagai eksitasi yang muncul dari medan tersebut. Setiap medan memiliki sejumlah mode dengan panjang gelombang berbeda, mirip berbagai pola getaran yang dapat terbentuk pada senar gitar.
Setiap mode berperilaku seperti osilator harmonik kuantum, yaitu versi mekanika kuantum dari sistem massa yang bergerak pada pegas. Namun, prinsip ketidakpastian membuat osilator tersebut tidak pernah benar-benar diam, bahkan ketika berada pada kondisi energi terendah.
Fluktuasi vakum bukan hanya konsep teoretis. Fenomena ini memiliki dampak nyata yang dapat diamati melalui berbagai proses fisika.
Atom yang tereksitasi, misalnya, dapat berinteraksi dengan fluktuasi vakum dan secara spontan turun ke tingkat energi lebih rendah sambil memancarkan foton. Interaksi serupa juga dapat menyebabkan sedikit perubahan tingkat energi elektron dalam atom hidrogen, yang dikenal sebagai pergeseran Lamb.
Efek Casimir hingga Radiasi Hawking
Bukti lain dapat ditemukan melalui efek Casimir. Ketika dua pelat konduktif ditempatkan sangat berdekatan dalam ruang hampa, keduanya mengalami gaya terukur yang menarik satu sama lain. Fenomena tersebut berkaitan dengan perbedaan fluktuasi kuantum di antara pelat dibandingkan dengan wilayah di luarnya.
Fluktuasi kuantum juga memainkan peran dalam teori radiasi Hawking yang diperkirakan muncul di sekitar batas lubang hitam.
Dalam kosmologi, fluktuasi kuantum primordial diperkirakan berperan penting dalam pembentukan struktur alam semesta. Fluktuasi yang awalnya sangat kecil diyakini mengalami peregangan hingga skala sangat besar selama inflasi kosmik. Variasi tersebut kemudian menjadi benih bagi pengumpulan materi yang akhirnya membentuk galaksi, gugus galaksi, dan jaringan kosmik.
Kondensat Bose-Einstein Digunakan untuk Mengamati Fluktuasi
Meski dampaknya dapat ditemukan dalam berbagai fenomena, fluktuasi kuantum sangat sulit diamati secara langsung. Ukurannya sangat kecil, sifatnya acak, dan tidak menyediakan sasaran sederhana yang dapat langsung ditangkap detektor.
Karena itu, sebagian besar eksperimen sebelumnya lebih banyak mengukur konsekuensi dari fluktuasi kuantum daripada fluktuasi itu sendiri.
Untuk mengatasi masalah tersebut, Zhang dan timnya menggunakan kondensat Bose-Einstein atau BEC.
BEC merupakan awan atom yang didinginkan hingga sangat dekat dengan suhu nol mutlak. Dalam kondisi ekstrem ini, atom-atom dapat berperilaku secara kolektif sebagai satu sistem kuantum sehingga berbagai efek kuantum lebih mudah diamati.
Alih-alih mencoba mencitrakan vakum ruang kosong secara langsung, para peneliti menciptakan medan kuantum yang dapat diamati menggunakan BEC dua dimensi dari atom kalium-39.
Mereka memanfaatkan dua keadaan internal berbeda dari atom kalium-39 dan menghubungkannya menggunakan gelombang radio. Medan kuantum yang diteliti kemudian dikodekan dalam keadaan spin atom.
Variasi spin di seluruh awan atom berperilaku seperti perubahan dalam medan kuantum. Karena sistem tersebut tersusun dari atom yang dapat dicitrakan, para ilmuwan mampu merekonstruksi variasi lokal yang mewakili fluktuasi kuantum.
Eksperimen Membedakan Fluktuasi Vakum dan Gangguan Termal
Salah satu tantangan utama adalah memastikan pola yang terdeteksi benar-benar berasal dari fluktuasi vakum. Perubahan suhu dan gangguan dalam eksperimen juga dapat menghasilkan variasi serupa.
Tim peneliti mengatasinya melalui eksperimen penguatan. Mereka terlebih dahulu menyiapkan medan spin mendekati keadaan dasarnya, kemudian secara tiba-tiba mengubah kekuatan hubungan antara dua keadaan atom.
Perubahan tersebut dirancang untuk memperkuat fluktuasi kecil yang sudah ada dalam medan.
Osilator klasik yang benar-benar diam tidak akan tiba-tiba mulai berosilasi akibat perubahan tersebut. Sebaliknya, osilator kuantum dalam keadaan dasar masih memiliki gerakan dasar yang berasal dari ketidakpastian kuantum.
Ketika kondisi sistem berubah, fluktuasi yang sebelumnya sangat kecil berkembang menjadi osilasi yang dapat diukur. Fenomena inilah yang diamati para peneliti.
Pola Fluktuasi Sesuai Prediksi Kuantum
Tim kemudian melakukan pengukuran tanpa terlebih dahulu memperkuat fluktuasi. Mereka mengamati perubahan kekuatan fluktuasi pada berbagai frekuensi.
Fluktuasi vakum kuantum dan fluktuasi termal menghasilkan pola yang berbeda. Hasil pengukuran menunjukkan kekuatan fluktuasi menurun ketika frekuensi meningkat, sesuai dengan pola yang diperkirakan untuk fluktuasi vakum dan bukan gangguan termal.
Temuan tersebut memperkuat kesimpulan bahwa sistem laboratorium itu berhasil menangkap karakteristik fluktuasi kuantum pada keadaan dasar.
Membuka Jalan untuk Simulasi Fenomena Kuantum Kompleks
Salah satu aspek penting penelitian ini adalah BEC dapat disetel agar berperilaku seperti jenis medan kuantum relativistik yang dikenal sebagai medan sine-Gordon.
Dengan sistem tersebut, para ilmuwan berpotensi mengamati bagaimana fluktuasi kuantum berkembang menjadi fenomena yang jauh lebih besar dan kompleks.
Pendekatan ini dapat membantu ketika persamaan dalam teori kuantum menjadi sangat sulit diselesaikan secara matematis. Para ilmuwan dapat membangun sistem kuantum terkontrol yang mengikuti prinsip fisika serupa, kemudian mengamati langsung bagaimana sistem tersebut berkembang.
Para peneliti menyebut metode ini berpotensi digunakan untuk mempelajari peluruhan vakum palsu, produksi partikel, serta pembentukan dan peluruhan cacat topologis dalam medan kuantum.
“Fakta bahwa kami dapat mengamati secara langsung fluktuasi medan dalam rezim ketika ketidakpastian kuantum mendominasi gangguan termal dapat menawarkan jendela unik menuju mekanisme mikroskopis yang mengendalikan fenomena-fenomena ini,” tulis para peneliti.
Kemampuan mengamati fluktuasi medan kuantum secara langsung memberikan sarana eksperimental baru untuk menguji teori fundamental. Sistem yang dapat dikendalikan di laboratorium ini berpotensi membantu fisikawan memahami berbagai proses kuantum kompleks yang selama ini sulit dijangkau melalui pengamatan konvensional.
Yoga Hidayat adalah penulis di Reviewbekasi.com yang berfokus pada peliputan berita dan isu-isu terkini di berbagai bidang seperti politik, bisnis, teknologi, olahraga, hiburan, dan gaya hidup. Ia menghadirkan informasi yang jelas, ringkas, dan mudah dipahami agar pembaca dapat mengikuti perkembangan penting secara akurat. Melalui setiap tulisannya, Yoga menekankan pentingnya informasi yang relevan, faktual, dan bermanfaat bagi masyarakat. Ia juga berkomitmen menyajikan berita yang berimbang serta sesuai dengan kebutuhan pembaca dalam kehidupan sehari-hari.
Berita Lainnya
Teleskop James Webb Ungkap Atmosfer Aneh di Planet Lava Ekstrem 55 Cancri e
Bisakah Mars Diubah Menjadi Layak Huni? Para Ilmuwan Sedang Meneliti Kemungkinannya
Petunjuk Mineral di Kawah Gale Ungkap Perubahan Iklim Purba di Mars