THE GRAND DESIGN


Menurut teori-M, alam semesta kita bukan satu-satunya alam semesta. Alih-alih, teori-M meramalkan bahwa sangat banyak alam semesta tercipta dari ketiadaan. Penciptaan alam-alam itu tidak memerlukan campur-tangan suatu yang supranatural atau tuhan.

Misteri Keberadaan

Setiap kita hidup walaupun hanya sebentar, dan dalam waktu sebentar itu kita menjelajah sebagian kecil alam semesta  ini. Namun, manusia adalah spesies yang penuh rasa ingin tahu. Kita heran, kita mencari jawaban. Hidup di alam semesta yang luas ini, di mana kebaikan dan kejahatan silih berganti, menatap langit di atas sana, orang selalu bertanya beberapa hal: Bagaimana kita memahami alam semesta ini di mana kita temukan diri kita sendiri? Bagaimana alam semesta ini berjalan? Apakah itu realitas? Dari manakah semua ini berasal? Apakah alam semesta ini butuh suatu pencipta? Sebagian besar dari kita tidak memusingkan diri dengan pertanyaan-pertanyaan ini, namun hampir semua menguatirkan hal-hal ini kadang-kadang.

Dulunya pertanyaan-pertanyaan ini ditujukan untuk filsafat, namun filsafat sudah mati. Filsafat jauh tertinggal dengan kemajuan ilmu modern, khususnya fisika. Ilmuwan menjadi pembawa obor penemuan dalam hasrat kita akan pengetahuan. Tujuan buku ini adalah memberi jawaban atas hal-hal yang diungkap oleh penemuan-penemuan terkini dan kemajuan teori. Jawaban itu mengarahkan kita kepada gambar alam semesta yang baru dan tempat kita di dalamnya yang amat berbeda dari gambar yang dulu, bahkan berbeda dengan gambar yang kita lukis satu atau dua dekade lalu. Namun, goresan pertama dari konsep baru ini dapat ditelusur ke belakang seratus tahun lalu.

Menurut konsepsi alam semesta yang lama, benda bergerak pada jalur yang sangat tertentu dan mempunyai riwayat tertentu. Kita dapat menentukan posisi pastinya setiap saat. Meskipun hitungan ini cukup berhasil pada kehidupan sehari-hari, ternyata pada tahun 1920-an ditemukan bahwa konsep “klasik” ini tidak berlaku untuk perilaku aneh yang diamati pada kejadian skala atom dan subatom. Alih-alih, kejadian ini perlu memakai kerangka kerja yang lain yang disebut fisika kuantum. Teori kuantum secara luar biasa berhasil memprediksi secara akurat kejadian-kejadian pada skala di atas, sekaligus mereproduksi prediksi teori klasik ketika diterapkan pada skala makroskopis pada kejadian sehari-hari. Namun, fisika klasik dan kuantum berdasarkan pada konsepsi realitas fisik yang sangat berbeda.

Teori Kuantum dapat diformulasikan dengan banyak cara, namun cara yang mungkin paling intuitif diberikan oleh Richard (Dick) Feynman, seorang yang penuh warna yang bekerja di Institut Teknologi California dan bermain drum bongo di pinggir jalan. Menurut Feynman, suatu sistem tidak hanya memiliki satu riwayat, tetapi setiap riwayat yang mungkin. Sementara kita mencari jawaban, kami akan menjelaskan pendekatan Feynman secara rinci, dan memakainya untuk menjelajahi ide bahwa alam semesta sendiri tidak mempunyai riwayat tunggal, bahkan keberadaannya tidaklah mandiri. Kelihatannya ide ini amat radikal, bahkan bagi banyak fisikawan. Memang, seperti banyak gagasan pada sains hari ini, ide ini seperti melanggar akal sehat. Namun akal sehat bergantung pada pengalaman sehari-hari, tidak bergantung pada alam semesta yang kita ungkap lewat keajaiban teknologi sehingga kita dapat menatap jauh ke dalam atom atau kembali ke awal alam semesta.

Pada saat-saat awal fisika modern, umumnya orang menduga bahwa semua pengetahuan di dunia dapat  dihasilkan melalui pengamatan langsung, sesuatu adalah  bagaimana sesuatu itu terlihat, yang sampai pada kita melalui indra. Namun keberhasilan luar biasa dari fisika modern, yang bersandar pada konsep semacam konsep Feynman yang berbenturan dengan pengalaman sehari-hari, membuktikan bahwa bukan demikian halnya. Karena itu pandangan lugu atas realitas tidaklah cocok dengan fisika modern. Untuk menangani paradoks-paradoks ini kita akan memakai pendekatan yang kami sebut realisme-menurut-model (model-dependent realism). Pendekatan ini berdasarkan gagasan bahwa otak kita menafsirkan input dari indra dengan membuat sebuah model dunia ini. Ketika model demikian berhasil untuk menjelaskan suatu kejadian, kita cenderung menganggapnya, dan juga elemen-elemen dan konsep yang membentuknya, sebagai realitas yang bermutu atau kebenaran mutlak. Namun mungkin ada banyak cara di mana seorang dapat memodelkan suatu keadaan, di mana tiap orang memakai konsep dan elemen dasar yang berbeda-beda. Jika dua teori fisika atau model dapat memprediksi dengan akurat kejadian yang sama, model ini tak dapat dikatakan lebih nyata dari model yang lain. Namun, kita dapat memakai model mana pun yang paling nyaman.

Dalam sejarah ilmu, kita telah menemukan tahapan teori atau model yang lebih dan lebih baik, dari Plato menuju teori klasik Newton menuju teori kuantum modern. Wajar bila kita bertanya: apakah tahapan ini akan berujung pada teori pamungkas mengenai alam semesta, yang meliputi semua gaya dan memprediksi semua pengamatan yang kita buat, atau kita akan terus-menerus menemukan teori-teori yang lebih baik, tapi tak pernah menemukan satu teori yang tak dapat diperbaiki lagi? Kami belum punya jawaban pasti atas pertanyaan ini, namun sekarang kami punya calon untuk teori pamungkas mengenai segalanya, jika memang teori itu ada, yang disebut teori-M. Teori-M adalah model satu-satunya yang mempunyai ciri-ciri di mana kami kira teori pamungkas harus memilikinya. Dan teori-M adalah dasar dari banyak bahasan-bahasan kita selanjutnya pada buku ini.

Teori-M bukanlah teori pada umumnya. Ini merupakan keluarga teori-teori yang berbeda, masing-masing merupakan gambaran pengamatan yang baik hanya pada sebagian keadaan fisik. Mirip peta. Sudah lazim diketahui, seseorang tak dapat menunjukkan seluruh permukaan bumi hanya pada satu peta. Proyeksi Mercator yang dipakai untuk peta dunia memperbesar  bagian utara dan selatan namun tidak meliputi Kutub Utara dan Selatan. Untuk memetakan seluruh bumi dengan tepat, seseorang harus memakai kumpulan peta, setiap peta meliputi area tertentu. Peta-peta itu saling beririsan, dan saat beririsan, mereka menunjukkan bentangan yang sama. Teori-M serupa. Teori-teori berbeda dalam keluarga teori-M mungkin terlihat sangat berbeda, namun mereka semua dapat dianggap bagian dari teori mendasar yang sama. Ada versi yang berlaku hanya dalam kisaran tertentu – misalnya, ketika energi tertentu jumlahnya sedikit. Serupa dengan peta-peta beririsan pada proyeksi Mercator, di mana kisaran beberapa versi saling beririsan, versi-versi itu memprediksi fenomena yang sama. Namun karena tak ada peta datar yang mewakili seluruh permukaan bumi, tak ada teori tunggal yang dapat mewakili gambaran pengamatan yang baik pada segala situasi.

Kami akan jelaskan bagaimana teori-M menawarkan jawaban atas pertanyaan mengenai penciptaan. Menurut teori-M, alam semesta kita bukan satu-satunya alam semesta. Alih-alih, teori-M meramalkan bahwa sangat banyak alam semesta tercipta dari ketiadaan. Penciptaan alam-alam itu tidak memerlukan campur-tangan suatu yang supranatural atau tuhan. Namun, berbagai alam-alam ini timbul secara alami dari hukum fisika. Semua alam itu adalah prediksi ilmiah. Tiap alam semesta mempunyai banyak kemungkinan riwayat dan banyak kemungkinan status pada masa mendatang, misalnya sekarang, jauh sejak penciptaannya. Sebagian besar status ini cukup berbeda dengan alam semesta yang kita amati dan cukup tidak cocok untuk keberadaan sembarang bentuk kehidupan. Hanya sedikit yang cocok untuk makhluk seperti kita untuk berada. Maka kehadiran kita hanya memilih alam semesta yang cocok dengan keberadaan kita. Meskipun kita ini mungil dan tidak berarti pada skala kosmos, kehadiran kita membuat kita menjadi tuan-tuan penciptaan.

Untuk memahami alam semesta pada tingkat terdalam, kita perlu mengetahui tidak hanya bagaimana alam semesta berjalan, tetapi mengapa.

Mengapa ada sesuatu daripada tak ada sesuatu pun?

Mengapa kita ada?

Mengapa ada seperangkat aturan ini dan bukan yang lain?

Ini semua merupakan Pertanyaan Pamungkas Kehidupan, Alam Semesta dan Segalanya. Kami akan berusaha menjawabnya di buku ini. Tidak seperti jawaban pada The Hitchhike’s Guide to the Galaxy, jawaban kami tidak sekedar “42”.

Berikut adalah versi aslinya:

Ketidaktahuan mengenai bagaimana alam bekerja menyebabkan orang-orang kuno menciptakan dewa-dewa untuk disembah pada tiap bidang kehidupan. Ada dewa cinta dan perang; dewa surya, bumi dan langit; dewa lautan dan sungai; dewa hujan dan badai; bahkan ada dewa gempabumi dan gunung berapi. Jika dewa-dewa disenangkan, manusia akan dikaruniai cuaca yang baik, kedamaian dan terbebas dari bencana alam dan wabah. Jika dewa-dewa dikecewakan, maka akan timbul perang, penyakit dan wabah.

Skoll  Si Serigala yang akan menakut-nakuti Sang Bulan

Hingga dia terbang menuju Wood-of-Woe:

Hati Si Serigala, keturunan Hridvitni,

Yang akan mengejar sang surya

– “GRIMNISMAL,” The Elder Edda

Dalam mitologi Viking, Skoll dan Hati mengejar bulan dan surya. Saat serigala-serigala itu menangkap salah satunya, terjadilah gerhana. Ketika ini terjadi, orang-orang di bumi bergegas menyelamatkan surya atau bulan dengan membuat kegaduhan sebising-bisingnya berharap menakut-nakuti kedua serigala itu. Ada mitos-mitos serupa pada budaya lain. Namun beberapa waktu kemudian orang-orang memperhatikan bahwa surya dan bulan segera muncul dari gerhana tidak perduli apakah mereka berlarian berteriak-teriak dan menabuh apapun atau tidak sama sekali. Setelah beberapa waktu mereka juga pasti memperhatikan bahwa gerhana tidak terjadi secara acak: Gerhana terjadi dengan pola yang teratur yang berulang sendiri. Pola ini lebih mudah pada gerhana bulan sehingga orang Babilonia kuno dapat meramalkan gerhana bulan dengan cukup akurat meskipun mereka tidak menyadari bahwa itu disebabkan bumi yang menghalangi sinar surya. Gerhana surya lebih sulit untuk diramalkan karena hanya terlihat pada selasar sepanjang 48 kilometer. Meskipun demikian, setelah polanya diketahui, jelas bahwa gerhana surya tidak tergantung dari keinginan sembarang dzat yang adialami (supernatural), namun terikat oleh hukum.

Terlepas dari keberhasilan meramalkan gerakan benda-benda langit, sebagian besar kejadian alam terlihat oleh nenek moyang kita sebagai hal yang mustahil diramalkan. Letusan gunung, gempa bumi, badai, wabah dan kuku kaki yang menusuk ke dalam semuanya kelihatannya terjadi tanpa penyebab atau pola yang jelas. Pada jaman kuno, mudah menganggap tindakan ganas dari alam sebagai perbuatan tuhan atau dewa yang sedang marah. Bencana alam sering dianggap sebagai tanda bahwa kita entah bagaimana menentang tuhan-tuhan. Contohnya, sekitar tahun 5600 sebelum Masehi, gunung berapi Mazama di Oregon meletus, menyebabkan hujan batu dan debu panas selama bertahun-tahun, dan hujan air bertahun-tahun yang akhirnya memenuhi kawah gunung yang sekarang disebut Danau Kawah. Suku Indian Klamath dari Oregon mempunyai legenda yang benar-benar cocok dengan tiap detil geologis pada kejadian tersebut namun menambahkan sedikit drama dengan menganggap manusia sebagai penyebab bencana. Kemampuan manusia untuk berbuat salah begitu besarnya sehingga orang-orang selalu mencari cara untuk menyalahkan diri sendiri. Sebagaimana kata legenda, Llao, pemimpin Dunia Bawah, jatuh cinta dengan anak gadis jelita putri dari pemimpin Suku Klamath. Gadis itu menolak mentah-mentah. Llao membalas dendam dengan berusaha membakar suku Klamath. Untungnya, menurut legenda, Skell, pemimpin Dunia Atas, merasa kasihan pada manusia dan bertarung dengan temannya dari dunia bawah. Akhirnya, Llao terluka, jatuh kembali ke dalam Gunung Mazama meninggalkan lubang besar, kawah yang akhirnya dipenuhi air.

Ketidaktahuan mengenai bagaimana alam bekerja menyebabkan orang-orang kuno menciptakan dewa-dewa untuk disembah pada tiap bidang kehidupan. Ada dewa cinta dan perang; dewa surya, bumi dan langit; dewa lautan dan sungai; dewa hujan dan badai; bahkan ada dewa gempabumi dan gunung berapi. Jika dewa-dewa disenangkan, manusia akan dikaruniai cuaca yang baik, kedamaian dan terbebas dari bencana alam dan wabah. Jika dewa-dewa dikecewakan, maka akan timbul perang, penyakit dan wabah. Karena hubungan antara sebab dan akibat di alam tidak terlihat di mata orang-orang kuno, dewa-dewa ini tampak gaib dan nasib orang-orang tergantung belas-kasih mereka. Tetapi sejak Thales dari Miletus (624 – 546 SM) 2600 tahun yang lalu,pandangan ini mulai berubah. Ide baru muncul bahwa alam mengikuti prinsip-prinsipyang konsisten yang dapat diramalkan. Maka mulailah proses panjang penggantian gagasan kekuasaan dewa dengan konsep bahwa alam semesta diatur oleh hukum alam, dan tercipta menurut sebuah cetak biru yang suatu hari dapat kita pahami.

Menengok sejarah manusia, penelitian ilmiah merupakan terobosan yang amat baru. Spesies kita, Homo sapiens, bermula di sub-Sahara Afrika sekitar 200.000 SM. Bahasa tulisan baru dapat ditelusur pada 7000 SM, produk budaya masyarakat yang masih bercocok tanam. (Beberapa tulisan tertua mengenai jatah harian bir yang diijinkan untuk tiap warga negara.) Catatan tulisan tertua dari Peradaban Besar Yunani kuno ditelusur pada abad kesembilan SM, namun kejayaan peradaban itu, “periode klasik”, baru datang beberapa ratus tahun kemudian, mendekati tahun 500 SM. Menurut Aristoteles (384 – 322 SM), tahun itu adalah kisaran waktu di mana Thales menemukan gagasan bahwa dunia dapat dipahami, bahwa kejadian-kejadian rumit di sekitar kita dapat disederhanakan dalam prinsip-prinsip yang lebih mudah dan dapat dijelaskan tanpa mengacu pada penjelasan mistik atau ketuhanan.

Thales dikenal atas ramalannya akan gerhana surya pada tahun 585 SM, meskipun ramalan hebat itu mungkin hanya tebakan untung-untungan. Dia merupakan tokoh misterius yang tidak meninggalkan tulisan-tulisan tentang dirinya sendiri. Kampung halamannya merupakan pusat cendekiawan pada daerah yang disebut Ionia, yang kemudian dijajah oleh bangsa Yunani dan pengaruhnya meluas dari Turki ke barat hingga Italia. Sains Ionia dikenal dengan perhatian yang kuat dalam menggali hukum-hukum dasar untuk menjelaskan fenomena alam, sebuah batu loncatan mengagumkan dalam sejarah gagasan manusia. Pendekatan mereka rasional dan dalam banyak hal mengarah pada kesimpulan mengejutkan yang serupa dengan kesimpulan yang didapat metode canggih yang kita percayai hari ini. Ini menunjukkan awal yang besar. Namun selama berabad-abad kemudian, sebagian besar sains Ionia akan dilupakan – hanya ditemukan atau diciptakan ulang, kadang-kadang lebih dari sekali.

Menurut legenda, rumus matematika pertama yang mungkin hari ini kita sebut hukum alam dapat ditelusur kembali ke seorang Ionia yang bernama Pythagoras (580-490 BC), yang terkenal dengan teoremanya: bahwa kuadrat dari hipotenusa (sisi terpanjang) dari segitiga siku-siku sama dengan jumlah kuadrat dua sisi yang lain. Diceritakan pula bahwa Pythagoras menemukan hubungan angka-angka antara senar-senar yang dipakai dalam instrumen musik dan kombinasi harmonik dari suara instrumen itu. Hari ini kita menggambarkan hubungan itu dengan mengatakan bahwa frekuensi – jumlah getaran per detik – dari sebuah senar yang bergetar dalam tegangan tetap adalah berbanding terbalik dengan panjang senar itu. Dari pandangan praktis, hal ini menjelaskan mengapa gitar bass lebih panjang dari gitar biasa. Pythagoras mungkin tidak benar-benar menemukannya – mungkin juga tidak menemukan teorema yang melambungkan namanya – namun ada bukti bahwa hubungan antara panjang senar dan nada dikenal pada masanya. Jika memang demikian, seseorang dapat menamakan rumus matematika sederhana adalah hal pertama yang sekarang kita ketahui sebagai fisika teori.

Sayangnya, pandangan alam semesta bangsa  Ionia – yang dapat dijelaskan melalui hukum umum dan disederhanakan menjadi serangkaian prinsip sederhana – berpengaruh kuat hanya beberapa abad. Salah satunya karena teori Ionia terlihat tidak memberi tempat pada gagasan kehendak bebas, atau konsep bahwa Tuhan ikut campur dalam bekerjanya dunia. Gagasan menghilangkan peran tuhan atau kehendak bebas ini belum dapat diterima oleh banyak pemikir Yunani sebagaimana gagasan serupa bagi banyak orang hari ini.

Di luar hukum senar Pythagoras, satu-satunya hukum fisika yang tepat pada jaman kuno adalah tiga hukum yang dirumuskan oleh Archimedes (287-212 SM), seorang fisikawan agung pada jaman kuno. Menurut terminologi hari ini, hukum pengungkit menjelaskan bahwa sedikit gaya dapat mengangkat beban berat karena pengungkit menggandakan gaya menurut perbandingan jarak dari titik tumpu pengungkit. Hukum Benda Apung menyatakan bahwa sembarang benda yang tercelup ke dalam sebuah cairan akan mengalami gaya tekan ke atas yang sama besar dengan berat cairan yang dipindahkan. Dan hukum pemantulan menegaskan bahwa sudut antara berkas cahaya dan cermin sama dengan sudut antara cermin dan berkas cahaya yang terpantul. Tetapi Archimedes tidak menyebutnya sebagai hukum, tidak jua menjelaskannya dengan acuan pengamatan dan pengukuran. Alih-alih, dia menganggapnya seperti teorema matematis murni, dalam sebuah sistem aksioma yang mirip sekali seperti sistem yang diciptakan Euclid untuk geometri.

Ketika pengaruh bangsa Ionia menyebar, terdapat orang-orang lain yang melihat alam semesta memiliki keteraturan internal, keteraturan yang dapat dipahami lewat pengamatan dan pemikiran. Anaximander (610 – 546 SM), teman dan mungkin murid dari Thales, berpendapat bahwa karena bayi manusia tak berdaya saat lahir, jika manusia pertama entah bagaimana muncul di bumi sebagai bayi, maka manusia tidak akan bertahan hidup. Mungkin saja ini merupakan sindiran pertama manusia terhadap evolusi: orang-orang, menurut Anaximander, maka harus telah berevolusi dari binatang lain yang saat bayi bertubuh kuat. Di Sisilia, Empedocles (490 – 430 SM) mengamati pemakaian alat yang disebut clepsydra. Kadangkala dipakai sebagai sendok, alat ini berbentuk tabung dengan leher terbuka dan lubang-lubang kecil di bagian bawah. Jika tercelup dalam air alat ini akan terisi, dan jika leher terbuka itu ditutup, clepsydra ini bisa diangkat keluar tanpa membuat air di dalamnya menetes melewati lubang-lubang. Empedocles memperhatikan bila anda menutup leher clepsydra sebelum mencelupkannya, clepsydra tidak bisa terisi. Dia berpendapat bahwa ada sesuatu yang tak terlihat yang menghalangi air memasuki tabung itu melalui lubang-lubang – dia telah menemukan substansi material yang kita sebut udara.

Sekitar waktu yang sama Democritus (460-370 SM), dari koloni ionia di Yunani Utara, mengamati apa yang terjadi jika anda memecah atau memotong benda menjadi bagian-bagian kecil. Dia berpendapat bahwa anda tidak dapat melanjutkan pekerjaan ini terus menerus. Alih-alih, dia merumuskan bahwa segalanya, termasuk makhluk hidup, terbuat dari partikel dasar yang tak dapat dipotong atau dipecah menjadi bagian-bagian. Dia menyebut partikel pamungkas ini atom, dari kata sifat bahasa Yunani yang berarti “tak dapat dipotong.” Democritus meyakini bahwa setiap fenomena benda merupakan hasil benturan atom-atom. Dalam pandangannya, dijuluki atomisme, semua atom bergerak di sekitar ruang kosong, dan, jika tak ada gangguan, terus bergerak maju tanpa henti. Hari ini kita menyebut gagasan ini sebagai hukum kelembaman.

Ide revolusioner bahwa kita hanyalah penghuni biasa alam semesta, bukan makhluk khusus yang berbeda karena berada di pusat alam semesta, diungkapkan pertama kali oleh Aristarchus (310-230 SM), salah satu ilmuwan terakhir Ionia. Hanya satu perhitungannya yang bertahan, analisa geometri rumit dari pengamatan yang teliti mengenai ukuran bayangan bumi pada bulan selama gerhana bulan. Dia menyimpulkan dari datanya bahwa surya pasti jauh lebih besar dari bumi. Mungkin terinspirasi bahwa benda mungil akan mengorbit pada benda yang jauh lebih besar dan bukan sebaliknya, dia menjadi orang pertama yang berpendapat bahwa bumi bukanlah pusat dari sistem tata surya kita, melainkan bumi dan planet lain mengorbit pada matahari yang jauh lebih besar. Ini  merupakan tahapan kecil dari kesadaran bahwa bumi adalah salah satu planet menuju gagasan bahwa surya bukanlah benda khusus juga. Aristarchus menduga inilah yang benar dan meyakini bahwa bintang-bintang yang kita lihat di langit malam tak lebih dari surya yang amat jauh.

Bangsa Ionia hanyalah salah satu dari masyarakat filsafat Yunani kuno, masing-masing dengan budaya yang berbeda bahkan berlawanan.  Sayangnya, pandangan alam semesta bangsa  Ionia – yang dapat dijelaskan melalui hukum umum dan disederhanakan menjadi serangkaian prinsip sederhana – berpengaruh kuat hanya beberapa abad. Salah satunya karena teori Ionia terlihat tidak memberi tempat pada gagasan kehendak bebas, atau konsep bahwa Tuhan ikut campur dalam bekerjanya dunia. Gagasan menghilangkan peran tuhan atau kehendak bebas ini belum dapat diterima oleh banyak pemikir Yunani sebagaimana gagasan serupa bagi banyak orang hari ini. Filosof Epicurus (341-270 SM), misalnya, menentang atomisme dengan alasan “lebih baik mengikuti mitos dewa-dewa daripada menjadi ‘budak’ takdir para filosof alam.” Aristoteles juga menolak konsep atom karena dia tak dapat menerima bahwa manusia terdiri dari benda-benda yang tak berjiwa. Ide Ionia bahwa alam semesta bukanlah berpusat pada manusia sebenarnya merupakan batu loncatan bagi kita untuk memahami kosmos, tetapi gagasan itu akan dijatuhkan dan tidak diambil lagi, atau diterima secara luas, hingga Galileo, hampir duapuluh abad kemudian.

Meski spekulasi mereka mengenai alam ini sangat mencerahkan, sebagian besar ide orang Yunani kuno tak akan dapat lulus sebagai sains yang valid pada jaman modern. Salah satunya, karena bangsa Yunani belum menemukan metode ilmiah, teori mereka tidak dikembangkan dengan tujuan dapat diverifikasi melalui penelitian. Maka jika seorang ilmuwan berpendapat sebuah atom bergerak dalam garis lurus hingga membentur dengan atom kedua dan ilmuwan lain berpendapat bahwa atom bergerak dalam garis lurus hingga menyentuh benda besar, tidak ada cara yang obyektif untuk menetapkan pendapat itu. Dan juga, tidak ada pembedaan yang jelas antara hukum fisika dan hukum manusia. Pada abad kelima SM, misalnya, Anaximander menulis bahwa semua benda timbul dari substansi primer, dan kembali ke substansi primer itu, supaya mereka tidak “membayar denda dan dihukum atas ketidakadilan mereka.” Dan menurut filsuf Ionia bernama Heraclitus (535 – 475 SM), surya bergerak sedemikian agar dewa keadilan tidak memburunya. Beberapa ratus tahun kemudian Stoics, sekolah para filsuf Yunani yang berdiri sekitar abad ketiga SM, benar-benar membedakan hukum manusia dan hukum alam, namun mereka memasukkan aturan perilaku manusia yang mereka anggap universal – misalnya menyembah Tuhan dan mematuhi orangtua – termasuk dalam hukum alam. Sebaliknya, mereka sering mendefinisikan proses fisika dalam istilah-istilah legal dan meyakini bahwa proses ini butuh pemaksaan, meskipun obyek yang harus “mematuhi” hukum ini sebenarnya tak berjiwa. Jika anda mengira sangat sulit menyuruh manusia untuk mematuhi aturan lalu lintas, maka bayangkan meyakinkan asteroid untuk bergerak di sepanjang kurva lonjong.

Budaya ini terus mempengaruhi para pemikir yang hidup setelah bangsa Yunani selama berabad-abad kemudian. Pada abad ketigabelas filsuf awal Kristen Thomas Aquinas (1225 – 1274) meniru pandangan ini dan memakainya untuk berpendapat tentang keberadaan Tuhan, dia menulis,”Jelas bahwa (benda tak berjiwa) berakhir bukan karena kebetulan tetapi kesengajaan…Karena itu ada dzat maha cerdas yang mengatur segala sesuatu di alam akan berakhir.” Bahkan pada akhir abad keenambelas, ahli astronomi Jerman Johannes Kepler (1571 – 1630) meyakini bahwa planet-planet memiliki persepsi dan secara sadar mematuhi hukum gerakan yang diilhamkan pada “pikiran” mereka.

Hukum ilmiah bukanlah hukum ilmiah jika hanya berlaku saat Sang Supranatural memutuskan tidak ikut campur. Ketika membaca ini, Napoleon disebut pernah bertanya kepada Laplace bagaimana memasukkan Tuhan dalam gambaran ini. Laplace menjawab: ”Tuanku, saya belum memerlukan hipotesa itu.”

Skoll  Si Serigala yang akan menakut-nakuti Sang Bulan

Hingga dia terbang menuju Wood-of-Woe:

Hati Si Serigala, keturunan Hridvitni,

Yang akan mengejar sang surya

– “GRIMNISMAL,” The Elder Edda

Dalam mitologi Viking, Skoll dan Hati mengejar bulan dan surya. Saat serigala-serigala itu menangkap salah satunya, terjadilah gerhana. Ketika ini terjadi, orang-orang di bumi bergegas menyelamatkan surya atau bulan dengan membuat kegaduhan sebising-bisingnya berharap menakut-nakuti kedua serigala itu. Ada mitos-mitos serupa pada budaya lain. Namun beberapa waktu kemudian orang-orang memperhatikan bahwa surya dan bulan segera muncul dari gerhana tidak perduli apakah mereka berlarian berteriak-teriak dan menabuh apapun atau tidak sama sekali. Setelah beberapa waktu mereka juga pasti memperhatikan bahwa gerhana tidak terjadi secara acak: Gerhana terjadi dengan pola yang teratur yang berulang sendiri. Pola ini lebih mudah pada gerhana bulan sehingga orang Babilonia kuno dapat meramalkan gerhana bulan dengan cukup akurat meskipun mereka tidak menyadari bahwa itu disebabkan bumi yang menghalangi sinar surya. Gerhana surya lebih sulit untuk diramalkan karena hanya terlihat pada selasar sepanjang 48 kilometer. Meskipun demikian, setelah polanya diketahui, jelas bahwa gerhana surya tidak tergantung dari keinginan sembarang dzat yang adialami (supernatural), namun terikat oleh hukum.

Gerhana

Terlepas dari keberhasilan meramalkan gerakan benda-benda langit, sebagian besar kejadian alam terlihat oleh nenek moyang kita sebagai hal yang mustahil diramalkan. Letusan gunung, gempa bumi, badai, wabah dan kuku kaki yang menusuk ke dalam semuanya kelihatannya terjadi tanpa penyebab atau pola yang jelas. Pada jaman kuno, mudah menganggap tindakan ganas dari alam sebagai perbuatan tuhan atau dewa yang sedang marah. Bencana alam sering dianggap sebagai tanda bahwa kita entah bagaimana menentang tuhan-tuhan. Contohnya, sekitar tahun 5600 sebelum Masehi, gunung berapi Mazama di Oregon meletus, menyebabkan hujan batu dan debu panas selama bertahun-tahun, dan hujan air bertahun-tahun yang akhirnya memenuhi kawah gunung yang sekarang disebut Danau Kawah. Suku Indian Klamath dari Oregon mempunyai legenda yang benar-benar cocok dengan tiap detil geologis pada kejadian tersebut namun menambahkan sedikit drama dengan menganggap manusia sebagai penyebab bencana. Kemampuan manusia untuk berbuat salah begitu besarnya sehingga orang-orang selalu mencari cara untuk menyalahkan diri sendiri. Sebagaimana kata legenda, Llao, pemimpin Dunia Bawah, jatuh cinta dengan anak gadis jelita putri dari pemimpin Suku Klamath. Gadis itu menolak mentah-mentah. Llao membalas dendam dengan berusaha membakar suku Klamath. Untungnya, menurut legenda, Skell, pemimpin Dunia Atas, merasa kasihan pada manusia dan bertarung dengan temannya dari dunia bawah. Akhirnya, Llao terluka, jatuh kembali ke dalam Gunung Mazama meninggalkan lubang besar, kawah yang akhirnya dipenuhi air.

Ketidaktahuan mengenai bagaimana alam bekerja menyebabkan orang-orang kuno menciptakan dewa-dewa untuk disembah pada tiap bidang kehidupan. Ada dewa cinta dan perang; dewa surya, bumi dan langit; dewa lautan dan sungai; dewa hujan dan badai; bahkan ada dewa gempabumi dan gunung berapi. Jika dewa-dewa disenangkan, manusia akan dikaruniai cuaca yang baik, kedamaian dan terbebas dari bencana alam dan wabah. Jika dewa-dewa dikecewakan, maka akan timbul perang, penyakit dan wabah. Karena hubungan antara sebab dan akibat di alam tidak terlihat di mata orang-orang kuno, dewa-dewa ini tampak gaib dan nasib orang-orang tergantung belas-kasih mereka. Tetapi sejak Thales dari Miletus (624 – 546 SM) 2600 tahun yang lalu,pandangan ini mulai berubah. Ide baru muncul bahwa alam mengikuti prinsip-prinsipyang konsisten yang dapat diramalkan. Maka mulailah proses panjang penggantian gagasan kekuasaan dewa dengan konsep bahwa alam semesta diatur oleh hukum alam, dan tercipta menurut sebuah cetak biru yang suatu hari dapat kita pahami.

Menengok sejarah manusia, penelitian ilmiah merupakan terobosan yang amat baru. Spesies kita, Homo sapiens, bermula di sub-Sahara Afrika sekitar 200.000 SM. Bahasa tulisan baru dapat ditelusur pada 7000 SM, produk budaya masyarakat yang masih bercocok tanam. (Beberapa tulisan tertua mengenai jatah harian bir yang diijinkan untuk tiap warga negara.) Catatan tulisan tertua dari Peradaban Besar Yunani kuno ditelusur pada abad kesembilan SM, namun kejayaan peradaban itu, “periode klasik”, baru datang beberapa ratus tahun kemudian, mendekati tahun 500 SM. Menurut Aristoteles (384 – 322 SM), tahun itu adalah kisaran waktu di mana Thales menemukan gagasan bahwa dunia dapat dipahami, bahwa kejadian-kejadian rumit di sekitar kita dapat disederhanakan dalam prinsip-prinsip yang lebih mudah dan dapat dijelaskan tanpa mengacu pada penjelasan mistik atau ketuhanan.

Thales dikenal atas ramalannya akan gerhana surya pada tahun 585 SM, meskipun ramalan hebat itu mungkin hanya tebakan untung-untungan. Dia merupakan tokoh misterius yang tidak meninggalkan tulisan-tulisan tentang dirinya sendiri. Kampung halamannya merupakan pusat cendekiawan pada daerah yang disebut Ionia, yang kemudian dijajah oleh bangsa Yunani dan pengaruhnya meluas dari Turki ke barat hingga Italia. Sains Ionia dikenal dengan perhatian yang kuat dalam menggali hukum-hukum dasar untuk menjelaskan fenomena alam, sebuah batu loncatan mengagumkan dalam sejarah gagasan manusia. Pendekatan mereka rasional dan dalam banyak hal mengarah pada kesimpulan mengejutkan yang serupa dengan kesimpulan yang didapat metode canggih yang kita percayai hari ini. Ini menunjukkan awal yang besar. Namun selama berabad-abad kemudian, sebagian besar sains Ionia akan dilupakan – hanya ditemukan atau diciptakan ulang, kadang-kadang lebih dari sekali.

Menurut legenda, rumus matematika pertama yang mungkin hari ini kita sebut hukum alam dapat ditelusur kembali ke seorang Ionia yang bernama Pythagoras (580-490 BC), yang terkenal dengan teoremanya: bahwa kuadrat dari hipotenusa (sisi terpanjang) dari segitiga siku-siku sama dengan jumlah kuadrat dua sisi yang lain. Diceritakan pula bahwa Pythagoras menemukan hubungan angka-angka antara senar-senar yang dipakai dalam instrumen musik dan kombinasi harmonik dari suara instrumen itu. Hari ini kita menggambarkan hubungan itu dengan mengatakan bahwa frekuensi – jumlah getaran per detik – dari sebuah senar yang bergetar dalam tegangan tetap adalah berbanding terbalik dengan panjang senar itu. Dari pandangan praktis, hal ini menjelaskan mengapa gitar bass lebih panjang dari gitar biasa. Pythagoras mungkin tidak benar-benar menemukannya – mungkin juga tidak menemukan teorema yang melambungkan namanya – namun ada bukti bahwa hubungan antara panjang senar dan nada dikenal pada masanya. Jika memang demikian, seseorang dapat menamakan rumus matematika sederhana adalah hal pertama yang sekarang kita ketahui sebagai fisika  teori.

Ionia

Di luar hukum senar Pythagoras, satu-satunya hukum fisika yang tepat pada jaman kuno adalah tiga hukum yang dirumuskan oleh Archimedes (287-212 SM), seorang fisikawan agung pada jaman kuno. Menurut terminologi hari ini, hukum pengungkit menjelaskan bahwa sedikit gaya dapat mengangkat beban berat karena pengungkit menggandakan gaya menurut perbandingan jarak dari titik tumpu pengungkit. Hukum Benda Apung menyatakan bahwa sembarang benda yang tercelup ke dalam sebuah cairan akan mengalami gaya tekan ke atas yang sama besar dengan berat cairan yang dipindahkan. Dan hukum pemantulan menegaskan bahwa sudut antara berkas cahaya dan cermin sama dengan sudut antara cermin dan berkas cahaya yang terpantul. Tetapi Archimedes tidak menyebutnya sebagai hukum, tidak jua menjelaskannya dengan acuan pengamatan dan pengukuran. Alih-alih, dia menganggapnya seperti teorema matematis murni, dalam sebuah sistem aksioma yang mirip sekali seperti sistem yang diciptakan Euclid untuk geometri.

Ketika pengaruh bangsa Ionia menyebar, terdapat orang-orang lain yang melihat alam semesta memiliki keteraturan internal, keteraturan yang dapat dipahami lewat pengamatan dan pemikiran. Anaximander (610 – 546 SM), teman dan mungkin murid dari Thales, berpendapat bahwa karena bayi manusia tak berdaya saat lahir, jika manusia pertama entah bagaimana muncul di bumi sebagai bayi, maka manusia tidak akan bertahan hidup. Mungkin saja ini merupakan sindiran pertama manusia terhadap evolusi: orang-orang, menurut Anaximander, maka harus telah berevolusi dari binatang lain yang saat bayi bertubuh kuat. Di Sisilia, Empedocles (490 – 430 SM) mengamati pemakaian alat yang disebut clepsydra. Kadangkala dipakai sebagai sendok, alat ini berbentuk bola dengan leher terbuka dan lubang-lubang kecil di bagian bawah. Jika tercelup dalam air alat ini akan terisi, dan jika leher terbuka itu ditutup, clepsydra ini bisa diangkat keluar tanpa membuat air di dalamnya menetes melewati lubang-lubang. Empedocles memperhatikan bila anda menutup leher clepsydra sebelum mencelupkannya, clepsydra tidak bisa terisi. Dia berpendapat bahwa ada sesuatu yang tak terlihat yang menghalangi air memasuki bola itu melalui lubang-lubang – dia telah menemukan substansi material yang kita sebut udara.

Sekitar waktu yang sama Democritus (460-370 SM), dari koloni ionia di Yunani Utara, mengamati apa yang terjadi jika anda memecah atau memotong benda menjadi bagian-bagian kecil. Dia berpendapat bahwa anda tidak dapat melanjutkan pekerjaan ini terus menerus. Alih-alih, dia merumuskan bahwa segalanya, termasuk makhluk hidup, terbuat dari partikel dasar yang tak dapat dipotong atau dipecah menjadi bagian-bagian. Dia menyebut partikel pamungkas ini atom, dari kata sifat bahasa Yunani yang berarti “tak dapat dipotong.” Democritus meyakini bahwa setiap fenomena benda merupakan hasil benturan atom-atom. Dalam pandangannya, dijuluki atomisme, semua atom bergerak di sekitar ruang kosong, dan, jika tak ada gangguan, terus bergerak maju tanpa henti. Hari ini kita menyebut gagasan ini sebagai hukum kelembaman.

Ide revolusioner bahwa kita hanyalah penghuni biasa alam semesta, bukan makhluk khusus yang berbeda karena berada di pusat alam semesta, diungkapkan pertama kali oleh Aristarchus (310-230 SM), salah satu ilmuwan terakhir Ionia. Hanya satu perhitungannya yang bertahan, analisa geometri rumit dari pengamatan yang teliti mengenai ukuran bayangan bumi pada bulan selama gerhana bulan. Dia menyimpulkan dari datanya bahwa surya pasti jauh lebih besar dari bumi. Mungkin terinspirasi bahwa benda mungil akan mengorbit pada benda yang jauh lebih besar dan bukan sebaliknya, dia menjadi orang pertama yang berpendapat bahwa bumi bukanlah pusat dari sistem tata surya kita, melainkan bumi dan planet lain mengorbit pada matahari yang jauh lebih besar. Ini  merupakan tahapan kecil dari kesadaran bahwa bumi adalah salah satu planet menuju gagasan bahwa surya bukanlah benda khusus juga. Aristarchus menduga inilah yang benar dan meyakini bahwa bintang-bintang yang kita lihat di langit malam tak lebih dari surya yang amat jauh.

Bangsa Ionia hanyalah salah satu dari masyarakat filsafat Yunani kuno, masing-masing dengan budaya yang berbeda bahkan berlawanan.  Sayangnya, pandangan alam semesta bangsa  Ionia – yang dapat dijelaskan melalui hukum umum dan disederhanakan menjadi serangkaian prinsip sederhana – berpengaruh kuat hanya beberapa abad. Salah satunya karena teori Ionia terlihat tidak memberi tempat pada gagasan kehendak bebas, atau konsep bahwa Tuhan ikut campur dalam bekerjanya dunia. Gagasan menghilangkan peran tuhan atau kehendak bebas ini belum dapat diterima oleh banyak pemikir Yunani sebagaimana gagasan serupa bagi banyak orang hari ini. Filosof Epicurus (341-270 SM), misalnya, menentang atomisme dengan alasan “lebih baik mengikuti mitos dewa-dewa daripada menjadi ‘budak’ takdir para filosof alam.” Aristoteles juga menolak konsep atom karena dia tak dapat menerima bahwa manusia terdiri dari benda-benda yang tak berjiwa. Ide Ionia bahwa alam semesta bukanlah berpusat pada manusia sebenarnya merupakan batu loncatan bagi kita untuk memahami kosmos, tetapi gagasan itu akan dijatuhkan dan tidak diambil lagi, atau diterima secara luas, hingga Galileo, hampir duapuluh abad kemudian.

Meski spekulasi mereka mengenai alam ini sangat mencerahkan, sebagian besar ide orang Yunani kuno tak akan dapat lulus sebagai sains yang valid pada jaman modern. Salah satunya, karena bangsa Yunani belum menemukan metode ilmiah, teori mereka tidak dikembangkan dengan tujuan dapat diverifikasi melalui penelitian. Maka jika seorang ilmuwan berpendapat sebuah atom bergerak dalam garis lurus hingga membentur dengan atom kedua dan ilmuwan lain berpendapat bahwa atom bergerak dalam garis lurus hingga menyentuh benda besar, tidak ada cara yang obyektif untuk menetapkan pendapat itu. Dan juga, tidak ada pembedaan yang jelas antara hukum fisika dan hukum manusia. Pada abad kelima SM, misalnya, Anaximander menulis bahwa semua benda timbul dari substansi primer, dan kembali ke substansi primer itu, supaya mereka tidak “membayar denda dan dihukum atas ketidakadilan mereka.” Dan menurut filsuf Ionia bernama Heraclitus (535 – 475 SM), surya bergerak sedemikian agar dewa keadilan tidak memburunya. Beberapa ratus tahun kemudian Stoics, sekolah para filsuf Yunani yang berdiri sekitar abad ketiga SM, benar-benar membedakan hukum manusia dan hukum alam, namun mereka memasukkan aturan perilaku manusia yang mereka anggap universal – misalnya menyembah Tuhan dan mematuhi orangtua – termasuk dalam hukum alam. Sebaliknya, mereka sering mendefinisikan proses fisika dalam istilah-istilah legal dan meyakini bahwa proses ini butuh pemaksaan, meskipun obyek yang harus “mematuhi” hukum ini sebenarnya tak berjiwa. Jika anda mengira sangat sulit menyuruh manusia untuk mematuhi aturan lalu lintas, maka bayangkan meyakinkan asteroid untuk bergerak di sepanjang kurva lonjong.

Budaya ini terus mempengaruhi para pemikir yang hidup setelah bangsa Yunani selama berabad-abad kemudian. Pada abad ketigabelas filsuf awal Kristen Thomas Aquinas (1225 – 1274) meniru pandangan ini dan memakainya untuk berpendapat tentang keberadaan Tuhan, dia menulis,”Jelas bahwa (benda tak berjiwa) berakhir bukan karena kebetulan tetapi kesengajaan…Karena itu ada dzat maha cerdas yang mengatur segala sesuatu di alam akan berakhir.” Bahkan pada akhir abad keenambelas, ahli astronomi Jerman Johannes Kepler (1571 – 1630) meyakini bahwa planet-planet memiliki persepsi dan secara sadar mematuhi hukum gerakan yang diilhamkan pada “pikiran” mereka.

Gagasan bahwa hukum alam harusnya patuh dengan sengaja mencerminkan keyakinan kuno mengenai mengapa alam berlaku demikian, bukannya mengenai bagaimana alam berlaku. Aristoteles merupakan salah satu pendukung pendekatan kuno ini dengan menolak ide ilmiah yang secara prinsip berdasarkan pengamatan. Pengukuran yang akurat dan hitungan matematis dalam segala hal menyulitkan pada jaman kuno. Notasi sepuluh angka dasar yang sangat nyaman untuk aritmetika baru ditemukan sekitar 700 M saat kaum Hindu mengambil lompatan besar pertama dengan membuat pelajaran aritmetika sebagai alat yang berguna. Tanda plus dan minus baru ditemukan pada abad kelimabelas. Tanda sama dengan atau jam yang dapat mengukur waktu belum ada sebelum abad keenambelas.

Namun, Aristoteles sebenarnya tidak menganggap pengukuran dan hitungan sebagai halangan untuk mengembangkan ilmu fisikan yang dapat menghasilkan prediksi yang kuantitatif. Cuma, dia tidak membutuhkan keduanya. Alih-alih, Aristoteles membangun fisikanya sendiri berdasarkan prinsip-prinsip yang menarik secara intelektual baginya. Dia mengenyampingkan fakta-fakta yang dia temukan tidak menarik dan berfokus pada usahanya mencari sebab-sebab sesuatu terjadi. Dia tidak bersusah-susah mencari detil apa yang sedang terjadi. Aristoteles memang meralat kesimpulannya bila jelas-jelas tidak cocok dengan pengamatan. Namun ralat-ralat ini seringkali berupa penjelasan sementara yang sedikit lebih baik daripada sebuah kontradiksi. Dengan demikian, sejauh apapun menyimpang teorinya dari kenyataan, dia selalu dapat memelintirnya sehingga terkesan tidak ada masalah. Contohnya, teori gerakannya yang menyatakan bahwa benda berat jatuh dengan kecepatan konstan yang proporsional dengan berat benda itu. Untuk menjelaskan fakta bahwa benda jelas-jelas bertambah cepat ketika jatuh, dia menciptakan prinsip baru – benda itu menjadi sangat gembira sehingga bertambah cepat, ketika semakin dekat dengan tempatnya beristirahat. Orang jaman sekarang menganggap Aristoteles menggambarkan benda seperti orang tertentu daripada sesuatu yang tak berjiwa. Meskipun teori-teori Ariistoteles hanya memiliki nilai prediksi yang rendah, pendekatannya terhadap ilmu telah mendominasi pemikiran Barat selama hampir dua ribu tahun.

Penerus kaum Kristen Yunani menolak gagasan bahwa alam semesta diatur oleh hukum alam yang remeh. Mereka juga menolak gagasan bahwa manusia tidak menempati posisi istimewa di alam semesta. Dan meskipun abad pertengahan tidak memiliki sistem filsafat yang tunggal, tema utamanya adalah bahwa alam semesta merupakan rumah boneka Tuhan dan agama merupakan hal yang jauh lebih berharga daripada fenomena alam. Bahkan, pada tahun 1277 Bishop Tempier dari Paris, sebagai pelaksana titah Paus John XXI, menerbitkan sebuah daftar berisi 219 kesalahan bid’ah yang terkutuk. Di antara bid’ah itu adalah gagasan bahwa alam bekerja menurut hukum tertentu, karena ini bertentangan dengan kekuasaan Tuhan. Menariknya, Paus John meninggal karena pengaruh hukum gravitasi beberapa bulan kemudian ketika atap istananya jatuh mengenainya.

long reign

Konsep modern mengenai hukum alam muncul pada abad ketujuhbelas. Mungkin Kepler adalah ilmuwan pertama yang memahami konsep ini dalam sistem sains modern, meskipun seperti kami sebutkan di atas, dia mempertahankan pandangan animismenya mengenai benda fisik. Galileo (1564 – 1642) tidak memakai istilah “hukum” dalam sebagian besar karya ilmiahnya (meskipun kata ini tampak dalam beberapa terjemahan karyanya). Namun, dia pakai istilah itu atau tidak, Galileo sungguh menemukan sangat banyak hukum, dan mendukung prinsip utama bahwa pengamatan adalah dasar sains dan tujuan sains adalah untuk menyelidiki hubungan kuantitatif yang ada antara fenomena fisik. Tetapi orang pertama yang secara terbuka dan tegas merumuskan konsep hukum alam sebagaimana kita memahaminya adalah Rene Descartes (1596 – 1650).

Descartes yakin bahwa semua fenomena fisik harus dijelaskan dalam kaitannya dengan benturan massa yang bergerak, yang diatur oleh tiga hukum – dirintis oleh hukum gerakan Newton yang terkenal. Dia menegaskan bahwa hukum-hukum alam itu berlaku di semua ruang dan waktu, menegaskan dengan terbuka bahwa kepatuhan terhadap hukum-hukum ini berarti bahwa benda-benda bergerak memiliki pikiran. Descartes juga memahami pentingnya apa yang hari ini kita sebut “kondisi awal.” Maksudnya kondisi sistem pada permulaan sembarang waktu di mana seseorang meneliti untuk membuat prediksi. Bila rangkaian kondisi awal diketahui, hukum alam akan menentukan bagaimana sebuah sistem akan berevolusi terhadap waktu, namun tanpa rangkaian kondisi awal yang tertentu, evolusi tak dapat ditetapkan. Contohnya, jika pada waktu nol merpati tepat di atas kepala kita menjatuhkan sesuatu, lintasan benda jatuh dapat ditentukan dengan hukum Newton. Tetapi hasilnya akan sangat berbeda bergantung apakah, saat waktu nol, merpati masih bertengger di atas kabel telepon atau terbang dengan kecepatan 32 kilometer per jam. Untuk menerapkan hukum fisika, seseorang harus tahu bagaimana sebuah sistem dimulai, atau setidaknya kondisinya dalam waktu tertentu. (seseorang juga bisa memakai hukum untuk menelusur sistem ke belakang dalam waktu.)

Dengan keyakinan baru mengenai keberadaan hukum alam muncullah upaya-upaya untuk mendamaikan hukum-hukum itu dengan konsep Tuhan. Menurut Descartes, Tuhan bisa mengubah-ubah dalil etika atau teorema matematika, tetapi tidak mengubah alam. Dia meyakini bahwa Tuhan menetapkan hukum alam tetapi tidak punya pilihan lain dalam hukum itu; dia memilih hukum-hukum itu sebab hukum yang kita alami adalah satu-satunya hukum yang mungkin. Tampaknya ini berbenturan dengan kewenangan Tuhan, tetapi Descartes meluruskannya dengan menyatakan bahwa hukum itu tak dapat berubah karena merupakan pencerminan dari sifat bawaan Tuhan sendiri. Jika ini benar, seseorang mungkin berpikir bahwa Tuhan masih mempunyai pilihan untuk menciptakan beragam dunia yang berbeda, setiap dunia memiliki serangkaian kondisi awal yang berbeda, namun Descartes juga menolak hal ini. Apapun penyusunan materi pada permulaan alam semesta, menurutnya, terhadap waktu sebuah dunia yang identik dengan dunia kita  akan berevolusi. Apalagi, menurut Descartes, setelah Tuhan selesai mengatur dunia ini berjalan, dia meninggalkannya sendirian.

Pendapat yang serupa (dengan beberapa perkecualian) juga dikemukakan oleh Isaac Newton (1643-1727). Newton adalah seseorang yang mendapat pengakuan luas mengenai konsep modern hukum ilmiah tentang tiga hukum gerakan dan hukum gravitasi, yang berlaku untuk orbit bumi, bulan dan planet-planet, dan menjelaskan fenomena seperti laut pasang. Persamaan matematika yang sarat manfaat, dan kerangka kerja matematika yang kita punya sekarang berasal darinya, masih diajarkan sampai hari ini, dan berguna kapanpun saat seorang arsitek merancang sebuah gedung, seorang insinyur merancang sebuah mobil, atau seorang fisikawan menghitung bagaimana mendaratkan roket ke Mars. Seperti kata pujangga Alexander Pope:

Alam dan Hukum Alam bersembunyi di malam yang gelap:

Tuhan berkata, Jadilah Newton! Dan semuanya gemerlap.

Hari ini para ilmuwan akan berkata bahwa hukum alam adalah sebuah aturan yang berdasarkan kebiasaan yang diamati dan menghasilkan prediksi-prediksi yang melampaui kondisi saat kejadian itu berlangsung. Contohnya, mungkin kita memperhatikan bahwa matahari telah terbit di timur tiap pagi dalam kehidupan kita, dan kita menyimpulkan hukum “Matahari selalu terbit di timur.” Ini merupakan generalisasi yang melampaui pengamatan terbatas kita mengenai terbitnya matahari dan membuat prediksi yang dapat diuji mengenai masa depan. Pada sisi lain, pernyataan seperti “ Komputer pada kantor ini berwarna hitam” bukanlah hukum alam karena ini hanya berkaitan dengan komputer-komputer di kantor dan tidak membuat prediksi seperti “Jika kantor saya membeli komputer baru maka pasti warnanya hitam.”

Pemahaman kita terkini mengenai istilah “hukum alam” merupakan bahan perdebatan para  filsuf sejak lama, dan hal ini masih gelap untuk seseorang yang pertama memikirkannya. Contohnya, filsuf John W. Carroll membandingkan pernyataan “Semua bola emas diameternya kurang dari 1,6 kilometer” dengan pernyataan “Semua bola uranium-235 diameternya kurang dari 1,6 kilometer.” Pengamatan kita akan menyimpulkan bahwa tidak ada bola emas yang diameternya lebih besar dari 1,6 kilometer, dan kita merasa pasti bahwa emas demikian ini tidak akan ada. Namun, kita tidak punya alasan untuk mempercayai bahwa hal ini tidak akan ada, maka pernyataan ini tidak dianggap sebagai hukum. Sedangkan pernyataan “Semua bola uranium-235 diameternya kurang dari 1,6 kilometer” dapat dipertimbangkan sebagai hukum alam sebab, menurut apa yang kita ketahui mengenai fisika nuklir, segera setelah uranium-235 diameternya membesar lebih dari kira-kira enam inci, dia akan menghancurkan dirinya sendiri dalam sebuah ledakan nuklir. Maka kita menjadi yakin bahwa bola demikian tidak ada. (Atau bukanlah ide yang baik untuk membuatnya!) Perbedaan kedua pernyataan di atas benar-benar penting karena menunjukkan bahwa tidak semua generalisasi yang kita amati dapat dipertimbangkan sebagai hukum alam, dan sebagian besar hukum alam merupakan bagian dari sistem hukum lebih besar yang saling berhubungan.

Dalam sains modern, hukum alam biasanya dituliskan dalam matematika. Hukum alam bisa sesuatu yang pasti atau perkiraan, namun hukum alam harus telah diamati tetap berlaku tanpa perkecualian – jika tidak universal, maka setidaknya berlaku dalam serangkaian kondisi tertentu. Contohnya, sekarang kita tahu bahwa hukum Newton harus diperbaiki bila benda bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Namun kita masih menganggap hukum Newton sebagai hukum sebab hukum Newton masih berlaku, setidaknya perkiraannya sangat bagus, untuk kondisi-kondisi keseharian, di mana kecepatan yang kita catat masih jauh di bawah kecepatan cahaya.

Jika alam dikendalikan oleh hukum, tiga pertanyaan muncul:

  1. Darimana hukum berasal?
  2. Apakah ada perkecualian pada hukum, misalnya, mu’jizat?
  3. Apakah hanya ada satu serangkaian hukum yang mungkin?

Pertanyaan-pertanyaan ini telah dijawab dengan beragam cara oleh para ilmuwan, filsuf dan agamawan. Jawaban secara tradisional untuk pertanyaan pertama – jawaban dari Kepler, Galileo, Descartes, dan Newton – adalahasil hukum merupakan hasil karya Tuhan. Namun, pengertian tentang Tuhan tak lebih dari sekedar pengatur hukum alam. Kecuali seseorang mencoba memperjelas definisi Tuhan dengan sifat-sifat lain, seperti Tuhan dalam Perjanjian Lama, memakai Tuhan sebagai jawaban atas pertanyaan pertama hanyalah sekedar mengganti satu misteri dengan misteri lainnya. Maka jika kita melibatkan Tuhan sebagai jawaban dalam pertanyaan pertama, terjadi benturan seiring pertanyaan kedua: apakah mu’jizat-mu’jizat ini merupakan perkecualian pada hukum alam?

Pendapat-pendapat mengenai jawaban pertanyaan kedua terbagi tajam. Plato dan Aristoteles, penulis Yunani kuno yang sangat berpengaruh, menegaskan bahwa tak ada perkecualian dalam hukum. Namun bila seseorang mengambil pendapat dari Injil, maka Tuhan tak hanya menciptakan hukum tetapi dapat mengabulkan doa hamba-Nya untuk membuat perkecualian – menyembuhkan penyakit parah, menghentikan tiba-tiba paceklik, atau memasukkan croquet sebagai cabang olahraga dalam olimpiade. Belawanan dengan pendapat Descartes, hampir semua pemikir Kristen menegaskan bahwa Tuhan dapat membekukan hukum untuk melakukan mu’jizat. Bahkan Newton sekalipun meyakini mu’jizat yang demikian. Dia berpendapat bahwa orbit planet-planet akan tidak stabil karena gaya tarik gravitasi antar planet akan mengganggu orbit-orbit itu. Gangguan ini makin lama makin membesar sehingga lambat laun planet-planet akan terjatuh ke dalam matahari atau keluar dari tata surya. Tuhan pasti terus-menerus mengeset ulang orbit-orbit, menurutnya, atau “jaga bintang-bintang agar tidak jatuh.” Tetapi, Pierre-Simon, marquis de Laplace (1749-1827), terkenal sebagai Laplace, berpendapat bahwa gangguan ini sifatnya berkala, yang ditandai dengan siklus yang berulang, bukannya kumulatif. Maka tata surya akan mengeset ulang dirinya sendiri, dan tidak perlu adanya intervensi spiritual untuk menjelaskan mengapa tata surya tetap bertahan hingga hari ini.

Laplace-lah yang biasanya dianggap orang pertama yang secara jelas merumuskan determinisme ilmiah: berikan data kondisi alam semesta pada satu waktu, maka serangkaian hukum alam lengkap akan dapat menentukan masa depan ataupun masa lalu. Teori ini jelas mementahkan kemungkinan adanya mu’jizat atau peran aktif Tuhan. Determinisme ilmiah yang dirumuskan oleh Laplace merupakan jawaban ilmuwan modern untuk pertanyaan kedua. Pada kenyataannya inilah dasar semua sains modern, dan sebuah prinsip yang penting dalam keseluruhan buku ini. Hukum ilmiah bukanlah hukum ilmiah jika hanya berlaku saat Sang Supranatural memutuskan tidak ikut campur. Ketika membaca ini, Napoleon disebut pernah bertanya kepada Laplace bagaimana memasukkan Tuhan dalam gambaran ini. Laplace menjawab: ”Tuanku, saya belum memerlukan hipotesa itu.”

Karena manusia hidup di alam semesta dan berinteraksi dengan benda lain di dalamnya, maka determinisme ilmiah harus berlaku bagi manusia juga. Namun, banyak orang ketika mengakui bahwa determinisme ilmiah mengatur proses-proses fisik, mengecualikan perilaku manusia sebab mereka yakin kita mempunyai kehendak-bebas. Misalnya, Descartes, untuk mempertahankan ide kehendak bebas, menegaskan bahwa pikiran manusia adalah sesuatu yang berbeda dengan dunia fisik sehingga tidak mengikuti hukum ini. Descartes berpandangan bahwa manusia terdiri dari dua bahan, badan dan jiwa. Badan hanyalah mesin biasa, sedangkan jiwa tidak mengikuti hukum ilmiah. Descartes sangat tertarik pada anatomi dan fisiologi dan mengamati organ mungil di pusat otak, disebut kelenjar pineal, sebagai tempat utama jiwa. Dia meyakini bahwa kelenjar itu sebagai tempat di mana semua ide dibentuk, sumber bagi jiwa kita.

Mu'jizat

Apakah manusia punya kehendak bebas? Jika kita punya kehendak bebas, di mana anugrah ini berkembang pada pohon evolusi? Apakah ganggang biru-hijau atau bakteri punya kehendak bebas, atau apakah tindakan mereka otomatis dan dalam lingkup hukum ilmiah? Apakah hanya organisme multisel yang punya kehendak bebas, atau hanya mamalia? Mungkin kita berpikir bahwa simpanse melatih kehendak bebas saat memilih pisang, atau saat seekor kucing merobek-robek sofa anda, namun bagaimana dengan cacing gelang yang disebut Caenorhabditis elegans – makhluk sederhana yang hanya terdiri dari 959 sel? Mungkin dia tak pernah berpikir,”Itu bakteri busuk yang lezat untuk makan malamku di belakang sana.” Namun dia juga punya preferensi makanan yang jelas dan akan menerima makanan yang tidak menarik atau tetap mencari yang lebih lezat, bergantung pada pengalaman terkini. Apakah ini merupakan latihan kehendak bebas?

Meskipun kita merasa bahwa kita memilih apa yang kita lakukan, pemahaman kita mengenai dasar molekul biologi menunjukkan bahwa proses biologi dikendalikan oleh hukum fisika dan kimia sehingga dapat ditentukan sebagaimana orbit planet. Penelitian terkini dalam ilmu saraf mendukung bahwa otak kita mengikuti hukum alam yang lazim, yang menentukan tindakan kita, dan bukannya sesuatu perantara yang berada di luar hukum-hukum itu. Contohnya, sebuah studi tentang pasien yang tetap terjaga saat pembedahan otak, menemukan dengan cara rangsangan listrik, daerah-derah yang cocok pada otak, yang dapat menciptakan kehendak pada pasien untuk menggerakkan tangan, lengan atau kaki atau untuk menggerakkan bibir atau berbicara. Sulit untuk membayangkan bagaimana kehendak bebas bekerja bila tindakan kita ditentukan oleh hukum fisik. Maka tampaknya kita sekedar sebuah mesin biologi dan bahwa kehendak bebas hanyalah ilusi.

Saat mengakui bahwa tindakan manusia jelas-jelas ditentukan oleh hukum alam, tampaknya masuk akal untuk menyimpulkan bahwa hasil tindakan itu ditentukan melalui cara yang sedemikian rumit dan dengan begitu banyak peubah yang secara praktis mustahil diramalkan. Seseorang perlu pengetahuan mengenai kondisi awal dari tiap ribuan-triliunan molekul dalam tubuh manusia dan menyelesaikannya dengan banyak persamaan matematika. Tentu proses ini membutuhkan beberapa milyar tahun, sehingga terlambat untuk menganalisa saat manusia bersangkutan ingin meniup.

Karena tidak praktis memakai hukum fisika untuk meramalkan tindakan manusia, kami memakai apa yang disebut teori efektif (effective theory). Pada ilmu fisika, teori efektif adalah sebuah kerangka kerja yang diciptakan untuk memodelkan fenomena teramati tertentu tanpa menjabarkannya secara rinci seluruh proses-proses yang mendasarinya. Contohnya, kami tidak dapat menyelesaikan dengan tepat persamaan yang mengatur interaksi gravitasi pada tiap atom di dalam tubuh manusia dengan tiap atom di bumi. Namun untuk tujuan praktis, gaya gravitasi antara seseorang dengan bumi dapat dijabarkan hanya dengan beberapa angka, misalnya massa total seseorang. Demikian pula kami tidak dapat menyelesaikan persamaan yang mengatur perilaku atom-atom dan molekul yang rumit, namun kami telah mengembangkan teori efektif yang disebut kimia yang menyediakan penjelasan memadai tentang bagaimana atom-atom dan molekul-molekul bertindak dalam reaksi kimia tanpa mempertimbangkan tiap detil interaksi-interaksinya. Pada kasus manusia, karena kami tidak dapat menyelesaikan persamaan yang menentukan tindakan kita, kami memakai teori efektif bahwa manusia punya kehendak bebas. Penelitian mengenai kehendak kita, dan tindakan yang timbul darinya, merupakan ilmu psikologi. Ekonomi juga merupakan teori efektif, berdasarkan gagasan kehendak bebas ditambah asumsi bahwa manusia mengevaluasi peluang-peluang tujuan tindakan dan memilih yang terbaik. Teori efektif hanya berhasil sedang-sedang saja dalam menduga berdasarkan perilaku manusia sebab, sebagaimana kita tahu, putusan-putusan seringkali tidak rasional atau berdasarkan analisa akibat pilihan yang keliru.

Pertanyaan ketiga mengenai apakah hukum alam yang mengatur alam semesta dan perilaku manusia adalah unik. Jika jawaban anda untuk pertanyaan pertama adalah Tuhan yang menciptakan hukum, maka pertanyaan ini berbunyi, apakah Tuhan bebas memilihnya? Baik Aristoteles  maupun Plato meyakini, seperti Descartes dan lalu Einstein, bahwa prinsip-prinsip alam adalah sesuatu yang “niscaya”, karena hanya aturan-aturan itu yang masuk akal. Karena keyakinannya bahwa asal-usul hukum alam adalah logis, Aristoteles dan pengikutnya merasa bahwa seseorang dapat “menurunkan” hukum-hukum itu tanpa memperhatikan bagaimana alam sebenarnya bertindak. Karena fokusnya pada mengapa benda mengikuti aturan bukannya secara spesifik berfokus pada apakah hukum-hukum itu, hal itu mengarahkannya pada hukum kualitatif utama yang sering salah dan dalam sembarang kasus tidak terbukti bermanfaat, bahkan meskipun mereka memang mendominasi pemikiran ilmiah selama berabad-abad. Hanya baru-baru ini saja orang-orang seperti Galileo berani menantang wewenang Aristoteles dan mengamati bahwa alam memang hanya sekedar bekerja, bukannya “alasan” murni bahwa alam harus bekerja.

Buku ini berakar pada konsep determinisme ilmiah, yang berarti bahwa jawaban atas pertanyaan kedua adalah tidak ada mu’jizat, atau perkecualian pada hukum alam. Namun, kami akan kembali membahas lebih dalam pertanyaan pertama dan ketiga, mengenai bagaimana hukum timbul dan apakah hanya ada satu hukum yang mungkin. Namun pada bab selanjutnya kami akan membahas dulu apakah yang hukum alam jabarkan. Sebagian besar ilmuwan akan berkata bahwa itu hanya cerminan matematis dari realitas eksternal yang keberadaannya mandiri dari pengamat yang melihatnya. Namun saat kita merenungi tujuan di dalam apa yang kita amati dan membentuk konsep-konsep tentang apa yang ada di sekeliling kita, kita akan membentur ke satu pertanyaan, apakah kita benar-benar punya alasan untuk meyakini bahwa apakah realitas tujuan benar-benar ada?

Contoh lain kenyataan alternatif terjadi dalam film fiksi ilmiah The Matrix, di mana manusia secara tak sadar hidup dalam kenyataan semu tersimulasi yang diciptakan oleh komputer cerdas agar mereka dapat ditaklukkan dan dijinakkan saat computer menyerap energi biolistrik mereka (apapun artinya itu)

Beberapa tahun yang lalu dewan kota Monza, Italia, melarang pemelihara binatang untuk memelihara ikan emas di dalam toples lengkung. Sponsor larangan ini menjelaskan sebagian larangan ini dengan mengatakan bahwa adalah kejam memelihara ikan di dalam toples lengkung karena, ketika menatap ke luar toples, ikan akan mengalami pembelokan pandangan mengenai kenyataan. Tapi bagaimana kita mengetahui kita mempunyai gambaran kenyataan yang benar dan tidak terbelokkan? Tidak mungkinkah kita sendiri berada dalam toples ikan raksasa dan pandangan kita terbelokkan oleh lensa-lensa yang sangat besar? Gambaran kenyataan menurut ikan emas berbeda dari pandangan kita, namun yakinkah kita pandangan ikan emas itu kurang nyata?

Pandangan ikan emas tidaklah sama dengan pandangan kita, namun ikan emas masih dapat merumuskan hukum ilmiah yang mengatur gerakan benda yang mereka amati di luar toples. Contohnya, karena ada pembelokan, benda yang bergerak bebas yang kita amati bergerak di garis lurus akan diamati oleh ikan emas bergerak di sepanjang jalur lengkung. Namun, ikan emas dapat merumuskan hukum ilmiah dari kerangka acuan terbelokkan mereka bahwa rumusan itu akan selalu berlaku benar dan membuat mereka mampu menduga mengenai gerakan mendatang dari benda di luar toples. Hukum mereka akan lebih rumit daripada hukum di dalam kerangka kita, tetapi kesederhanaan hanya masalah selera. Jika ikan emas merumuskan teori demikian, kita harus mengakui bahwa pandangan ikan emas merupakan gambaran kenyataan yang memadai.

Contoh terkenal dari perbedaan gambaran kenyataan adalah model yang diperkenalkan sekitar tahun 150 oleh Ptolomeus (85-165) untuk menggambarkan gerakan benda-benda langit. Ptolomeus menerbitkan hasil karyanya dalam tesis tigabelas buku yang dikenal dengan judul arab, Almagest. Almagest dimulai dari menjelaskan alasan-alasan mengenai gagasan bahwa bumi bulat, tidak bergerak, berada di pusat alam semesta, dan amat sangat kecil dibandingkan jarak antar bintang. Terlepas dari model heliosentris Aristarchus, keyakinan ini dipegang oleh orang terpelajar Yunani setidaknya selama masa Aristoteles, yang meyakini alas an mistik bahwa bumi seharusnya menjadi pusat alam semesta. Dalam model Ptolomeus bumi diam di pusat dan planet-planet dan bintang mengitarinya dalam orbit rumit berbentuk episiklus, seperti roda di dalam roda.

Model ini terlihat alami sebab kita tidak merasa bumi yang kita pijak bergerak (kecuali saat gempa bumi atau saat kita mabuk). Kemudian orang eropa belajar berdasarkan sumber Yunani yang telah diwariskan, sehingga ide Aristoteles dan Ptolomeus menjadi dasar sebagian besar pemikiran Barat. Model alam semesta Ptolomeus diadopsi oleh Gereja Katolik dan diberlakukan sebagai doktrin resmi selama 1400 tahun. Baru pada tahun 1543 ada model alternatif oleh Copernicus dalam bukunya De revolutionibus orbium coelestium (Mengenai Revolusi Benda-Benda Langit), diterbitkan baru pada tahun kematiannya (meskipun dia telah mengerjakan teori ini selama beberapa dekade).

Copernicus, seperti Aristarchus sekitar tujuhbelas abad yang lalu, menggambarkan sebuah dunia di mana surya diam dan planet-planet mengitarinya dalam orbit lingkaran. Meski gagasan ini tidaklah baru, kemunculannnya menghadapi perlawanan yang sengit. Model Copernicus dinyatakan melawan Injil, yang ditafsiri mengandung ajaran bahwa planet-planet mengitari bumi, meskipun Injil tak pernah jelas menyatakan demikian. Nyatanya, pada waktu injil ditulis, orang meyakini bahwa bumi itu datar. Model Copernicus mengarah ke perdebatan seru apakah bumi diam, yang berpuncak pada pengadilan Galileo atas tuduhan bid’ah pada tahun 1633 karena mendukung model Copernicus dan mempunyai pemikiran “bahwa seseorang boleh berpegang dan mempertahankan pendapatnya setelah pendapat itu dinyatakan  dan dianggap melawan Ayat-Ayat Suci.” Dia dinyatakan bersalah, dipenjara  seumur hidup dan dipaksa untuk menarik kembali pernyataannya. Diriwayatkan dia selalu berbisik “Eppur si muove,””Tapi itu tetap bergerak.” Pada tahun 1992 Gereja Katolik Roma akhirnya mengakui bahwa adalah suatu kesalahan menghukum Galileo.

Jadi mana yang nyata, sistem Ptolomeus atau Copernicus? Meskipun bukanlah ganjil bagi orang-orang ketika berkata bahwa Copernicus membuktikan bahwa Ptolomeus salah, hal ini tidaklah benar. Seperti pada kasus pandangan normal kita dengan pandangan ikan emas, orang dapat memakai salah satu dari kedua sistem itu sebagai model alam semesta. Untuk mengamati bintang-bintang, kita dapat mengasumsikan apakah bumi atau surya yang diam. Terlepas dari perannya dalam debat filosofis mengenai sifat alam semesta, keuntungan model Copernicus adalah sederhana yaitu persamaan gerakan jauh lebih mudah dalam kerangka acuan di mana surya dalam keadaan diam.

Contoh lain kenyataan alternatif terjadi dalam film fiksi ilmiah The Matrix, di mana manusia secara tak sadar hidup dalam kenyataan semu tersimulasi yang diciptakan oleh komputer cerdas agar mereka dapat ditaklukkan dan dijinakkan saat computer menyerap energi biolistrik mereka (apapun artinya itu). Mungkin film ini tidaklah terlalu fiksi karena banyak orang lebih suka menghabiskan waktunya dalam situs kenyataan tersimulasi seperti Second Life. Bagaimana kita tahu bahwa kita bukanlah sekedar karakter dalam opera sabun yang dikendalikan komputer? Jika kita hidup dalam dunia imaginer buatan, kejadian tidak harus masuk akal atau konsisten atau mengikuti sembarang hukum. Alien pengendali mungkin tertarik atau menikmati reaksi kita, misalnya, ketika bulan purnama terbelah dua (QS Al-Qomar (54):1, penerjemah), atau tiap orang di dunia sedang demam kue krim pisang. Namun jika alien memang memberlakukan hukum yang konsisten, tak mungkin kita bisa mengetahui bahwa ada kenyataan lain di balik kenyataan simulasi ini. Mudah untuk menggolongkan dunia tempat alien hidup sebagai “dunia nyata” dan dunia buatan sebagai “dunia palsu.” Tetapi jika – seperti kita – sesuatu yang berada di dalam dunia simulasi dapat menatap alam semesta dari luar, maka mereka akan meragukan pandangan mereka sendiri mengenai kenyataan. Ini merupakan versi modern dari gagasan bahwa kita semua adalah imaginasi dari impian orang lain.

Contoh-contoh ini membawa kita pada kesimpulan yang penting dalam buku ini: Tidak ada konsep gambaran kenyataan atau konsep teori kenyataan yang mandiri. Alih-alih, kami akan mengadopsi pandangan yang kami sebut realisme-menurut-model: gagasan bahwa teori fisik atau gambaran dunia adalah sebuah model (umumnya dalam bentuk matematis) dan seperangkat aturan yang menghubungkan bagian-bagian model dengan pengamatan. Ini menghasilkan kerangka kerja yang dengannya kami menafsiri sains modern.

Realisme menurut-model dapat menyediakan sebuah kerangka kerja untuk membahas pertanyaan-pertanyaan seperti berikut: Jika dunia diciptakan beberapa waktu terhingga yang lalu, apa yang terjadi sebelumnya? Filosof Kristen awal, St. Augustine (354-430), mengatakan bahwa jawabannya bukanlah Tuhan sedang menyiapkan neraka bagi orang-orang yang bertanya demikian, tetapi bahwa waktu adalah sifat dunia yang Tuhan ciptakan dan waktu tidaklah ada sebelum penciptaan, yang dia yakin telah terjadi belum lama lalu.


Para filosof sejak Plato telah berdebat selama bertahun-tahun mengenai sifat-sifat kenyataan. Sains klasik berdasarkan pada keyakinan bahwa ada dunia luar yang nyata di mana sifat-sifatnya tertentu dan tidak tergantung dari pengamat yang menilainya. Menurut sains klasik, benda-benda tertentu memang ada dan memiliki sifat-sifat fisik, misalnya kecepatan dan massa, yang nilainya sangat jelas. Dalam pandangan ini teori kami adalah usaha-usaha untuk menggambarkan benda-benda itu dan sifat-sifat mereka, dan pengukuran dan persepsi kami  berkaitan dengan mereka. Pengamat dan yang diamati merupakan bagian dari dunia yang obyektif, dan sembarang perbedaan antara keduanya tidaklah berarti. Dengan kata lain, jika anda melihat sekawanan zebra berebut tempat di garasi, maka itu karena memang ada sekawanan zebra berebut tempat di garasi. Semua pengamat yang lain yang melihat akan mengukur sifat-sifat yang sama, dan sekawanan zebra akan tetap memiliki sifat-sifat itu meskipun sembarang orang mengamati atau tidak. Dalam filsafat, keyakinan ini disebut realisme.

Meskipun realisme merupakan sudut pandang yang menarik, nanti akan kita lihat, apa yang kami tahu mengenai fisika modern membuat realisme sulit dipertahankan. Contohnya, menurut prinsip-prinsip fisika kuantum, yang merupakan gambaran akurat mengenai alam, sebuah partikel tidak mempunyai posisi atau kecepatan tertentu kecuali dan hingga posisi dan kecepatan ini diukur oleh seorang pengamat. Karena itu, tidak benar mengatakan bahwa suatu pengukuran memberikan hasil tertentu karena kuantitas yang sedang diukur mempunyai nilai tersebut saat pengukuran. Nyatanya, pada beberapa kasus benda-benda bahkan tidak mempunyai keberadaan mandiri namun sekedar ada sebagai bagian dari susunan yang terdiri dari banyak benda. Dan jika suatu teori yang disebut prinsip holografik terbukti benar, kita dan dunia empat dimensi kita mungkin hanya bayangan di tepian ruang-waktu lima dimensi yang lebih besar. Pada kasus ini, status kita di alam semesta serupa dengan status ikan emas.

Ahli realisme yang kolot sering berpendapat bahwa bukti  di mana teori ilmiah menggambarkan kenyataan bersandar pada keberhasilan mereka. Namun teori-teori lain dapat berhasil menggambarkan fenomena yang sama melalui kerangka kerja konsep yang berbeda. Nyatanya, banyak teori ilmiah yang telah berhasil dibuktikan kemudian diganti oleh teori lain yang sebanding berdasarkan konsep baru mengenai kenyataan yang sama sekali baru.

Secara tradisional, orang-orang yang tidak mengakui realisme disebut anti-realis. Anti realis berpandangan ada perbedaan antara pengetahuan empirik dan pengetahuan teori. Mereka biasanya berpendapat bahwa pengamatan dan penelitian memang bermanfaat tetapi teori-teori  ini hanyalah sekedar instrumen yang tidak memunculkan kebenaran yang lebih dalam berdasakan fenomena yang diamati.  Beberapa anti realis bahkan telah membatasi sains hanya untuk benda-benda yang dapat diamati. Untuk alasan ini, banyak ilmuwan pada abad sembilanbelas menolak gagasan-gagasan mengenai atom dengan alasan kita tak penah melihatnya. George Berkeley (1685-1753) bahkan pergi lebih jauh dengan mengatakan tidak ada apapun selain pikiran dan gagasan-gagasannya. Ketika seorang teman mengatakan pada Pengarang dan Leksikografer Inggris Dr. Samuel Johnson (1709-1784) bahwa tidak mungkin pendapat Berkeley dibantah, diriwayatkan Johson menanggapinya dengan berjalan menuju batu besar, menendangnya dan berseru.”Karena itu aku menolaknya.” Tentunya rasa sakit Dr Johnson yang dirasakan pada kakinya juga merupakan gagasan dalam pikirannya, maka sebenarnya dia tidak menolak gagasan Berkeley. Namun tindakannya ini  benar-benar menggambarkan pandangan filosof David Hume (1711-1776) yang menulis bahwa meskipun kita tidak mempunyai alasan kuat untuk memercayai kenyataan obyektif, kita tidak mempunyai pilihan selain bertindak seolah-olah itu ada.

Realisme-menurut-model mengambil inti semua pendapat dan diskusi dari para filosof realis dan anti-realis.


Menurut realisme menurut-model, tak penting bertanya apakah model ini nyata, yang penting apakah model ini sesuai dengan pengamatan. Jika ada dua model yang keduanya sesuai dengan pengamatan, seperti gambaran ikan emas dan gambaran kita, maka seseorang tak dapat mengatakan bahwa model yang satu lebih nyata dari model yang lain. Seseorang bisa memakai model manapun yang lebih nyaman pada situasi yang dia sadari. Contohnya, jika  seseorang di dalam toples, pandangan ikan emas akan berguna, tapi untuk yang berada di luar, akan sangat tidak nyaman melukiskan kejadian-kejadian dari galaksi yang jauh dengan memakai kerangka kerja sebuah toples di bumi, terutama karena toples akan bergerak seiring bumi mengitari matahari dan mengitari porosnya.

Kami membuat model pada sains, tetapi kami juga membuat model dalam kehidupan sehari-hari. Realisme menurut-model berlaku tidak hanya pada model ilmiah tetapi juga pada model mental sadar dan bawah-sadar yang kita semua ciptakan untuk menafsiri dan memahami dunia sehari-hari. Tak mungkin menghilangkan pengamat – kita – dari persepsi kita tentang dunia, yang tercipta melalui pemrosesan indera kita  dan melalui bagaimana kita berpikir dan berpendapat. Persepsi kita – dan tentunya pengamatan di mana teori-teori berdasar  — bukanlah langsung, tetapi lebih dibentuk oleh jenis lensa, struktur penafsiran dari otak manusia.

Realisme menurut-model bersesuaian dengan cara kita menanggapi benda. Ketika melihat benda, otak seseorang menerima sinyal-sinyal berurutan dari saraf penglihatan. Sinyal ini bukan berupa sejenis gambar yang anda lihat di televisi. Ada titik buta di mana saraf penglihatan bertaut dengan retina, dan satu-satunya bagian area penglihatan anda dengan resolusi yang baik adalah daerah sempit sekitar 1 derajat sudut visual sekitar pusat retina, daerah selebar jempol anda bila ditaruh di lengan. Maka data mentah yang dikirim ke otak adalah seperti gambar buruk dengan lubang di dalamnya. Untungnya, otak manusia memroses data itu, menggabungkan input dari kedua mata, mengisi celah-celah dengan asumsi bahwa sifat-sifat visual dari lokasi yang berdekatan adalah serupa dan otak lalu menyisipkannya. Malahan otak membaca kisaran data dua-dimensi dari retina lalu menciptakan darinya kesan ruang tiga-dimensi. Dengan kata lain, otak membangun gambaran mental atau model.

Otak begitu bagus dalam membangun model sehingga jika orang yang memakai kacamata yang membalik gambar atas-bawah pada mata mereka, setelah beberapa saat otak mereka akan mengubah model sehingga mereka kembali melihat benda-benda itu tidak terbalik. Jika kacamata itu lalu dilepaskan, mereka melihat dunia terbalik untuk sesaat kemudian beradaptasi kembali. Ini menunjukkan bahwa apa yang orang maksudkan saat mengatakan “Saya melihat kursi” hanyalah berarti bahwa dia telah memakai cahaya yang dipancarkan oleh kursi untuk membangun gambaran mental atau model dari kursi itu. Jika model itu terbalik, untungnya otaknya akan membetulkannya sebelum dia mencoba duduk di kursi itu.

Masalah lain yang realisme menurut-model pecahkan, atau setidaknya menghindarinya, adalah pengertian keberadaan. Bagaimana saya tahu bahwa meja itu tetap ada jika saya keluar kamar dan tak dapat melihatnya? Apakah maksudnya saat kita berkata bahwa benda-benda yang tak dapat kita lihat, semisal elektron atau kuark – partikel yang dikatakan membentuk proton dan neutron – ada ? Seseorang dapat mempunyai model di mana meja itu hilang saat saya keluar kamar dan tampak lagi pada tempat yang sama ketika saya kembali, namun tentunya ini akan terasa tidak nyaman. Dan bagaimana bila sesuatu terjadi saat saya keluar, misalnya langit-langit roboh? Dengan memakai model meja-hilang-saat-saya-keluar-kamar, bagaimana saya memahami kenyataan bahwa lain kali saya masuk, meja tampak kembali pecah, di bawah reruntuhan langit-langit? Model di mana meja tetap di tempatnya adalah jauh lebih sederhana dan cocok dengan pengamatan. Ini adalah yang semua orang inginkan.

Pada kasus partikel subatom yang kita tak dapat lihat, elektron merupakan model yang berguna yang menjelaskan pengamatan-pengamatan seperti jalur-jalur pada kamar awan dan berkas cahaya pada tabung televisi, juga banyak fenomena-fenomena lain. Diriwayatkan bahwa elektron ditemukan pada tahun 1897 oleh fisikawan Inggris J.J. Thomson di Laboratorium Cavendish di Universitas Cambridge. Dia tengah melakukan percobaan mengenai aliran listrik di dalam tabung kosong, fenomena yang dikenal dengan sinar katode. Percobaannya mengarah ke kesimpulan kuat bahwa sinar misterius tersusun dari “sel-sel darah” amat kecil yang merupakan bahan penyusun atom, yang kemudian disangka sebagai bahan dasar yang tak dapat dibagi lagi. Thomson tidak “melihat” elektron atau percobaannya tidak menunjukkan secara langsung dan tegas. Namun modelnya telah terbukti berhasil diterapkan dari sains dasar hingga rekayasa, dan saat ini semua fisikawan percaya elektron itu ada meskipun anda tak dapat melihatnya.

Kuark, yang juga tak dapat kita lihat, merupakan model untuk menjelaskan sifat-sifat proton dan neutron dalam inti atom. Meskipun proton dan neutron dikatakan terbuat dari kuark, kita tak pernah bisa mengamati kuark karena gaya ikat antar kuark-kuark meningkat seiring pemisahan, sehingga kuark bebas terisolasi tak ada di alam. Alih-alih, kuark selalu ada di kelompok-kelompok yang terdiri dari tiga (proton dan neutron), atau dalam pasangan satu kuark dan satu anti-kuark (pi meson), dan bertindak seolah-olah mereka disatukan oleh karet gelang.

Pertanyaan apakah masuk akal bahwa kuark itu ada jika anda tak pernah dapat mengisolasinya adalah hal yang kontroversial pada tahun-tahun setelah model kuark diajukan pertama kali.  Gagasan bahwa partikel-partikel tertentu terbuat dari kombinasi sedikit partikel sub-subinti menyediakan prinsip utama yang menghasilkan penjelasan yang sederhana dan menarik mengenai sifat-sifat mereka. Namun meskipun para fisikawan sudah biasa menerima partikel yang hanya bisa diketahui ada dari data statistik yang berkenaan dengan persebaran partikel-partikel lain, gagasan untuk membuktikan adanya partikel yang mungkin pada prinsipnya tak dapat diamati adalah terlalu berlebihan bagi kebanyakan fisikawan. Namun setelah bertahun-tahun seiring model kuark mengarah ke prediksi yang lebih dan lebih tepat, para penentang itu makin kabur. Tentu saja mungkin bahwa beberapa alien dengan tujuhbelas lengan, mata inframerah, dan suka meniup krim dari telinga mereka akan membuat percobaan yang sama dengan kita, tetapi tidak menyimpulkan adanya kuark. Apapun itu, menurut realisme menurut-model, kuark memang ada di dalam model yang cocok dengan pengamatan kita mengenai bagaimana partikel subinti bertindak.

Realisme menurut-model dapat menyediakan sebuah kerangka kerja untuk membahas pertanyaan-pertanyaan seperti: Jika dunia diciptakan beberapa waktu terhingga yang lalu, apa yang terjadi sebelumnya? Filosof Kristen awal, St. Augustine (354-430), mengatakan bahwa jawabannya bukanlah Tuhan sedang menyiapkan neraka bagi orang-orang yang bertanya demikian, tetapi bahwa waktu adalah sifat dunia yang Tuhan ciptakan dan waktu tidaklah ada sebelum penciptaan, yang dia yakin telah terjadi belum lama lalu. Ini adalah salah satu model yang mungkin, yang disukai mereka yang mempertahankan pendapat bahwa Kitab Kejadian (Genesis) tetaplah benar meskipun dunia mengandung fosil dan bukti lain yang membuatnya terlihat jauh lebih tua. (Apakah mereka menaruh di sana untuk membodohi kita?) Seseorang juga bisa mempunyai model yang berbeda, di mana waktu mulai berdetak 13,7 milyar tahun sebelum dentuman besar (big bang). Model ini menjelaskan paling baik mengenai pengamatan kita pada hari ini, meliputi bukti sejarah dan geologis, merupakan perwujudan terbaik yang kita punya mengenai masa lalu. Model kedua dapat menjelaskan fosil dan rekaman radioaktif dan fakta bahwa kita menerima cahaya dari galaksi-galaksi yang jauhnya jutaan tahun cahaya dari kita. Sehingga model ini – teori dentuman besar – lebih berguna daripada model pertama. Namun, kita tak dapat mengatakan bahwa model yang satu lebih nyata daripada model yang lain.

Dalam pandangan ini, alam semesta tidak hanya mempunyai keberadaan atau sejarah tunggal, namun mempunyai setiap kemungkinan versi keberadaan secara bersamaan dalam apa yang disebut superposisi kuantum. Mungkin ini terdengar konyol sebagaimana teori di mana meja hilang kapanpun kita keluar ruangan, namun dalam kasus ini teori ini telah lulus setiap ujian percobaan di mana teori ini sebagai subyek.

Beberapa tahun yang lalu dewan kota Monza, Italia, melarang pemelihara binatang untuk memelihara ikan emas di dalam toples lengkung. Sponsor larangan ini menjelaskan sebagian larangan ini dengan mengatakan bahwa adalah kejam memelihara ikan di dalam toples lengkung karena, ketika menatap ke luar toples, ikan akan mengalami pembelokan pandangan mengenai kenyataan. Tapi bagaimana kita mengetahui kita mempunyai gambaran kenyataan yang benar dan tidak terbelokkan? Tidak mungkinkah kita sendiri berada dalam toples ikan raksasa dan pandangan kita terbelokkan oleh lensa-lensa yang sangat besar? Gambaran kenyataan menurut ikan emas berbeda dari pandangan kita, namun yakinkah kita pandangan ikan emas itu kurang nyata?

Pandangan ikan emas tidaklah sama dengan pandangan kita, namun ikan emas masih dapat merumuskan hukum ilmiah yang mengatur gerakan benda yang mereka amati di luar toples. Contohnya, karena ada pembelokan, benda yang bergerak bebas yang kita amati bergerak di garis lurus akan diamati oleh ikan emas bergerak di sepanjang jalur lengkung. Namun, ikan emas dapat merumuskan hukum ilmiah dari kerangka acuan terbelokkan mereka bahwa rumusan itu akan selalu berlaku benar dan membuat mereka mampu menduga mengenai gerakan mendatang dari benda di luar toples. Hukum mereka akan lebih rumit daripada hukum di dalam kerangka kita, tetapi kesederhanaan hanya masalah selera. Jika ikan emas merumuskan teori demikian, kita harus mengakui bahwa pandangan ikan emas merupakan gambaran kenyataan yang memadai.

Contoh terkenal dari perbedaan gambaran kenyataan adalah model yang diperkenalkan sekitar tahun 150 oleh Ptolomeus (85-165) untuk menggambarkan gerakan benda-benda langit. Ptolomeus menerbitkan hasil karyanya dalam tesis tigabelas buku yang dikenal dengan judul arab, Almagest. Almagest dimulai dari menjelaskan alasan-alasan mengenai gagasan bahwa bumi bulat, tidak bergerak, berada di pusat alam semesta, dan amat sangat kecil dibandingkan jarak antar bintang. Terlepas dari model heliosentris Aristarchus, keyakinan ini dipegang oleh orang terpelajar Yunani setidaknya selama masa Aristoteles, yang meyakini alasan mistik bahwa bumi seharusnya menjadi pusat alam semesta. Dalam model Ptolomeus bumi diam di pusat dan planet-planet dan bintang mengitarinya dalam orbit rumit berbentuk episiklus, seperti roda di dalam roda.

Model ini terlihat alami sebab kita tidak merasa bumi yang kita pijak bergerak (kecuali saat gempa bumi atau saat kita mabuk). Kemudian orang eropa belajar berdasarkan sumber Yunani yang telah diwariskan, sehingga ide Aristoteles dan Ptolomeus menjadi dasar sebagian besar pemikiran Barat. Model alam semesta Ptolomeus diadopsi oleh Gereja Katolik dan diberlakukan sebagai doktrin resmi selama 1400 tahun. Baru pada tahun 1543 ada model alternatif oleh Copernicus dalam bukunyaDe revolutionibus orbium coelestium (Mengenai Revolusi Benda-Benda Langit),diterbitkan baru pada tahun kematiannya (meskipun dia telah mengerjakan teori ini selama beberapa dekade).

Copernicus, seperti Aristarchus sekitar tujuhbelas abad yang lalu, menggambarkan sebuah dunia di mana surya diam dan planet-planet mengitarinya dalam orbit lingkaran. Meski gagasan ini tidaklah baru, kemunculannnya menghadapi perlawanan yang sengit. Model Copernicus dinyatakan melawan Injil, yang ditafsiri mengandung ajaran bahwa planet-planet mengitari bumi, meskipun Injil tak pernah jelas menyatakan demikian. Nyatanya, pada waktu injil ditulis, orang meyakini bahwa bumi itu datar. Model Copernicus mengarah ke perdebatan seru apakah bumi diam, yang berpuncak pada pengadilan Galileo atas tuduhan bid’ah pada tahun 1633 karena mendukung model Copernicus dan mempunyai pemikiran “bahwa seseorang boleh berpegang dan mempertahankan pendapatnya setelah pendapat itu dinyatakan  dan dianggap melawan Ayat-Ayat Suci.” Dia dinyatakan bersalah, dipenjara  seumur hidup dan dipaksa untuk menarik kembali pernyataannya. Diriwayatkan dia selalu berbisik “Eppur si muove,””Tapi itu tetap bergerak.” Pada tahun 1992 Gereja Katolik Roma akhirnya mengakui bahwa adalah suatu kesalahan menghukum Galileo.

Jadi mana yang nyata, sistem Ptolomeus atau Copernicus? Meskipun bukanlah ganjil bagi orang-orang ketika berkata bahwa Copernicus membuktikan bahwa Ptolomeus salah, hal ini tidaklah benar. Seperti pada kasus pandangan normal kita dengan pandangan ikan emas, orang dapat memakai salah satu dari kedua sistem itu sebagai model alam semesta. Untuk mengamati bintang-bintang, kita dapat mengasumsikan apakah bumi atau surya yang diam. Terlepas dari perannya dalam debat filosofis mengenai sifat alam semesta, keuntungan model Copernicus adalah sederhana yaitu persamaan gerakan jauh lebih mudah dalam kerangka acuan di mana surya dalam keadaan diam.

Contoh lain kenyataan alternatif terjadi dalam film fiksi ilmiah The Matrix, di mana manusia secara tak sadar hidup dalam kenyataan semu tersimulasi yang diciptakan oleh komputer cerdas agar mereka dapat ditaklukkan dan dijinakkan saat computermenyerap energi biolistrik mereka (apapun artinya itu). Mungkin film ini tidaklah terlalu fiksi karena banyak orang lebih suka menghabiskan waktunya dalam situs kenyataan tersimulasi seperti Second Life. Bagaimana kita tahu bahwa kita bukanlah sekedar karakter dalam opera sabun yang dikendalikan komputer? Jika kita hidup dalam dunia imaginer buatan, kejadian tidak harus masuk akal atau konsisten atau mengikuti sembarang hukum. Alien pengendali mungkin tertarik atau menikmati reaksi kita, misalnya, ketika bulan purnama terbelah dua (QS Al-Qomar (54):1, penerjemah), atau tiap orang di dunia sedang demam kue krim pisang. Namun jika alien memang memberlakukan hukum yang konsisten, tak mungkin kita bisa mengetahui bahwa ada kenyataan lain di balik kenyataan simulasi ini. Mudah untuk menggolongkan dunia tempat alien hidup sebagai “dunia nyata” dan dunia buatan sebagai “dunia palsu.” Tetapi jika – seperti kita – sesuatu yang berada di dalam dunia simulasi dapat menatap alam semesta dari luar, maka mereka akan meragukan pandangan mereka sendiri mengenai kenyataan. Ini merupakan versi modern dari gagasan bahwa kita semua adalah imaginasi dari impian orang lain.

Contoh-contoh ini membawa kita pada kesimpulan yang penting dalam buku ini:Tidak ada konsep gambaran kenyataan atau konsep teori kenyataan yang mandiri.Alih-alih, kami akan mengadopsi pandangan yang kami sebut realisme-menurut-model: gagasan bahwa teori fisik atau gambaran dunia adalah sebuah model (umumnya dalam bentuk matematis) dan seperangkat aturan yang menghubungkan bagian-bagian model dengan pengamatan. Ini menghasilkan kerangka kerja yang dengannya kami menafsiri sains modern.

Para filosof sejak Plato telah berdebat selama bertahun-tahun mengenai sifat-sifat kenyataan. Sains klasik berdasarkan pada keyakinan bahwa ada dunia luar yang nyata di mana sifat-sifatnya tertentu dan tidak tergantung dari pengamat yang menilainya. Menurut sains klasik, benda-benda tertentu memang ada dan memiliki sifat-sifat fisik, misalnya kecepatan dan massa, yang nilainya sangat jelas. Dalam pandangan ini teori kami adalah usaha-usaha untuk menggambarkan benda-benda itu dan sifat-sifat mereka, dan pengukuran dan persepsi kami  berkaitan dengan mereka. Pengamat dan yang diamati merupakan bagian dari dunia yang obyektif, dan sembarang perbedaan antara keduanya tidaklah berarti. Dengan kata lain, jika anda melihat sekawanan zebra berebut tempat di garasi, maka itu karena memang ada sekawanan zebra berebut tempat di garasi. Semua pengamat yang lain yang melihat akan mengukur sifat-sifat yang sama, dan sekawanan zebra akan tetap memiliki sifat-sifat itu meskipun sembarang orang mengamati atau tidak. Dalam filsafat, keyakinan ini disebut realisme.

Meskipun realisme merupakan sudut pandang yang menarik, nanti akan kita lihat, apa yang kami tahu mengenai fisika modern membuat realisme sulit dipertahankan. Contohnya, menurut prinsip-prinsip fisika kuantum, yang merupakan gambaran akurat mengenai alam, sebuah partikel tidak mempunyai posisi atau kecepatan tertentu kecuali dan hingga posisi dan kecepatan ini diukur oleh seorang pengamat. Karena itu, tidak benar mengatakan bahwa suatu pengukuran memberikan hasil tertentu karena kuantitas yang sedang diukur mempunyai nilai tersebut saat pengukuran. Nyatanya, pada beberapa kasus benda-benda bahkan tidak mempunyai keberadaan mandiri namun sekedar ada sebagai bagian dari susunan yang terdiri dari banyak benda. Dan jika suatu teori yang disebut prinsip holografik terbukti benar, kita dan dunia empat dimensi kita mungkin hanya bayangan di tepian ruang-waktu lima dimensi yang lebih besar. Pada kasus ini, status kita di alam semesta serupa dengan status ikan emas.

Ahli realisme yang kolot sering berpendapat bahwa bukti  di mana teori ilmiah menggambarkan kenyataan bersandar pada keberhasilan mereka. Namun teori-teori lain dapat berhasil menggambarkan fenomena yang sama melalui kerangka kerja konsep yang berbeda. Nyatanya, banyak teori ilmiah yang telah berhasil dibuktikan kemudian diganti oleh teori lain yang sebanding berdasarkan konsep baru mengenai kenyataan yang sama sekali baru.

Secara tradisional, orang-orang yang tidak mengakui realisme disebut anti-realis. Anti realis berpandangan ada perbedaan antara pengetahuan empirik dan pengetahuan teori. Mereka biasanya berpendapat bahwa pengamatan dan penelitian memang bermanfaat tetapi teori-teori  ini hanyalah sekedar instrumen yang tidak memunculkan kebenaran yang lebih dalam berdasakan fenomena yang diamati.  Beberapa anti realis bahkan telah membatasi sains hanya untuk benda-benda yang dapat diamati. Untuk alasan ini, banyak ilmuwan pada abad sembilanbelas menolak gagasan-gagasan mengenai atom dengan alasan kita tak penah melihatnya. George Berkeley (1685-1753) bahkan pergi lebih jauh dengan mengatakan tidak ada apapun selain pikiran dan gagasan-gagasannya. Ketika seorang teman mengatakan pada Pengarang dan Leksikografer Inggris Dr. Samuel Johnson (1709-1784) bahwa tidak mungkin pendapat Berkeley dibantah, diriwayatkan Johson menanggapinya dengan berjalan menuju batu besar, menendangnya dan berseru.”Karena itu aku menolaknya.” Tentunya rasa sakit Dr Johnson yang dirasakan pada kakinya juga merupakan gagasan dalam pikirannya, maka sebenarnya dia tidak menolak gagasan Berkeley. Namun tindakannya ini  benar-benar menggambarkan pandangan filosof David Hume (1711-1776) yang menulis bahwa meskipun kita tidak mempunyai alasan kuat untuk memercayai kenyataan obyektif, kita tidak mempunyai pilihan selain bertindak seolah-olah itu ada.

Realisme-menurut-model mengambil inti semua pendapat dan diskusi dari para filosof realis dan anti-realis.

Menurut realisme menurut-model, tak penting bertanya apakah model ini nyata, yang penting apakah model ini sesuai dengan pengamatan. Jika ada dua model yang keduanya sesuai dengan pengamatan, seperti gambaran ikan emas dan gambaran kita, maka seseorang tak dapat mengatakan bahwa model yang satu lebih nyata dari model yang lain. Seseorang bisa memakai model manapun yang lebih nyaman pada situasi yang dia sadari. Contohnya, jika  seseorang di dalam toples, pandangan ikan emas akan berguna, tapi untuk yang berada di luar, akan sangat tidak nyaman melukiskan kejadian-kejadian dari galaksi yang jauh dengan memakai kerangka kerja sebuah toples di bumi, terutama karena toples akan bergerak seiring bumi mengitari matahari dan mengitari porosnya.

Kami membuat model pada sains, tetapi kami juga membuat model dalam kehidupan sehari-hari. Realisme menurut-model berlaku tidak hanya pada model ilmiah tetapi juga pada model mental sadar dan bawah-sadar yang kita semua ciptakan untuk menafsiri dan memahami dunia sehari-hari. Tak mungkin menghilangkan pengamat – kita – dari persepsi kita tentang dunia, yang tercipta melalui pemrosesan indera kita  dan melalui bagaimana kita berpikir dan berpendapat. Persepsi kita – dan tentunya pengamatan di mana teori-teori berdasar  — bukanlah langsung, tetapi lebih dibentuk oleh jenis lensa, struktur penafsiran dari otak manusia.

Realisme menurut-model bersesuaian dengan cara kita menanggapi benda. Ketika melihat benda, otak seseorang menerima sinyal-sinyal berurutan dari saraf penglihatan. Sinyal ini bukan berupa sejenis gambar yang anda lihat di televisi. Ada titik buta di mana saraf penglihatan bertaut dengan retina, dan satu-satunya bagian area penglihatan anda dengan resolusi yang baik adalah daerah sempit sekitar 1 derajat sudut visual sekitar pusat retina, daerah selebar jempol anda bila ditaruh di lengan. Maka data mentah yang dikirim ke otak adalah seperti gambar buruk dengan lubang di dalamnya. Untungnya, otak manusia memroses data itu, menggabungkan input dari kedua mata, mengisi celah-celah dengan asumsi bahwa sifat-sifat visual dari lokasi yang berdekatan adalah serupa dan otak lalu menyisipkannya. Malahan otak membaca kisaran data dua-dimensi dari retina lalu menciptakan darinya kesan ruang tiga-dimensi. Dengan kata lain, otak membangun gambaran mental atau model.

Otak begitu bagus dalam membangun model sehingga jika orang yang memakai kacamata yang membalik gambar atas-bawah pada mata mereka, setelah beberapa saat otak mereka akan mengubah model sehingga mereka kembali melihat benda-benda itu tidak terbalik. Jika kacamata itu lalu dilepaskan, mereka melihat dunia terbalik untuk sesaat kemudian beradaptasi kembali. Ini menunjukkan bahwa apa yang orang maksudkan saat mengatakan “Saya melihat kursi” hanyalah berarti bahwa dia telah memakai cahaya yang dipancarkan oleh kursi untuk membangun gambaran mental atau model dari kursi itu. Jika model itu terbalik, untungnya otaknya akan membetulkannya sebelum dia mencoba duduk di kursi itu.

Masalah lain yang realisme menurut-model pecahkan, atau setidaknya menghindarinya, adalah pengertian keberadaan. Bagaimana saya tahu bahwa meja itu tetap ada jika saya keluar kamar dan tak dapat melihatnya? Apakah maksudnya saat kita berkata bahwa benda-benda yang tak dapat kita lihat, semisal elektron atau kuark – partikel yang dikatakan membentuk proton dan neutron – ada ? Seseorang dapat mempunyai model di mana meja itu hilang saat saya keluar kamar dan tampak lagi pada tempat yang sama ketika saya kembali, namun tentunya ini akan terasa tidak nyaman. Dan bagaimana bila sesuatu terjadi saat saya keluar, misalnya langit-langit roboh? Dengan memakai model meja-hilang-saat-saya-keluar-kamar, bagaimana saya memahami kenyataan bahwa lain kali saya masuk, meja tampak kembali pecah, di bawah reruntuhan langit-langit? Model di mana meja tetap di tempatnya adalah jauh lebih sederhana dan cocok dengan pengamatan. Ini adalah yang semua orang inginkan.

Pada kasus partikel subatom yang kita tak dapat lihat, elektron merupakan model yang berguna yang menjelaskan pengamatan-pengamatan seperti jalur-jalur pada kamar awan dan berkas cahaya pada tabung televisi, juga banyak fenomena-fenomena lain. Diriwayatkan bahwa elektron ditemukan pada tahun 1897 oleh fisikawan Inggris J.J. Thomson di Laboratorium Cavendish di Universitas Cambridge. Dia tengah melakukan percobaan mengenai aliran listrik di dalam tabung kosong, fenomena yang dikenal dengan sinar katode. Percobaannya mengarah ke kesimpulan kuat bahwa sinar misterius tersusun dari “sel-sel darah” amat kecil yang merupakan bahan penyusun atom, yang kemudian disangka sebagai bahan dasar yang tak dapat dibagi lagi. Thomson tidak “melihat” elektron atau percobaannya tidak menunjukkan secara langsung dan tegas. Namun modelnya telah terbukti berhasil diterapkan dari sains dasar hingga rekayasa, dan saat ini semua fisikawan percaya elektron itu ada meskipun anda tak dapat melihatnya.

Kuark, yang juga tak dapat kita lihat, merupakan model untuk menjelaskan sifat-sifat proton dan neutron dalam inti atom. Meskipun proton dan neutron dikatakan terbuat dari kuark, kita tak pernah bisa mengamati kuark karena gaya ikat antar kuark-kuark meningkat seiring pemisahan, sehingga kuark bebas terisolasi tak ada di alam. Alih-alih, kuark selalu ada di kelompok-kelompok yang terdiri dari tiga (proton dan neutron), atau dalam pasangan satu kuark dan satu anti-kuark (pi meson), dan bertindak seolah-olah mereka disatukan oleh karet gelang.

Pertanyaan apakah masuk akal bahwa kuark itu ada jika anda tak pernah dapat mengisolasinya adalah hal yang kontroversial pada tahun-tahun setelah model kuark diajukan pertama kali.  Gagasan bahwa partikel-partikel tertentu terbuat dari kombinasi sedikit partikel sub-subinti menyediakan prinsip utama yang menghasilkan penjelasan yang sederhana dan menarik mengenai sifat-sifat mereka. Namun meskipun para fisikawan sudah biasa menerima partikel yang hanya bisa diketahui ada dari data statistik yang berkenaan dengan persebaran partikel-partikel lain, gagasan untuk membuktikan adanya partikel yang mungkin pada prinsipnya tak dapat diamati adalah terlalu berlebihan bagi kebanyakan fisikawan. Namun setelah bertahun-tahun seiring model kuark mengarah ke prediksi yang lebih dan lebih tepat, para penentang itu makin kabur. Tentu saja mungkin bahwa beberapa alien dengan tujuhbelas lengan, mata inframerah, dan suka meniup krim dari telinga mereka akan membuat percobaan yang sama dengan kita, tetapi tidak menyimpulkan adanya kuark. Apapun itu, menurut realisme menurut-model, kuark memang ada di dalam model yang cocok dengan pengamatan kita mengenai bagaimana partikel subinti bertindak.

Realisme menurut-model dapat menyediakan sebuah kerangka kerja untuk membahas pertanyaan-pertanyaan seperti: Jika dunia diciptakan beberapa waktu terhingga yang lalu, apa yang terjadi sebelumnya? Filosof Kristen awal, St. Augustine (354-430), mengatakan bahwa jawabannya bukanlah Tuhan sedang menyiapkan neraka bagi orang-orang yang bertanya demikian, tetapi bahwa waktu adalah sifat dunia yang Tuhan ciptakan dan waktu tidaklah ada sebelum penciptaan, yang dia yakin telah terjadi belum lama lalu. Ini adalah salah satu model yang mungkin, yang disukai mereka yang mempertahankan pendapat bahwa Kitab Kejadian (Genesis) tetaplah benar meskipun dunia mengandung fosil dan bukti lain yang membuatnya terlihat jauh lebih tua. (Apakah mereka menaruh di sana untuk membodohi kita?) Seseorang juga bisa mempunyai model yang berbeda, di mana waktu mulai berdetak 13,7 milyar tahun sebelum dentuman besar (big bang). Model ini menjelaskan paling baik mengenai pengamatan kita pada hari ini, meliputi bukti sejarah dan geologis, merupakan perwujudan terbaik yang kita punya mengenai masa lalu. Model kedua dapat menjelaskan fosil dan rekaman radioaktif dan fakta bahwa kita menerima cahaya dari galaksi-galaksi yang jauhnya jutaan tahun cahaya dari kita. Sehingga model ini – teori dentuman besar – lebih berguna daripada model pertama. Namun, kita tak dapat mengatakan bahwa model yang satu lebih nyata daripada model yang lain.

Beberapa orang mendukung model di mana waktu telah ada jauh sebelum dentuman besar. Masih belum jelas apakah sebuah model di mana waktu telah ada sebelum dentuman besar akan lebih baik untuk menjelaskan pengamatan pada hari ini sebab tampaknya  hukum evolusi  alam semesta berlangsung saat terjadi dentuman besar. Jika demikian maka tidak masuk akal untuk menciptakan model yang mengandung waktu sebelum dentuman besar, karena apa yang telah ada sebelum dentuman besar tidak dapat ditelusur hingga hari ini. Maka mungkin kita tetap berpegang pada gagasan bahwa dentuman besar merupakan saat penciptaan dunia.

Sebuah model merupakan model yang baik jika:

  1. Anggun
  2. Mengandung sedikit unsur yang tak terduga atau berubah-ubah.
  3. Cocok dengan dan menjelaskan semua pengamatan yang ada.
  4. Membuat prediksi yang rinci mengenai pengamatan masa datang yang bisa membatalkan atau menolak model itu jika prediksi itu tak dapat dibuktikan.

Contohnya, teori Aristoteles bahwa dunia terdiri dari empat unsur: tanah, udara, api dan air dan benda-benda ini yang bertindak memenuhi tujuannya merupakan teori yang anggun dan tidak mengandung unsur-unsur yang berubah-ubah. Namun dalam banyak hal teori ini tidak membuat prediksi yang jelas, dan sekalipun prediksinya jelas, prediksi ini tidak selalu cocok dengan pengamatan. Salah satu prediksinya adalah bahwa benda-benda yang lebih berat akan jatuh lebih cepat karena tujuannya adalah jatuh. Tak seorang pun memiliki pemikiran bahwa penting untuk menguji prediksi ini hingga Galileo. Ada sebuah kisah bahwa Galileo mengujinya dengan menjatuhkan benda dari Menara miring Pisa. Kisah ini mungkin diragukan, tapi yang kita tahu pasti dia menjatuhkan berat-berat berbeda pada bidang miring dan mengamati bahwa semuanya berkecepatan sama, berlawanan dengan prediksi Aristoteles.

Kriteria-kriteria di atas biasanya subyektif. Anggun misalnya, bukanlah sesuatu yang mudah diukur, tapi sangat penting bagi para ilmuwan sebab hukum alam dimaksudkan untuk memadatkan secara ekonomis sejumlah kasus-kasus khusus menjadi satu rumus yang sederhana. Anggun mengacu pada bentuk teori, namun sangat terkait dengan kurangnya unsur-unsur yang berubah-ubah, sebab sebuah teori yang dijejali banyak kebohongan tidaklah sangat anggun. Kata Einstein, sebuah teori harus sesedehana mungkin, tetapi tidak lebih sederhana. Ptolomeus menambahkan episiklus pada orbit lingkaran benda-benda langit agar modelnya mungkin menggambarkan gerakan-gerakan benda-benda itu dengan akurat. Model ini mungkin dapat dibuat lebih akurat dengan menambahkan episiklus pada episiklus, atau bahkan banyak episiklus ke banyak episiklus. Meski semakin rumitnya model dapat membuatnya lebih akurat, para ilmuwan memandang sebuah model yang harus ditekuk-tekuk agar cocok dengan serangkaian pengamatan sebagai model yang tidak memuaskan, lebih tepat disebut sebagai katalog data daripada sebuah teori yang membangun sembarang prinsip yang berguna.

Akan kita lihat pada Bab 5 bahwa  banyak orang memandang “model baku”, yang menggambarkan interaksi antara partikel-partikel dasar di alam, sebagai model yang tidak anggun. Model itu jauh lebih berhasil daripada episiklus Ptolomeus. Ia meramalkan keberadaan beberapa partikel baru sebelum partikel-partikel itu diamati, dan menggambarkan hasil banyak percobaan selama beberapa dekade dengan tingkat keakuratan yang tinggi. Tetapi model ini mengandung lusinan parameter yang berubah-ubah yang nilainya harus disesuaikan untuk dicocokkan dengan pengamatan-pengamatan, bukannya ditentukan oleh teori itu sendiri.

Untuk poin keempat, para ilmuwan selalu terpesona ketika prediksi yang baru dan menakjubkan terbukti tepat. Pada sisi lain, ketika sebuah model ditemukan kurang memadai, tanggapan orang pada umumnya adalah mengatakan percobaannya salah. Jika model ini belum terbukti sebagai hukum, orang sering tidak membuangnya namun berusaha menyimpannya dengan memodifikasinya. Meskipun para fisikawan memang ngotot dalam usahanya menyelamatkan teori-teori yang mereka puja, kecenderungan untuk memodifikasi teori akan sirna pada tingkat di mana teori pengganti hanyalah semu atau berbelit-belit, sehingga “tidak anggun”.

Jika modifikasi yang diperlukan untuk menyesuaikan pengamatan baru menjadi terlalu rumit, ini merupakan tanda perlunya model baru. Salah satu contoh model lama yang bobol oleh pengamatan-pengamatan baru adalah gagasan alam semesta bersifat tetap. Pada tahun 1920-an, sebagian besar fisikawan meyakini bahwa alam semesta bersifat tetap atau ukurannya tidak berubah. Lalu pada tahun 1929, Edwin Hubble menerbitkan pengamatannya yang menunjukkan bahwa alam semesta mengembang. Namun Hubble tidak melihat langsung bahwa alam semesta mengembang. Dia mengamati cahaya yang dipancarkan oleh galaksi-galaksi.  Cahaya-cahaya itu membawa ciri-ciri, atau spektrum, berdasarkan tiap komposisi galaksi, yang berubah dalam jumlah tertentu jika galaksi itu bergerak relatif terhadap kita. Karena itu, dengan menganalisa spektrum dari galaksi yang jauh, Hubble dapat menentukan kecepatannya. Dia berharap menemukan galaksi-galaksi yang menjauhi kita sama banyaknya degan galaksi-galaksi yang mendekati kita. Alih-alih, hampir semua galaksi bergerak menjauhi kita. Dan makin jauh mereka, makin cepat mereka bergerak. Hubble menyimpulkan bahwa alam semesta mengembang, tapi banyak fisikawan lain tetap berpegang pada model lama, berusaha menjelaskan pengamatan mereka dalam lingkup alam semesta yang tetap. Contohnya, fisikawan Caltech Fritz Zwicky berpendapat bahwa karena suatu hal yang belum diketahui cahaya mungkin kehilangan energi ketika bergerak pada jarak yang jauh. Kehilangan energi ini bersesuaian dengan perubahan pada spektrum cahaya, yang menurut Zwicky dapat menyerupai pengamatan Hubble. Selama berdekade-dekade setelah Hubble, banyak ilmuwan tetap berpegang pada teori tetapnya alam (steady-state theory). Namun model yang paling alami adalah model Hubble, yaitu alam semesta mengembang, dan akhirnya model ini diterima.

Dalam petualangan kita untuk mencari hukum yang mengatur alam semesta, kita telah merumuskan sejumlah teori atau model, misalnya teori empat-unsur, model Ptolomeus, teori phlogiston, teori dentuman besar dan sebagainya. Konsep kenyataan dan konsep unsur-unsur dasar penyusun alam semesta yang kita yakini menjadi berubah seiring tiap teori atau model. Ambillah contoh teori cahaya. Newton berpendapat bahwa cahaya terbuat dari partikel-partikel atau sel-sel darah kecil. Pandangan ini menjelaskan mengapa cahaya bergerak di sepanjang garis lurus, dan Newton juga memakai pandangan ini untuk menjelaskan mengapa cahaya dibelokkan atau dibiaskan ketika melalui satu media ke media lain, misalnya dari udara ke gelas atau dari gelas ke udara.

Namun teori sel darah sendiri tidak dapat menjelaskan fenomena yang Newton sendiri amati, yang dikenal dengan cincin Newton. Letakkan sebuah lensa pada pelat pemantul datar dan sinari lensa itu dengan cahaya satu warna, misalnya cahaya sodium. Bila dilihat dari atas, seseorang dapat melihat rangkaian cincin terang dan gelap yang berpusat pada tempat di mana lensa menyentuh permukaan. Hal ini akan sulit dijelaskan dengan teori partikel cahaya, tapi bisa dijelaskan dengan teori gelombang.

Menurut teori gelombang cahaya,  cincin gelap dan terang disebabkan oleh fenomena yang disebut interferensi. Sebuah gelombang, misalnya gelombang air, terdiri dari rangkaian puncak dan lembah. Ketika gelombang-gelombang bertumbukan, jika puncak-puncak dan lembah-lembah itu bersesuaian, mereka saling menguatkan sehingga menghasilkan gelombang yang lebih besar. Ini disebut interferensi konstruktif. Pada kasus ini gelombang-gelombang dikatakan dalam kondisi “masuk fase.” Pada kondisi sebaliknya, ketika gelombang-gelombang bertemu, puncak gelombang satu mungkin bertumbukan dengan lembah gelombang lain. Pada kasus ini gelombang-gelombang saling membatalkan dan dikatakan “keluar fase.” Situasi ini disebut interferensi destruktif.

Pada cincin Newton cincin terang pada posisi di mana pemisah antara lensa dan pelat pemantul terletak sedemikian hingga gelombang yang dipantulkan dari lensa berbeda dari gelombang yang dipantulkan dari pelat dengan selisih jumlah panjang-gelombang utuh (1, 2, 3,…) sehingga menciptakan interferensi konstruktif. ( panjang-gelombang adalah adalah jarak antara satu puncak atau lembah gelombang dengan puncak atau lembah berikutnya.) Sedangkan cincin-cincin gelap terletak pada posisi di mana selisih dari gelombang yang dipantulkan lensa dengan gelombang yang dipantulkan pelat berjumlah panjang-gelombang separuh (1/2 , 1 ½, 2  ½,…), menyebabkan interferensi destruktif – gelombang yang dipantulkan lensa membatalkan gelombang yang dipantulkan pelat.

Pada abad kesembilanbelas, cincin Newton digunakan untuk membuktikan teori gelombang dan menunjukkan bahwa teori partikel ternyata salah. Namun, pada awal abad keduapuluh Einstein menunjukkan bahwa efek fotolistrik (sekarang dipakai di televisi dan kamera digital) merupakan proses di mana sebuah partikel atau kuantum cahaya menabrak sebuah atom dan mengeluarkan elektron darinya. Maka cahaya bertindak baik sebagai partikel maupun gelombang.

Konsep gelombang mungkin memasuki pikiran manusia saat orang-orang mengamati lautan, atau melihat genangan air setelah kerikil jatuh ke dalamnya. Kenyataannya, jika anda mungkin pernah menjatuhkan dua kerikil ke dalam genangan air, anda mungkin pernah melihat interferensi di tempat kerja, seperti gambar di atas. Cairan lain juga diamati berperilaku sama kecuali mungkin anggur bila anda minum terlalu banyak. Gagasan mengenai partikel dikenal melalui batu, kerikil dan pasir. Namun dualitas gelombang/partikel ini – gagasan bahwa benda dapat digambarkan sebagai partikel maupun gelombang – masih aneh dalam kehidupan sehari-hari sebagaimana gagasan bahwa anda dapat minum sebongkah batu pasir.

Dualitas seperti ini – kondisi di mana dua teori yang amat berbeda menggambarkan dengan akurat fenomena yang sama – sesuai dengan realisme menurut-model. Tiap teori dapat menggambarkan dan menjelaskan sifat-sifat tertentu, tapi tak ada teori yang lebih baik atau lebih nyata dari lainnya. Mengacu pada hukum-hukum yang mengatur alam semesta,  yang bisa kami katakan adalah: tampaknya tidak ada model matematika atau teori tunggal yang dapat menggambarkan semua bidang alam semesta. Alih-alih, seperti disebutkan pada bab pembuka, tampaknya ada jaringan teori-teori yang disebut teori-M. Tiap teori pada jaringan teori-M bagus untuk menggambarkan fenomena dalam kisaran tertentu. Di manapun kisaran-kisaran ini beririsan, berbagai teori dalam jaringan itu sama-sama cocok, sehingga mereka semua dapat dikatakan bagian dari teori yang sama. Tapi tidak ada teori tunggal dalam jaringan yang dapat menggambarkan semua bidang alam semesta – semua gaya-gaya di alam, partikel yang merasakan gaya-gaya itu, dan kerangka kerja ruang dan waktu di mana semuanya berlaku. Meski situasi ini tidak memenuhi impian fisikawan tradisional akan teori penyatu tunggal, kondisi ini dapat diterima di dalam kerangka kerja realisme menurut-model.

Kami akan membahas dualitas dan teori-M lebih jauh pada bab 5, tapi sebelumnya kami akan membahas prinsip-prinsip dasar di mana pandangan modern kami mengenai alam bersandar: teori kuantum, dan khususnya, pendekatan teori kuantum yang disebut sejarah alternatif. Dalam pandangan ini, alam semesta tidak hanya mempunyai keberadaan atau sejarah tunggal, namun mempunyai setiap kemungkinan versi keberadaan secara bersamaan dalam apa yang disebut superposisi kuantum. Mungkin ini terdengar konyol sebagaimana teori di mana meja hilang kapanpun kita keluar ruangan, namun dalam kasus ini teori ini telah lulus setiap ujian percobaan di mana teori ini sebagai subyek.

Dapatkah teori yang dibangun berdasarkan kerangka kerja yang begitu asing dalam kehidupan sehari-hari juga menjelaskan kejadian-kejadian biasa yang dimodelkan dengan begitu akurat oleh fisika klasik? Bisa, untuk kita dan orang-orang di sekitar kita yang terbentuk dari struktur yang padat, tersusun dari sekian banyaknya atom, lebih banyak daripada jumlah bintang di alam semesta yang teramati.

Pada tahun 1999 SEKELOMPOK FISIKAWAN di Austria menembakkan rangkaian molekul berbentuk bola sepak ke sebuah penghalang. Molekul-molekul ini, masing-masing terbuat dari enampuluh atom karbon, terkadang disebut bola bucky karena arsitek Buckminster Fuller membangun bangunan berbentuk bola sepak. Kubah geodesi Fuller mungkin benda berbentuk bola sepak terbesar yang ada. Sedangkan bola bucky adalah yang terkecil. Penghalang memiliki dua celah di mana bola bucky dapat memasukinya. Di belakang dinding itu, fisikawan meletakkan sebuah layar untuk mendeteksi dan menghitung molekul-molekul yang lolos.

Jika kita merancang percobaan serupa dengan bola sepak sebenarnya, kita memerlukan seorang pemain yang bidikannya bergetar tapi mampu menendang bola dengan konsisten sesuai kecepatan yang kita pilih. Kita akan memposisikan pemain ini di depan dinding di mana terdapat dua celah. Di belakang dinding kita letakkan jaring sangat panjang yang sejajar dengan dinding itu. Sebagian besar tendangan pemain akan membentur dinding dan terpental kembali, namun beberapa akan lolos melalui satu celah atau lainnya sehingga sampai ke jaring. Jika celah hanya sedikit lebih besar dari bola, dua aliran besar bola akan timbul pada jaring. Jika celah sedikit lebih lebar, tiap aliran akan mengecil , seperti tampak pada gambar.

Amati bila kita menutup salah satu celah, aliran yang bersesuaian tidak bisa lolos lagi, tapi hal ini tidak mempengaruhi aliran yang lain. Jika kita membuka kembali celah kedua, itu hanya menambah jumlah bola yang mendarat pada sisi mana pun dari jaring, sehingga jumlah bola yang lolos adalah bola yang melewati celah yang tetap terbuka, ditambah bola-bola lain yang lolos dari celah yang baru dibuka. Dengan kata lain, yang kita amati saat kedua celah terbuka adalah penjumlahan dari yang kita amati ketika tiap celah terbuka secara terpisah. Ini adalah hal biasa dalam kehidupan sehari-hari. Tetapi hal ini tidak sama dengan yang diamati peneliti Austria ketika mereka menembakkan molekul.

Pada percobaan tersebut, membuka celah kedua memang menambah jumlah molekul yang tiba pada sembarang titik pada layar – tetapi hal ini mengurangi jumlah molekul yang tiba pada titik-titik lainnya, sebagaimana gambar di bawah. Nyatanya, ada lokasi-lokasi di mana tidak ada bola bucky yang mendarat ketika dua celah terbuka tetapi bola bucky mendarat ketika hanya satu celah yang terbuka. Hal ini sepertinya amat aneh. Bagaimana bisa membuka celah kedua menyebabkan molekul lebih sedikit mendarat pada titik tertentu?

Kita akan dapat petunjuk dengan memeriksa detilnya. Pada percobaan, banyak bola molekul mendarat pada suatu lokasi di tengah-tengah separuh jalur antara mana anda berharap bola-bola itu mendarat jika bola-bola itu melewati salah satu celah. Sedikit lebih jauh dari posisi tengah itu sedikit sekali molekul mendarat, tetapi lebih jauh lagi, banyak molekul lagi-lagi mendarat. Pola ini bukanlah penjumlahan dari pola-pola yang dibentuk ketika tiap celah dibuka terpisah, namun mungkin anda mengenalinya dari Bab 3 sebagai ciri pola interferensi gelombang. Daerah-daerah di mana tidak ada molekul yang mendarat sesuai dengan daerah di mana gelombang-gelombang dari dua celah tiba keluar fase, sehingga menciptakan interferensi destruktif; daerah-daerah di mana banyak molekul datang sesuai dengan daerah di mana gelombang-gelombang tiba di dalam fase sehingga menciptakan interferensi konstruktif.

Selama dua ribu tahun pertama atau lebih dari ide-ide ilmiah, pengalaman dan intuisi biasa merupakan dasar penjelasan teori. Saat kita memperbaiki teknologi dan memperluas jangkauan fenomena yang dapat kita amati, kita mulai menemukan perilaku alam yang makin tidak sejalan dengan pengalaman sehari-hari dan karena itu tidak sejalan dengan intuisi kita, sebagaimana percobaan dengan memakai bola bucky. Percobaan ini merupakan jenis fenomena di mana tak dapat dijelaskan oleh sains klasik tapi dapat digambarkan oleh apa yang disebut fisika kuantum. Nyatanya, Richard Feynman menulis bahwa percobaan dua-celah seperti di atas “mengandung semua misteri mekanika kuantum.”

Prinsip-prinsip fisika kuantum dikembangkan pada dekade-dekade pertama abad keduapuluh setelah teori Newton ditemukan tidak memadai untuk menggambarkan alam pada level atom atau sub-atom. Teori dasar fisika menjelaskan gaya-gaya alam dan bagaimana benda bereaksi terhadapnya. Teori klasik Newton dibangun dengan kerangka-kerja yang mencerminkan kehidupan sehari-hari, di mana benda material memiliki keberadaan satu per satu, dapat diletakkan pada tempat yang pasti, mengikuti jalur yang ditentukan dan sebagainya.  Fisika kuantum menyediakan kerangka kerja untuk memahami bagaimana alam bekerja pada skala atom dan sub-atom, tetapi sebagaimana kita lihat lebih detil, teori ini mengajarkan skema konseptual yang sama sekali berbeda, di mana posisi, jalur dan masa lalu atau masa depan tidak dapat diramalkan dengan akurat. Gaya dalam teori kuantum seperti gravitasi  atau elektromagnetik dibangun pada kerangka dasar itu.

Dapatkah teori yang dibangun berdasarkan kerangka kerja yang begitu asing dalam kehidupan sehari-hari juga menjelaskan kejadian-kejadian biasa yang dimodelkan dengan begitu akurat oleh fisika klasik? Bisa, untuk kita dan orang-orang di sekitar kita yang terbentuk dari struktur yang padat, tersusun dari sekian banyaknya atom, lebih banyak daripada jumlah bintang di alam semesta yang teramati. Dan meskipun atom-atom penyusun mematuhi prinsip-prinsip fisika kuantum, seseorang dapat menunjukkan bahwa sekumpulan besar unsur-unsur penyusun bola sepak, lobak, jumbo jet – dan kita – akan menghindari penyebaran saat ditembakkan melewati celah-celah. Sehingga meskipun komponen-komponen benda sehari-hari mematuhi fisika kuantum, hukum Newton tetap membentuk teori efektif yang menggambarkan dengan sangat akurat bagaimana struktur padat yang menyusun dunia sehari-hari berperilaku.

Hal di atas mungkin terdengar aneh, tetapi ada banyak kejadian dalam sains di mana sekumpulan besar bertindak sedemikian hingga berbeda dengan tindakan satu per satu komponennya. Tanggapan satu sel saraf sangat sulit mewakili tanggapan sekumpulan saraf otak manusia, demikian pula perilaku sebuah molekul air tidak dapat menggambarkan perilaku danau. Dalam teori fisika kuantum, fisikawan masih bekerja untuk mencari tahu secara rinci bagaimana hukum Newton timbul dari ranah kuantum. Apa yang kami tahu adalah bahwa komponen dari semua benda mematuhi fisika kuantum, dan hukum Newton merupakla pendekatan yang baik untuk menggambarkan bagaimana benda-benda besar yang terbuat dari komponen kuantum berperilaku.

Dengan demikian prediksi teori Newton cocok dengan gambaran kenyataan yang kita kembangkan selagi kita mengalami dunia di sekitar kita. Namun satu per satu atom dan molekul bertindak dengan cara yang jelas berbeda dari sifat-sifat yang kita alami sehari-hari. Fisika kuantum adalah model baru kenyataan yang memberi kita gambaran alam semesta. Ini adalah gambaran di mana banyak konsep dasar kenyataan menurut pemahaman intuitif kita ternyata tak lagi bermakna.

Percobaan celah ganda dilakukan pertama kali pada tahun 1927 oleh Clinton Davisson dan Lester Germer, keduanya adalah fisikawan eksperimental di Laboratorium Bell yang mempelajari bagaimana sinar elektron – benda yang jauh lebih sederhana dari bola bucky – berinteraksi dengan sebuah kristal yang terbuat dari nikel. Kenyataan bahwa partikel materi seperti elektron berperilaku seperti gelombang air merupakan jenis percobaan mengagumkan yang menggugah fisika kuantum. Karena perilaku ini tidak teramati pada skala makroskopis, sudah lama para ilmuwan bertanya-tanya seberapa besar dan rumit suatu benda tetapi masih menunjukkan sifat-sifat gelombang. Tentunya amat mengherankan bila hasil percobaan ini dapat ditunjukkan dengan memakai manusia atau kuda nil, namun sebagaimana kami katakan, secara umum, semakin besar benda maka semakin tak terlihat dan samar efek kuantumnya. Maka tidak mungkin bila sembarang binatang di kebun binatang akan bersifat gelombang saat melalui jeruji-jeruji kandang mereka. Tetapi, fisikawan eksperimental telah mengamati fenomena gelombang dengan partikel yang makin lama makin besar. Ilmuwan berharap mengulang percobaan bola bucky suatu hari nanti dengan memakai virus, yang tidak hanya jauh lebih besar tetapi dianggap sebagai benda hidup.

Hanya ada beberapa aspek fisika kuantum yang diperlukan untuk memahami pendapat-pendapat kami pada bab-bab berikutnya. Salah satu aspek adalah dualitas gelombang/partikel. Bahwa partikel materi yang bertindak seperti gelombang mengherankan semua orang. Bahwa cahaya bertindak seperti gelombang tidak lagi mengherankan. Perilaku cahaya seperti gelombang terlihat alami bagi kita dan telah diterima sebagai kenyataan selama hampir dua abad. Jika anda menyinari dua celah pada percobaan di atas, dua gelombang akan timbul dan bertemu di layar. Pada beberapa titik tertentu puncak-puncak dan lembah-lembah gelombang akan bertemu dan membentuk daerah terang; pada titik-titik yang lain puncak dari satu sinar akan bertemu dengan lembah gelombang sinar yang lain, saling membatalkan, dan membentuk daerah gelap. Fisikawan Inggris Thomas Young telah melakukan percobaan ini pada awal abad kesembilanbelas, meyakinkan orang-orang bahwa cahaya adalah gelombang dan bukan, sebagaimana keyakinan Newton, tersusun dari partikel.

Meski seseorang boleh saja menyimpulkan bahwa Newton salah saat mengatakan cahaya bukanlah gelombang, dia benar saat dia berkata bahwa cahaya dapat bertindak seakan-akan tersusun dari partikel. Hari ini kita menyebut partikel-partikel itu sebagai foton. Karena kita tersusun dari banyak sekali atom, cahaya yang kita lihat setiap hari berbentuk padat dalam arti terbuat dari banyak sekali foton – bahkan cahaya malam 1 watt memancarkan milyaran milyaran foton tiap detik. Satu per satu foton biasanya tidak dapat dibuktikan, namun di laboratorium kita dapat menghasilkan seberkas cahaya yang begitu lemah yang tersusun dari aliran satu foton, yang dapat kita deteksi sebagai satu foton seperti kita mendeteksi satu per satu elektron atau bola bucky. Dan kita dapat mengulang percobaan Young dengan memakai sinar yang sedemikian tipis sehingga foton-foton mencapai penghalang satu demi satu, dengan jeda beberapa detik antara tiap kedatangan. Jika kita dapat melakukannya, lalu menjumlah semua tumbukan yang tercatat pada layar yang jauh dari penghalang, kita temukan bahwa secara bersama-sama foton membentuk pola interferensi yang sama bila kita melakukan percobaan Davisson-Germer. Percobaan Davisson-Germer menembakkan elektron (atau bola bucky) pada layar satu demi satu. Bagi para fisikawan, percobaan ini merupakan pembuktian yang mengejutkan: jika satu per satu partikel berinterferensi dengan sesamanya, maka partikel itu menjadi bersifat gelombang cahaya; berlaku tidak hanya untuk seberkas sinar sekumpulan foton tetapi juga untuk masing-masing partikel.

Inilah, menurut Einstein, seakan-akan Tuhan melempar dadu sebelum memutuskan keluaran dari setiap proses fisik. Gagasan ini membuat Einstein tidak nyaman sehingga meskipun dia adalah salah satu bapak fisika kuantum, dia kemudian menjadi kritis terhadapnya.

Prinsip utama lainnya dari fisika kuantum adalah prinsip ketidakpastian, dirumuskan oleh Werner Heisenberg pada tahun 1926. Prinsip ketidakpastian menjelaskan bahwa ada batasan pada kemampuan kita untuk mengukur data-data tertentu secara sekaligus, misalnya posisi dan kecepatan partikel. Contohnya, menurut prinsip ketidakpastian, jika anda mengalikan ketidakpastian posisi partikel dengan ketidaskpastian momentumnya (massa partikel kali kecepatan partikel), maka hasilnya tak pernah lebih kecil dari angka tertentu, yang disebut tetapan Planck. Sulit mengatakannya tetapi gampangnya begini: Semakin akurat anda mengukur kecepatan, maka semakin tidak akurat anda dapat ukur posisinya, dan sebaliknya. Misalnya, jika ketidakpastian posisi mencapai setengahnya maka ketidakpastian kecepatan harus anda gandakan (penerjemah, 2 kalinya). Penting pula dicatat bahwa — dibandingkan dengan satuan sehari-hari misalnya meter, kilogram dan detik – tetapan Planck amat kecil. Nyatanya, jika dijadikan satuan, nilainya sekitar 6/10.000.000.000.000.000.000.000. 000.000.000.000. Maka hasilnya, jika anda mencari benda besar seperti bola sepak, dengan massa sepertiga kilogram, dengan kisaran 1 milimeter pada sembarang arah, maka kita masih dapat mengukur kecepatannya dengan presisi bahkan lebih besar dari sepermilyar milyar milyar kilometer per jam. Karena, jika diukur dalam satuan Internasional, berat bola adalah 1/3, dan ketidakpastian posisinya 1/1.000. Karena nilainya terlalu besar dibandingkan tetapan Planck, maka kecepatan bola ini masih dapat dipastikan atau prinsip ketidakpastian tidak berlaku. Tetapi dalam satuan yang sama sebuah elektron yang bermassa 0,000000000000000000000000000001, maka situasinya cukup berbeda. Jika kita mengukur posisi elektron dengan presisi seukuran atom, prinsip ketidakpastian menjelaskan bahwa kita tak dapat mengetahui kecepatan elektron lebih presisi dari sekitar plus atau minus 1.000 kilometer per detik, yang sama sekali tidak akurat.

Menurut fisika kuantum, tidak perduli sebanyak apapun informasi yang kita dapat atau sekuat apapun kemampuan komputasi kita, keluaran dari proses fisik tak dapat diduga dengan pasti karena proses tersebut tidak ditentukan dengan kepastian. Alih-alih, dengan data keadaan awal sebuah sistem, alam menentukan keadaan masa depan sistem itu melalui proses yang tidak pasti secara mendasar. Dengan kata lain, alam tidak mendikte keluaran sembarang proses atau percobaan, bahkan dalam situasi yang paling sederhana. Malahan, alam mengijinkan banyak keluaran yang berbeda, masing-masing dengan peluang tertentu untuk terjadi. Inilah, menurut Einstein, seakan-akan Tuhan melempar dadu sebelum memutuskan keluaran dari setiap proses fisik. Gagasan ini membuat Einstein tidak nyaman sehingga meskipun dia adalah salah satu bapak fisika kuantum, dia kemudian menjadi kritis terhadapnya.

Fisika kuantum sepertinya mengesampingkan gagasan bahwa alam diatur oleh hukum, namun bukan itu intinya. Alih-alih, fisika kuantum mengarahkan kita untuk menerima bentuk baru determinisme: Jika diberikan data kondisi sistem pada suatu waktu, hukum alam menentukan probabilitas berbagai kondisi masa depan dan masa lalu, bukan menentukan keduanya dengan kepastian. Meskipun hal ini tidak menyenangkan bagi beberapa orang, fisikawan harus menerima teori-teori yang sesuai dengan percobaan, bukannya sesuai dengan gagasan awal mereka sendiri.

Apa yang dituntut sains pada sebuah teori adalah bahwa teori itu dapat diuji. Jika sifat probabilistik dari prediksi fisika kuantum tidak mungkin mengonfirmasi prediksi-prediksi itu, maka teori kuantum tidak memenuhi persyaratan teori yang valid. Namun terlepas dari sifat probabilistik dari prediksi-prediksi itu, kita masih dapat menguji teori kuantum. Contohnya, kita dapat mengulang sebuah percobaan beberapa kali dan mengonfirmasi bahwa frekuensi dari berbagai keluaran cocok dengan peluang yang diprediksi. Ambil contoh percobaan bola bucky. Fisika kuantum memberitahu kita bahwa bola bucky tidak dapat dipastikan pada lokasi tertentu sebab jika dapat dipastikan maka ketidakpastian dalam momentum menjadi tak terhingga. Nyatanya, menurut fisika kuantum, tiap partikel mempunyai sejumlah peluang ditemukan pada sembarang tempat di alam. Maka meskipun jika peluang untuk menemukan sebuah elektron di dalam peralatan celah ganda sangatlah tinggi, selalu ada peluang untuk menemukan elektron yang sama pada sisi jauh bintang Alpha Centauri, atau di kue sopir di kantin kantor. Maka, jika anda menendang bola bucky kuantum dan membuatnya terbang, tak ada keahlian atau pengetahuan yang dapat membuat anda dapat meramalkan dengan pasti di mana bola itu mendarat. Namun jika anda mengulang percobaan itu banyak kali, data yang anda dapat mewakili peluang untuk menemukan bola itu pada berbagai lokasi, dan pelaku percobaan mengonfirmasi bahwa hasil dari percobaan demikian sesuai dengan prediksi teori.

Penting untuk menyadari bahwa peluang dalam fisika kuantum berbeda dengan peluang dalam fisika Newtonian atau dalam kehidupan sehari-hari. Kita dapat memahami ini dengan cara membandingkan pola dari aliran stabil bola bucky yang ditembakkan pada layar dengan pola lubang-lubang yang dibuat oleh para pemain yang menyasar mata-banteng pada permainan dartboard. Kecuali para pemain terlalu banyak minum bir, peluang anak panah mendarat dekat pusat adalah yang paling besar dan makin berkurang bila anda bergerak menjauh. Seperti bola bucky, sembarang anak panah dapat mendarat di manapun dan makin lama sebuah pola lubang yang mencerminkan peluang akan timbul. Pada kehidupan sehari-hari kita mungkin menyatakan kondisi ini dengan mengatakan bahwa sebuah panah memiliki peluang tertentu untuk mendarat pada berbagai lokasi; namun kita mengatakan demikian, tidak sama dengan kasus bola bucky, hanya karena pengetahuan kita mengenai kondisi pelemparan adalah tidak lengkap. Kita dapat memperbaiki gambaran kita bila kita tahu persis bagaimana pemain melemparkan anak-panah, sudutnya, putarannya, kecepatan dan lain-lain. Maka pada prinsipnya kita dapat menduga di mana anak-panah mendarat dengan presisi sebaik yang kita kehendaki. Karena itu kita memakai istilah probabilistik untuk menggambarkan keluaran kejadian dalam kehidupan sehari-hari bukanlah untuk mencerminkan sifat intrinsik proses itu tetapi untuk mengabaikan aspek-aspek tertentu dari proses itu.

Probabilitas dalam teori kuantum berbeda. Probabilitas ini mencerminkan keacakan mendasar di alam. Model kuantum untuk alam mengarahkan pada prinsip-prinsip yang tidak hanya berlawanan dengan pengalaman sehari-hari kita tetapi juga dengan konsep intuitif kita mengenai kenyataan. Mereka yang menemukan prinsip-prinsip ini aneh dan sulit dipercaya ada dalam jaringan yang baik, sebuah jaringan fisikawan besar seperti Einstein dan bahkan Feynman, yang gambarannya mengenai teori kuantum akan segera kami ketengahkan. Nyatanya, Feynman pernah menulis,”Saya kira saya dengan aman dapat mengatakan bahwa tak seorang pun memahami mekanika kuantum.” Namun fisika kuantum sesuai dengan pengamatan. Fisika kuantum tak pernah gagal ujian, dan telah diuji dengan lebih banyak ujian daripada teori-teori dalam sains.

Pada tahun 1940-an Richard Feynman mempunyai pandangan menarik mengenai perbedaan antara dunia kuantum dan Newtonian. Feynman terusik dengan pertanyaan bagaimana pola interferensi timbul pada percobaan celah ganda. Ingatlah bahwa pola yang kita temukan saat menembakkan molekul dengan kedua celah terbuka bukanlah penjumlahan dari pola yang kita temukan saat kita melakukan percobaan dua kali, sekali dengan hanya satu celah terbuka, dan sekali dengan hanya celah lainnya terbuka. Alih-alih, ketika dua celah terbuka kita menemukan urutan pita terang dan gelap, yang terakhir adalah daerah di mana tak ada partikel yang mendarat. Itu berarti bahwa partikel-partikel yang akan mendarat pada pita gelap jika hanya satu celah yang terbuka ternyata tidak mendarat jika celah kedua juga terbuka. Kelihatannya seakan-akan, pada suatu tempat di perjalanannya dari sumber ke layar, partikel-partikel mendapatkan informasi mengenai kedua celah. Jenis perilaku ini berbeda drastis dari bagaimana sesuatu kelihatannya berperilaku pada kehidupan sehari-hari, di mana sebuah bola akan mengikuti jalur melalui salah satu celah dan tidak terpengaruh dengan kondisi pada jalur yang lain.

Menurut fisika Newtonian – dan sejalan dengan percobaan yang kita lakukan dengan bola sepak bukannya molekul – tiap partikel mengikuti satu trayek tunggal yang jelas dari sumbernya menuju layar. Tak ada ruang pada gambaran ini untuk penyimpangan di mana partikel berkunjung ke celah tetangganya dalam perjalanannya. Tetapi menurut model kuantum, partikel tersebut dikatakan tidak punya posisi yang jelas selama perjalanannya dari titik awal ke titik akhir. Feynman menyadari bahwa hal ini tidak harus berarti bahwa partikel tidak melalui jalur ketika berjalan dari sumber ke layar. Alih-alih, hal ini bisa berarti partikel-partikel itu melalui setiap jalur yang mungkin yang menghubungkan titik-titik itu. Inilah, tegas Feynman, yang membedakan fisika kuantum dan fisika Newtonian. Kondisi pada kedua celah berpengaruh karena, bukannya mengikuti satu jalur tunggal yang jelas, partikel-partikel melalui tiap jalur, dan mereka melalui semua jalur itu sekaligus! Kedengarannya seperti fiksi ilmiah, tetapi bukan. Feynman merumuskan suatu rumusan matematis – Penjumlahan Sejarah Feynman – yang menggambarkan gagasan ini dan mereproduksi semua hukum fisika kuantum. Pada teori Feynman, gambar matematika dan fisika berbeda dengan gambaran rumusan awal fisika kuantum, tetapi prediksinya sama.

Pada percobaan celah ganda, gagasan Feynman maksudnya partikel-partikel melalui jalur yang memasuki hanya satu celah atau hanya celah lainnya; jalur yang memutar masuk melalui celah pertama, keluar melalui celah kedua lalu melalui celah pertama lagi; jalur yang mengunjungi resto yang menghidangkan udang besar lalu mengelilingi Jupiter beberapa kali sebelum kembali pulang; bahkan jalur-jalur yang menyeberangi alam semesta lalu kembali. Menurut pandangan Feynman, ini menjelaskan bagaimana partikel mendapatkan informasi mengenai celah mana yang terbuka – jika sebuah celah terbuka maka partikel-partikel itu mengambil jalur melaluinya. Saat kedua celah terbuka, jalur-jalur di mana partikel bergerak melalui satu celah dapat bercampur dengan jalur-jalur di mana partikel bergerak melalui celah lainnya, menyebabkan interferensi. Mungkin ini kedengarannya konyol, tetapi demi tujuan sebagian besar fisika-fisika dasar yang dikerjakan hari ini – dan demi tujuan buku ini – rumusan Feynman telah terbukti lebih berguna dibandingkan rumusan-rumusan sebelumnya.

Gambar. Jalur Partikel

Fisika kuantum memberitahu kita bahwa selengkap apapun pengamatan kita tentang masa kini, masa lalu (yang tak teramati), seperti masa depan, tidaklah tertentu dan ada hanya sebagai spektrum kemungkinan. Alam semesta, menurut fisika kuantum, tidak memiliki masa lalu atau sejarah tunggal.

Pandangan Feynman mengenai kenyataan kuantum adalah penting untuk memahami teori-teori yang akan segera kami sajikan, maka tak ada ruginya menyisihkan sedikit waktu untuk merasakan bagaimana pandangan ini bekerja. Bayangkan suatu proses sederhana di mana sebuah partikel mulai pada suatu lokasi A dan bergerak bebas. Menurut model Newtonian partikel itu akan mengikuti suatu garis lurus. Setelah beberapa waktu yang pasti, kita akan temukan partikel pada lokasi pasti B. Menurut model Feynman suatu partikel kuantum akan mengambil sampel tiap jalur yang menghubungkan A dan B, mengumpulkan suatu angka yang disebut fase untuk tiap jalur. Fase itu mewakili posisi dalam daur gelombang yaitu apakah gelombang berada dalam kondisi puncak atau lembah atau posisi akurat di antaranya. Resep matematika Feynman untuk menghitung fase itu menunjukkan bahwa ketika anda menjumlahkan semua gelombang dari semua jalur anda akan dapatkan “ukuran peluang” bahwa partikel, mulai dari A, akan mencapai B. Kemudian kuadrat dari ukuran peluang itu memberikan peluang yang tepat bahwa partikel akan mencapai B.

Fase di mana tiap jalur berkontribusi pada penjumlahan Feynman (dan tentunya peluang dari A menuju B) dapat digambarkan sebagai sebuah panah yang panjangnya tetap tetapi dapat menunjuk ke sembarang arah. Untuk menambah dua fase, anda tempatkan panah yang mewakili satu fase pada ujung panah yang mewakili fase lainnya, sehingga menghasilkan panah baru yang mewakili jumlah. Untuk menambah lebih banyak fase, lanjutkan saja proses tadi. Perhatikan ketika fase-fase itu membentuk barisan, panah yang mewakilinya akan cukup panjang. Tetapi bila fase-fase itu menunjuk ke arah yang berbeda-beda, mereka cenderung membatalkan satu sama lain ketika anda menambahkannya, sehingga tidak berbentuk panah sama sekali. Gagasan ini tampak pada gambar di bawah.

Untuk melakukan resep Feynman dalam menghitung ukuran peluang bahwa sebuah partikel yang mulai pada lokasi A akan berakhir pada lokasi B, anda tambahkan fase-fase, atau panah-panah, yang bersesuaian dengan setiap jalur yang menghubungkan A dan B. Jumlah jalurnya tak terhingga sehingga persamaan matematikanya menjadi rumit, tetapi hal ini berhasil. Beberapa jalur digambarkan berikut.

Teori Feynman memberikan gambaran jelas bagaimana gambaran dunia Newtonian dapat ditimbulkan dari fisika kuantum, yang terlihat amat berbeda. Menurut teori Feynman, fase-fase yang bersesuaian dengan tiap jalur bergantung pada tetapan Planck. Teori menjelaskan bahwa karena tetapan Planck sangat kecil, ketika anda menambahkan jalur-jalur yang dekat satu sama lain maka fase-fase itu akan sangat bervariasi, sehingga sesuai gambar di atas, jumlahnya akan mendekati nol. Namun teori itu juga menunjukkan ada jalur-jalur tertentu di mana fase-fase cenderung membentuk barisan sehingga jalur-jalur ini menarik; yaitu jalur-jalur ini memberikan kontribusi lebih besar pada perilaku partikel yang diamati. Jalur-jalur tersebut menunjukkan bahwa untuk benda-benda besar, jalur-jalur yang sangat mirip dengan jalur yang diramalkan oleh Newton akan memiliki fase-fase yang mirip dan kontribusinya terbesar terhadap jumlah, sehingga satu-satunya tujuan yang peluangnya lebih dari nol adalah tujuan yang diramalkan oleh teori Newton, dan tujuan itu mempunyai peluang sangat mendekati satu. Maka benda besar bergerak sebagaimana prediksi teori Newton.

Sejauh ini kita telah membahas gagasan Feynman dalam lingkup percobaan celah ganda. Pada percobaan tersebut, partikel ditembakkan ke sebuah dinding dengan celah-celah, lalu kita mengukur lokasinya, pada sebuah layar di belakang dinding, di mana partikel mendarat. Alih-alih hanya satu partikel, teori Feynman dapat meramalkan peluang keluaran sebuah “sistem” yang lebih umum, yang bisa berarti satu partikel, satu set partikel, atau bahkan seluruh alam semesta. Antara kondisi awal sistem dan pengukuran kita tentang sifat-sifatnya, sifat-sifat itu berevolusi sedemikian rupa, yang fisikawan menyebutnya sejarah sistem. Contohnya pada percobaan celah ganda, sejarah partikel adalah jalurnya. Sama seperti percobaan celah ganda, peluang mengamati partikel mendarat pada sembarang titik bergantung pada jalur yang membawanya ke sana, Feynman menunjukkan bahwa, untuk sistem yang umum, peluang sembarang pengamatan terbentuk dari semua kemungkinan sejarah yang dapat mengarah ke pengamatan. Karena inilah metodenya disebut formulasi “jumlah atas sejarah” atau “sejarah-sejarah alternatif” dari fisika kuantum.

Sekarang kita telah memahami pendekatan Feynman untuk fisika kuantum, ini saatnya mengamati prinsip utama kuantum lainnya yang akan kami pakai kemudian – sebuah prinsip bahwa mengamati sebuah sistem berarti harus mengubah tujuan sistem itu. Tak bisakah kita, seperti yang kita lakukan ketika atasan kita tertempel noda bumbu pada dagunya, sekedar mengamatinya tetapi tidak ikut campur? Tidak. Menurut fisika kuantum, anda tak bisa “sekedar” mengamati sesuatu. Itulah, fisika kuantum menjelaskan untuk melakukan pengamatan, anda harus berinteraksi dengan obyek yang anda tengah amati. Contohnya, mengamati obyek dengan cara lama, anda menyinari obyek itu. Menyinari sebuah labu tentu menimbulkan sedikit pengaruh. Tetapi sedikit menyinari sebuah partikel mungil kuantum — yaitu menembakkan proton pada partikel itu – tentu berpengaruh besar, dan percobaan menunjukkan bahwa penyinaran ini mengubah hasil percobaan persis seperti fisika kuantum menggambarkannya.

Andaikan sebelumnya kita mengirim satu aliran partikel menuju dinding pada percobaan celah ganda lalu mengumpulkan data pada sejuta partikel pertama yang melaluinya. Ketika kita memetakan jumlah partikel yang mendarat pada berbagai titik, data akan membentuk gambar pola interferensi, lalu kita menambahkan fase-fase yang sesuai dengan semua jalur yang mungkin dari titik awal A ke titik pendaratan B, akan kita temukan bahwa peluang yang kita hitung mengenai pendaratan pada berbagai titik sesuai dengan data itu.

Sekarang kita ulangi percobaan itu, kali ini sinari celah-celah itu sehingga kita mengetahui titik antara, C, di mana partikel melaluinya. (C adalah posisi pada salah satu celah.) Ini disebut informasi “pilihan jalur” karena memberitahu kita di mana tiap partikel berjalan dari A ke celah 1 ke B, atau dari A ke celah 2 ke B. Karena kita sekarang tahu pada celah mana partikel berlalu, jalur-jalur pada penjumlahan kita untuk partikel itu hanya mengandung jalur-jalur yang berlalu melalui celah 1, atau hanya jalur-jalur yang melalui celah 2. Jalur-jalur itu tidak pernah mengandung semua jalur-jalur yang melalui celah 1 dan jalur-jalur yang melalui celah 2. Karena Feynman menjelaskan pola interferensi dengan mengatakan bahwa jalur-jalur yang melalui satu celah mempengaruhi jalur-jalur yang melalui celah yang lain maka jika anda menyinari untuk menentukan celah di mana partikel berlalu, berarti menghilangkan opsi lainnya, anda akan menghilangkan pola interferensi. Dan memang, saat percobaan dilakukan, menyalakan lampu mengubah hasil dari pola interferensi menjadi pola seperti itu ! Terlebih lagi, kita dapat membuat variasi percobaan dengan memakai sinar yang amat lemah sehingga tidak semua partikel berinteraksi dengan cahaya. Pada kasus itu kita mampu mendapatkan info pilihan-jalur untuk sekedar beberapa subkelompok partikel. Jika kita pisahkan data pendaratan partikel menurut adanya info pilihan-jalur atau tidak, akan kita temukan bahwa data untuk subkelompok yang tidak ada info pilihan-jalur akan membentuk sebuah pola interferensi, dan subkelompok data yang ada info pilihan-jalur tidak akan menunjukkan interferensi.

Gagasan ini mempunyai dampak yang penting untuk konsep kita mengenai “masa lalu”. Pada teori Newtonian, masa lalu diasumsikan ada sebagai rangkaian kejadian tertentu. Jika anda melihat bahwa vas bunga yang anda beli di Italia tahun lalu pecah di lantai dan anak batita anda berdiri di atasnya terlihat menyesal, anda dapat melacak ke belakang kejadian-kejadian itu yang mengarah ke musibah tadi: jari-jari kecil melepaskannya, vas jatuh dan meledak menjadi ribuan keping ketika menyentuh lantai. Nyatanya, dengan memberi data yang lengkap tentang masa kini, hukum Newton membuat seseorang dapat menghitung gambaran lengkap masa lalu. Ini sejalan dengan pemahaman intuitif kita bahwa, apakah suka maupun duka, dunia mempunyai masa lalu tertentu. Mungkin tak ada yang memperhatikan, tetapi masa lalu memang ada dengan pasti seakan-akan anda telah mengambil beberapa foto tentangnya. Namun sebuah bola bucky kuantum tak dapat dikatakan mempunyai jalur tertentu dari sumber ke layar. Mungkin kita telah menandai lokasi-lokasi bola bucky dengan mengamatinya, tapi di antara pengamatan-pengamatan kita, bola bucky melalui semua jalur. Fisika kuantum memberitahu kita bahwa selengkap apapun pengamatan kita tentang masa kini, masa lalu (yang tak teramati), seperti masa depan, tidaklah tertentu dan ada hanya sebagai spektrum kemungkinan. Alam semesta, menurut fisika kuantum, tidak memiliki masa lalu atau sejarah tunggal.

Kenyataan bahwa masa lalu tidak memiliki bentuk yang jelas berarti bahwa pengamatan yang anda lakukan pada sistem pada masa kini mempengaruhi masa lalu dari sistem itu. Itulah yang digarisbawahi secara dramatis oleh sejenis percobaan yang dilakukan oleh John Wheeler, yang disebut percobaan pilihan-tunda. Secara skematis, percobaan ini mirip percobaan celah ganda yang baru saja kami gambarkan, di mana anda punya pilihan untuk mengamati jalur yang partikel lalui, kecuali dalam percobaan pilihan-tunda anda menunda keputusan anda mengenai apakah mengamati jalur atau tidak hingga tepat sebelum partikel menyentuh layar deteksi.

Percobaan pilihan-tunda menghasilkan data yang identik dengan data yang kita dapat ketika memilih untuk mengamati (atau tidak mengamati) info pilihan-jalur dengan mengamati celah-celah itu sendiri. Tapi pada kasus ini jalur di mana tiap partikel lalui – yaitu masa lalu – ditentukan jauh setelah partikel itu melalui celah-celah dan kemungkinan besar harus “memutuskan” apakah melalui hanya satu celah, yang tidak menghasilkan interferensi, atau keduanya, yang menghasilkan interferensi.

Wheeler bahkan melakukan sebuah versi kosmos mengenai percobaan ini, di mana partikel yang terlibat adalah proton-proton yang dipancarkan oleh quasar-quasar yang jaraknya milyaran tahun-cahaya. Cahaya demikian dapat dipisah ke dalam dua jalur dan difokuskan ulang ke bumi dengan cara gaya gravitasi oleh sebuah galaksi yang ikut terlibat. Meskipun percobaan ini masih di luar jangkauan teknologi terkini, jika kita dapat mengumpulkan cukup proton dari cahaya demikian, proton-proton itu pasti membentuk pola interferensi. Namun jika kita menempatkan sebuah alat untuk mengukur info pilihan-jalur beberapa saat sebelum proton terdeteksi, pola itu pasti hilang. Pilihan untuk memilih satu atau kedua jalur pada kasus ini telah diputuskan miliaran tahun yang lalu, sebelum bumi atau bahkan mungkin matahari terbentuk, akan tetapi pengamatan kita di laboratorium telah mempengaruhi pilihan itu.

Pada bab ini kami telah menggambarkan fisika kuantum dengan memakai percobaan celah ganda. Berikutnya kami akan memakai rumusan Feynman mengenai mekanika kuantum terhadap alam semesta secara menyeluruh. Kita akan melihat bahwa, seperti partikel, alam semesta tidak mempunyai sejarah tunggal, tetapi setiap sejarah yang mungkin, masing-masing dengan peluangnya sendiri-sendiri; dan pengamatan kita terhadap kondisi saat ini mempengaruhi masa lalu dan menentukan sejarah-sejarah alam semesta yang berbeda-beda, persis pengamatan partikel pada percobaan celah ganda mempengaruhi masa lalu partikel. Analisa ini akan menunjukkan bagaimana hukum alam pada alam semesta kita timbul dari dentuman besar. Namun sebelum kita memeriksa bagaimana hukum ini timbul, kita akan berbincang sedikit mengenai apa saja hukum-hukum itu, dan beberapa misteri yang mereka hasilkan.

Dapatkah teori yang dibangun berdasarkan kerangka kerja yang begitu asing dalam kehidupan sehari-hari juga menjelaskan kejadian-kejadian biasa yang dimodelkan dengan begitu akurat oleh fisika klasik? Bisa, untuk kita dan orang-orang di sekitar kita yang terbentuk dari struktur yang padat, tersusun dari sekian banyaknya atom, lebih banyak daripada jumlah bintang di alam semesta yang teramati.

 

Pada tahun 1999 SEKELOMPOK FISIKAWAN di Austria menembakkan rangkaian molekul berbentuk bola sepak ke sebuah penghalang. Molekul-molekul ini, masing-masing terbuat dari enampuluh atom karbon, terkadang disebut bola bucky karena arsitek Buckminster Fuller membangun bangunan berbentuk bola sepak. Kubah geodesi Fuller mungkin benda berbentuk bola sepak terbesar yang ada. Sedangkan bola bucky adalah yang terkecil. Penghalang memiliki dua celah di mana bola bucky dapat memasukinya. Di belakang dinding itu, fisikawan meletakkan sebuah layar untuk mendeteksi dan menghitung molekul-molekul yang lolos.

Jika kita merancang percobaan serupa dengan bola sepak sebenarnya, kita memerlukan seorang pemain yang bidikannya bergetar tapi mampu menendang bola dengan konsisten sesuai kecepatan yang kita pilih. Kita akan memposisikan pemain ini di depan dinding di mana terdapat dua celah. Di belakang dinding kita letakkan jaring sangat panjang yang sejajar dengan dinding itu. Sebagian besar tendangan pemain akan membentur dinding dan terpental kembali, namun beberapa akan lolos melalui satu celah atau lainnya sehingga sampai ke jaring. Jika celah hanya sedikit lebih besar dari bola, dua aliran besar bola akan timbul pada jaring. Jika celah sedikit lebih lebar, tiap aliran akan mengecil , seperti tampak pada gambar.

Amati bila kita menutup salah satu celah, aliran yang bersesuaian tidak bisa lolos lagi, tapi hal ini tidak mempengaruhi aliran yang lain. Jika kita membuka kembali celah kedua, itu hanya menambah jumlah bola yang mendarat pada sisi mana pun dari jaring, sehingga jumlah bola yang lolos adalah bola yang melewati celah yang tetap terbuka, ditambah bola-bola lain yang lolos dari celah yang baru dibuka. Dengan kata lain, yang kita amati saat kedua celah terbuka adalah penjumlahan dari yang kita amati ketika tiap celah terbuka secara terpisah. Ini adalah hal biasa dalam kehidupan sehari-hari. Tetapi hal ini tidak sama dengan yang diamati peneliti Austria ketika mereka menembakkan molekul.

Pada percobaan tersebut, membuka celah kedua memang menambah jumlah molekul yang tiba pada sembarang titik pada layar – tetapi hal ini mengurangi jumlah molekul yang tiba pada titik-titik lainnya, sebagaimana gambar di bawah. Nyatanya, ada lokasi-lokasi di mana tidak ada bola bucky yang mendarat ketika dua celah terbuka tetapi bola bucky mendarat ketika hanya satu celah yang terbuka. Hal ini sepertinya amat aneh. Bagaimana bisa membuka celah kedua menyebabkan molekul lebih sedikit mendarat pada titik tertentu?

Kita akan dapat petunjuk dengan memeriksa detilnya. Pada percobaan, banyak bola molekul mendarat pada suatu lokasi di tengah-tengah separuh jalur antara mana anda berharap bola-bola itu mendarat jika bola-bola itu melewati salah satu celah. Sedikit lebih jauh dari posisi tengah itu sedikit sekali molekul mendarat, tetapi lebih jauh lagi, banyak molekul lagi-lagi mendarat. Pola ini bukanlah penjumlahan dari pola-pola yang dibentuk ketika tiap celah dibuka terpisah, namun mungkin anda mengenalinya dari Bab 3 sebagai ciri pola interferensi gelombang. Daerah-daerah di mana tidak ada molekul yang mendarat sesuai dengan daerah di mana gelombang-gelombang dari dua celah tiba keluar fase, sehingga menciptakan interferensi destruktif; daerah-daerah di mana banyak molekul datang sesuai dengan daerah di mana gelombang-gelombang tiba di dalam fase sehingga menciptakan interferensi konstruktif.

Selama dua ribu tahun pertama atau lebih dari ide-ide ilmiah, pengalaman dan intuisi biasa merupakan dasar penjelasan teori. Saat kita memperbaiki teknologi dan memperluas jangkauan fenomena yang dapat kita amati, kita mulai menemukan perilaku alam yang makin tidak sejalan dengan pengalaman sehari-hari dan karena itu tidak sejalan dengan intuisi kita, sebagaimana percobaan dengan memakai bola bucky. Percobaan ini merupakan jenis fenomena di mana tak dapat dijelaskan oleh sains klasik tapi dapat digambarkan oleh apa yang disebut fisika kuantum. Nyatanya, Richard Feynman menulis bahwa percobaan dua-celah seperti di atas “mengandung semua misteri mekanika kuantum.”

Prinsip-prinsip fisika kuantum dikembangkan pada dekade-dekade pertama abad keduapuluh setelah teori Newton ditemukan tidak memadai untuk menggambarkan alam pada level atom atau sub-atom. Teori dasar fisika menjelaskan gaya-gaya alam dan bagaimana benda bereaksi terhadapnya. Teori klasik Newton dibangun dengan kerangka-kerja yang mencerminkan kehidupan sehari-hari, di mana benda material memiliki keberadaan satu per satu, dapat diletakkan pada tempat yang pasti, mengikuti jalur yang ditentukan dan sebagainya.  Fisika kuantum menyediakan kerangka kerja untuk memahami bagaimana alam bekerja pada skala atom dan sub-atom, tetapi sebagaimana kita lihat lebih detil, teori ini mengajarkan skema konseptual yang sama sekali berbeda, di mana posisi, jalur dan masa lalu atau masa depan tidak dapat diramalkan dengan akurat. Gaya dalam teori kuantum seperti gravitasi  atau elektromagnetik dibangun pada kerangka dasar itu.

Dapatkah teori yang dibangun berdasarkan kerangka kerja yang begitu asing dalam kehidupan sehari-hari juga menjelaskan kejadian-kejadian biasa yang dimodelkan dengan begitu akurat oleh fisika klasik? Bisa, untuk kita dan orang-orang di sekitar kita yang terbentuk dari struktur yang padat, tersusun dari sekian banyaknya atom, lebih banyak daripada jumlah bintang di alam semesta yang teramati. Dan meskipun atom-atom penyusun mematuhi prinsip-prinsip fisika kuantum, seseorang dapat menunjukkan bahwa sekumpulan besar unsur-unsur penyusun bola sepak, lobak, jumbo jet – dan kita – akan menghindari penyebaran saat ditembakkan melewati celah-celah. Sehingga meskipun komponen-komponen benda sehari-hari mematuhi fisika kuantum, hukum Newton tetap membentuk teori efektif yang menggambarkan dengan sangat akurat bagaimana struktur padat yang menyusun dunia sehari-hari berperilaku.

Hal di atas mungkin terdengar aneh, tetapi ada banyak kejadian dalam sains di mana sekumpulan besar bertindak sedemikian hingga berbeda dengan tindakan satu per satu komponennya. Tanggapan satu sel saraf sangat sulit mewakili tanggapan sekumpulan saraf otak manusia, demikian pula perilaku sebuah molekul air tidak dapat menggambarkan perilaku danau. Dalam teori fisika kuantum, fisikawan masih bekerja untuk mencari tahu secara rinci bagaimana hukum Newton timbul dari ranah kuantum. Apa yang kami tahu adalah bahwa komponen dari semua benda mematuhi fisika kuantum, dan hukum Newton merupakla pendekatan yang baik untuk menggambarkan bagaimana benda-benda besar yang terbuat dari komponen kuantum berperilaku.

Dengan demikian prediksi teori Newton cocok dengan gambaran kenyataan yang kita kembangkan selagi kita mengalami dunia di sekitar kita. Namun satu per satu atom dan molekul bertindak dengan cara yang jelas berbeda dari sifat-sifat yang kita alami sehari-hari. Fisika kuantum adalah model baru kenyataan yang memberi kita gambaran alam semesta. Ini adalah gambaran di mana banyak konsep dasar kenyataan menurut pemahaman intuitif kita ternyata tak lagi bermakna.

Percobaan celah ganda dilakukan pertama kali pada tahun 1927 oleh Clinton Davisson dan Lester Germer, keduanya adalah fisikawan eksperimental di Laboratorium Bell yang mempelajari bagaimana sinar elektron – benda yang jauh lebih sederhana dari bola bucky – berinteraksi dengan sebuah kristal yang terbuat dari nikel. Kenyataan bahwa partikel materi seperti elektron berperilaku seperti gelombang air merupakan jenis percobaan mengagumkan yang menggugah fisika kuantum. Karena perilaku ini tidak teramati pada skala makroskopis, sudah lama para ilmuwan bertanya-tanya seberapa besar dan rumit suatu benda tetapi masih menunjukkan sifat-sifat gelombang. Tentunya amat mengherankan bila hasil percobaan ini dapat ditunjukkan dengan memakai manusia atau kuda nil, namun sebagaimana kami katakan, secara umum, semakin besar benda maka semakin tak terlihat dan samar efek kuantumnya. Maka tidak mungkin bila sembarang binatang di kebun binatang akan bersifat gelombang saat melalui jeruji-jeruji kandang mereka. Tetapi, fisikawan eksperimental telah mengamati fenomena gelombang dengan partikel yang makin lama makin besar. Ilmuwan berharap mengulang percobaan bola bucky suatu hari nanti dengan memakai virus, yang tidak hanya jauh lebih besar tetapi dianggap sebagai benda hidup.

Hanya ada beberapa aspek fisika kuantum yang diperlukan untuk memahami pendapat-pendapat kami pada bab-bab berikutnya. Salah satu aspek adalah dualitas gelombang/partikel. Bahwa partikel materi yang bertindak seperti gelombang mengherankan semua orang. Bahwa cahaya bertindak seperti gelombang tidak lagi mengherankan. Perilaku cahaya seperti gelombang terlihat alami bagi kita dan telah diterima sebagai kenyataan selama hampir dua abad. Jika anda menyinari dua celah pada percobaan di atas, dua gelombang akan timbul dan bertemu di layar. Pada beberapa titik tertentu puncak-puncak dan lembah-lembah gelombang akan bertemu dan membentuk daerah terang; pada titik-titik yang lain puncak dari satu sinar akan bertemu dengan lembah gelombang sinar yang lain, saling membatalkan, dan membentuk daerah gelap. Fisikawan Inggris Thomas Young telah melakukan percobaan ini pada awal abad kesembilanbelas, meyakinkan orang-orang bahwa cahaya adalah gelombang dan bukan, sebagaimana keyakinan Newton, tersusun dari partikel.

Meski seseorang boleh saja menyimpulkan bahwa Newton salah saat mengatakan cahaya bukanlah gelombang, dia benar saat dia berkata bahwa cahaya dapat bertindak seakan-akan tersusun dari partikel. Hari ini kita menyebut partikel-partikel itu sebagai foton. Karena kita tersusun dari banyak sekali atom, cahaya yang kita lihat setiap hari berbentuk padat dalam arti terbuat dari banyak sekali foton – bahkan cahaya malam 1 watt memancarkan milyaran milyaran foton tiap detik. Satu per satu foton biasanya tidak dapat dibuktikan, namun di laboratorium kita dapat menghasilkan seberkas cahaya yang begitu lemah yang tersusun dari aliran satu foton, yang dapat kita deteksi sebagai satu foton seperti kita mendeteksi satu per satu elektron atau bola bucky. Dan kita dapat mengulang percobaan Young dengan memakai sinar yang sedemikian tipis sehingga foton-foton mencapai penghalang satu demi satu, dengan jeda beberapa detik antara tiap kedatangan. Jika kita dapat melakukannya, lalu menjumlah semua tumbukan yang tercatat pada layar yang jauh dari penghalang, kita temukan bahwa secara bersama-sama foton membentuk pola interferensi yang sama bila kita melakukan percobaan Davisson-Germer. Percobaan Davisson-Germer menembakkan elektron (atau bola bucky) pada layar satu demi satu. Bagi para fisikawan, percobaan ini merupakan pembuktian yang mengejutkan: jika satu per satu partikel berinterferensi dengan sesamanya, maka partikel itu menjadi bersifat gelombang cahaya; berlaku tidak hanya untuk seberkas sinar sekumpulan foton tetapi juga untuk masing-masing partikel.

Inilah, menurut Einstein, seakan-akan Tuhan melempar dadu sebelum memutuskan keluaran dari setiap proses fisik. Gagasan ini membuat Einstein tidak nyaman sehingga meskipun dia adalah salah satu bapak fisika kuantum, dia kemudian menjadi kritis terhadapnya.

Prinsip utama lainnya dari fisika kuantum adalah prinsip ketidakpastian, dirumuskan oleh Werner Heisenberg pada tahun 1926. Prinsip ketidakpastian menjelaskan bahwa ada batasan pada kemampuan kita untuk mengukur data-data tertentu secara sekaligus, misalnya posisi dan kecepatan partikel. Contohnya, menurut prinsip ketidakpastian, jika anda mengalikan ketidakpastian posisi partikel dengan ketidaskpastian momentumnya (massa partikel kali kecepatan partikel), maka hasilnya tak pernah lebih kecil dari angka tertentu, yang disebut tetapan Planck. Sulit mengatakannya tetapi gampangnya begini: Semakin akurat anda mengukur kecepatan, maka semakin tidak akurat anda dapat ukur posisinya, dan sebaliknya. Misalnya, jika ketidakpastian posisi mencapai setengahnya maka ketidakpastian kecepatan harus anda gandakan (penerjemah, 2 kalinya). Penting pula dicatat bahwa — dibandingkan dengan satuan sehari-hari misalnya meter, kilogram dan detik – tetapan Planck amat kecil. Nyatanya, jika dijadikan satuan, nilainya sekitar 6/10.000.000.000.000.000.000.000. 000.000.000.000. Maka hasilnya, jika anda mencari benda besar seperti bola sepak, dengan massa sepertiga kilogram, dengan kisaran 1 milimeter pada sembarang arah, maka kita masih dapat mengukur kecepatannya dengan presisi bahkan lebih besar dari sepermilyar milyar milyar kilometer per jam. Karena, jika diukur dalam satuan Internasional, berat bola adalah 1/3, dan ketidakpastian posisinya 1/1.000. Karena nilainya terlalu besar dibandingkan tetapan Planck, maka kecepatan bola ini masih dapat dipastikan atau prinsip ketidakpastian tidak berlaku. Tetapi dalam satuan yang sama sebuah elektron yang bermassa 0,000000000000000000000000000001, maka situasinya cukup berbeda. Jika kita mengukur posisi elektron dengan presisi seukuran atom, prinsip ketidakpastian menjelaskan bahwa kita tak dapat mengetahui kecepatan elektron lebih presisi dari sekitar plus atau minus 1.000 kilometer per detik, yang sama sekali tidak akurat.

Menurut fisika kuantum, tidak perduli sebanyak apapun informasi yang kita dapat atau sekuat apapun kemampuan komputasi kita, keluaran dari proses fisik tak dapat diduga dengan pasti karena proses tersebut tidak ditentukan dengan kepastian. Alih-alih, dengan data keadaan awal sebuah sistem, alam menentukan keadaan masa depan sistem itu melalui proses yang tidak pasti secara mendasar. Dengan kata lain, alam tidak mendikte keluaran sembarang proses atau percobaan, bahkan dalam situasi yang paling sederhana. Malahan, alam mengijinkan banyak keluaran yang berbeda, masing-masing dengan peluang tertentu untuk terjadi. Inilah, menurut Einstein, seakan-akan Tuhan melempar dadu sebelum memutuskan keluaran dari setiap proses fisik. Gagasan ini membuat Einstein tidak nyaman sehingga meskipun dia adalah salah satu bapak fisika kuantum, dia kemudian menjadi kritis terhadapnya.

Fisika kuantum sepertinya mengesampingkan gagasan bahwa alam diatur oleh hukum, namun bukan itu intinya. Alih-alih, fisika kuantum mengarahkan kita untuk menerima bentuk baru determinisme: Jika diberikan data kondisi sistem pada suatu waktu, hukum alam menentukan probabilitas berbagai kondisi masa depan dan masa lalu, bukan menentukan keduanya dengan kepastian. Meskipun hal ini tidak menyenangkan bagi beberapa orang, fisikawan harus menerima teori-teori yang sesuai dengan percobaan, bukannya sesuai dengan gagasan awal mereka sendiri.

Apa yang dituntut sains pada sebuah teori adalah bahwa teori itu dapat diuji. Jika sifat probabilistik dari prediksi fisika kuantum tidak mungkin mengonfirmasi prediksi-prediksi itu, maka teori kuantum tidak memenuhi persyaratan teori yang valid. Namun terlepas dari sifat probabilistik dari prediksi-prediksi itu, kita masih dapat menguji teori kuantum. Contohnya, kita dapat mengulang sebuah percobaan beberapa kali dan mengonfirmasi bahwa frekuensi dari berbagai keluaran cocok dengan peluang yang diprediksi. Ambil contoh percobaan bola bucky. Fisika kuantum memberitahu kita bahwa bola bucky tidak dapat dipastikan pada lokasi tertentu sebab jika dapat dipastikan maka ketidakpastian dalam momentum menjadi tak terhingga. Nyatanya, menurut fisika kuantum, tiap partikel mempunyai sejumlah peluang ditemukan pada sembarang tempat di alam. Maka meskipun jika peluang untuk menemukan sebuah elektron di dalam peralatan celah ganda sangatlah tinggi, selalu ada peluang untuk menemukan elektron yang sama pada sisi jauh bintang Alpha Centauri, atau di kue sopir di kantin kantor. Maka, jika anda menendang bola bucky kuantum dan membuatnya terbang, tak ada keahlian atau pengetahuan yang dapat membuat anda dapat meramalkan dengan pasti di mana bola itu mendarat. Namun jika anda mengulang percobaan itu banyak kali, data yang anda dapat mewakili peluang untuk menemukan bola itu pada berbagai lokasi, dan pelaku percobaan mengonfirmasi bahwa hasil dari percobaan demikian sesuai dengan prediksi teori.

Penting untuk menyadari bahwa peluang dalam fisika kuantum berbeda dengan peluang dalam fisika Newtonian atau dalam kehidupan sehari-hari. Kita dapat memahami ini dengan cara membandingkan pola dari aliran stabil bola bucky yang ditembakkan pada layar dengan pola lubang-lubang yang dibuat oleh para pemain yang menyasar mata-banteng pada permainandartboard. Kecuali para pemain terlalu banyak minum bir, peluang anak panah mendarat dekat pusat adalah yang paling besar dan makin berkurang bila anda bergerak menjauh. Seperti bola bucky, sembarang anak panah dapat mendarat di manapun dan makin lama sebuah pola lubang yang mencerminkan peluang akan timbul. Pada kehidupan sehari-hari kita mungkin menyatakan kondisi ini dengan mengatakan bahwa sebuah panah memiliki peluang tertentu untuk mendarat pada berbagai lokasi; namun kita mengatakan demikian, tidak sama dengan kasus bola bucky, hanya karena pengetahuan kita mengenai kondisi pelemparan adalah tidak lengkap. Kita dapat memperbaiki gambaran kita bila kita tahu persis bagaimana pemain melemparkan anak-panah, sudutnya, putarannya, kecepatan dan lain-lain. Maka pada prinsipnya kita dapat menduga di mana anak-panah mendarat dengan presisi sebaik yang kita kehendaki. Karena itu kita memakai istilah probabilistik untuk menggambarkan keluaran kejadian dalam kehidupan sehari-hari bukanlah untuk mencerminkan sifat intrinsik proses itu tetapi untuk mengabaikan aspek-aspek tertentu dari proses itu.

Probabilitas dalam teori kuantum berbeda. Probabilitas ini mencerminkan keacakan mendasar di alam. Model kuantum untuk alam mengarahkan pada prinsip-prinsip yang tidak hanya berlawanan dengan pengalaman sehari-hari kita tetapi juga dengan konsep intuitif kita mengenai kenyataan. Mereka yang menemukan prinsip-prinsip ini aneh dan sulit dipercaya ada dalam jaringan yang baik, sebuah jaringan fisikawan besar seperti Einstein dan bahkan Feynman, yang gambarannya mengenai teori kuantum akan segera kami ketengahkan. Nyatanya, Feynman pernah menulis,”Saya kira saya dengan aman dapat mengatakan bahwa tak seorang pun memahami mekanika kuantum.” Namun fisika kuantum sesuai dengan pengamatan. Fisika kuantum tak pernah gagal ujian, dan telah diuji dengan lebih banyak ujian daripada teori-teori dalam sains.

Pada tahun 1940-an Richard Feynman mempunyai pandangan menarik mengenai perbedaan antara dunia kuantum dan Newtonian. Feynman terusik dengan pertanyaan bagaimana pola interferensi timbul pada percobaan celah ganda. Ingatlah bahwa pola yang kita temukan saat menembakkan molekul dengan kedua celah terbuka bukanlah penjumlahan dari pola yang kita temukan saat kita melakukan percobaan dua kali, sekali dengan hanya satu celah terbuka, dan sekali dengan hanya celah lainnya terbuka. Alih-alih, ketika dua celah terbuka kita menemukan urutan pita terang dan gelap, yang terakhir adalah daerah di mana tak ada partikel yang mendarat. Itu berarti bahwa partikel-partikel yang akan mendarat pada pita gelap jika hanya satu celah yang terbuka ternyata tidak mendarat jika celah kedua juga terbuka. Kelihatannya seakan-akan, pada suatu tempat di perjalanannya dari sumber ke layar, partikel-partikel mendapatkan informasi mengenai kedua celah. Jenis perilaku ini berbeda drastis dari bagaimana sesuatu kelihatannya berperilaku pada kehidupan sehari-hari, di mana sebuah bola akan mengikuti jalur melalui salah satu celah dan tidak terpengaruh dengan kondisi pada jalur yang lain.

Menurut fisika Newtonian – dan sejalan dengan percobaan yang kita lakukan dengan bola sepak bukannya molekul – tiap partikel mengikuti satu trayek tunggal yang jelas dari sumbernya menuju layar. Tak ada ruang pada gambaran ini untuk penyimpangan di mana partikel berkunjung ke celah tetangganya dalam perjalanannya. Tetapi menurut model kuantum, partikel tersebut dikatakan tidak punya posisi yang jelas selama perjalanannya dari titik awal ke titik akhir. Feynman menyadari bahwa hal ini tidak harus berarti bahwa partikel tidak melalui jalur ketika berjalan dari sumber ke layar. Alih-alih, hal ini bisa berarti partikel-partikel itu melalui setiap jalur yang mungkin yang menghubungkan titik-titik itu. Inilah, tegas Feynman, yang membedakan fisika kuantum dan fisika Newtonian. Kondisi pada kedua celah berpengaruh karena, bukannya mengikuti satu jalur tunggal yang jelas, partikel-partikel melalui tiap jalur, dan mereka melalui semua jalur itusekaligus! Kedengarannya seperti fiksi ilmiah, tetapi bukan. Feynman merumuskan suatu rumusan matematis – Penjumlahan Sejarah Feynman – yang menggambarkan gagasan ini dan mereproduksi semua hukum fisika kuantum. Pada teori Feynman, gambar matematika dan fisika berbeda dengan gambaran rumusan awal fisika kuantum, tetapi prediksinya sama.

Pada percobaan celah ganda, gagasan Feynman maksudnya partikel-partikel melalui jalur yang memasuki hanya satu celah atau hanya celah lainnya; jalur yang memutar masuk melalui celah pertama, keluar melalui celah kedua lalu melalui celah pertama lagi; jalur yang mengunjungi resto yang menghidangkan udang besar lalu mengelilingi Jupiter beberapa kali sebelum kembali pulang; bahkan jalur-jalur yang menyeberangi alam semesta lalu kembali. Menurut pandangan Feynman, ini menjelaskan bagaimana partikel mendapatkan informasi mengenai celah mana yang terbuka – jika sebuah celah terbuka maka partikel-partikel itu mengambil jalur melaluinya. Saat kedua celah terbuka, jalur-jalur di mana partikel bergerak melalui satu celah dapat bercampur dengan jalur-jalur di mana partikel bergerak melalui celah lainnya, menyebabkan interferensi. Mungkin ini kedengarannya konyol, tetapi demi tujuan sebagian besar fisika-fisika dasar yang dikerjakan hari ini – dan demi tujuan buku ini – rumusan Feynman telah terbukti lebih berguna dibandingkan rumusan-rumusan sebelumnya.

Fisika kuantum memberitahu kita bahwa selengkap apapun pengamatan kita tentang masa kini, masa lalu (yang tak teramati), seperti masa depan, tidaklah tertentu dan ada hanya sebagai spektrum kemungkinan. Alam semesta, menurut fisika kuantum, tidak memiliki masa lalu atau sejarah tunggal.

 

Pandangan Feynman mengenai kenyataan kuantum adalah penting untuk memahami teori-teori yang akan segera kami sajikan, maka tak ada ruginya menyisihkan sedikit waktu untuk merasakan bagaimana pandangan ini bekerja. Bayangkan suatu proses sederhana di mana sebuah partikel mulai pada suatu lokasi A dan bergerak bebas. Menurut model Newtonian partikel itu akan mengikuti suatu garis lurus. Setelah beberapa waktu yang pasti, kita akan temukan partikel pada lokasi pasti B. Menurut model Feynman suatu partikel kuantum akan mengambil sampel tiap jalur yang menghubungkan A dan B, mengumpulkan suatu angka yang disebut fase untuk tiap jalur. Fase itu mewakili posisi dalam daur gelombang yaitu apakah gelombang berada dalam kondisi puncak atau lembah atau posisi akurat di antaranya. Resep matematika Feynman untuk menghitung fase itu menunjukkan bahwa ketika anda menjumlahkan semua gelombang dari semua jalur anda akan dapatkan “ukuran peluang” bahwa partikel, mulai dari A, akan mencapai B. Kemudian kuadrat dari ukuran peluang itu memberikan peluang yang tepat bahwa partikel akan mencapai B.

Fase di mana tiap jalur berkontribusi pada penjumlahan Feynman (dan tentunya peluang dari A menuju B) dapat digambarkan sebagai sebuah panah yang panjangnya tetap tetapi dapat menunjuk ke sembarang arah. Untuk menambah dua fase, anda tempatkan panah yang mewakili satu fase pada ujung panah yang mewakili fase lainnya, sehingga menghasilkan panah baru yang mewakili jumlah. Untuk menambah lebih banyak fase, lanjutkan saja proses tadi. Perhatikan ketika fase-fase itu membentuk barisan, panah yang mewakilinya akan cukup panjang. Tetapi bila fase-fase itu menunjuk ke arah yang berbeda-beda, mereka cenderung membatalkan satu sama lain ketika anda menambahkannya, sehingga tidak berbentuk panah sama sekali. Gagasan ini tampak pada gambar di bawah.

Untuk melakukan resep Feynman dalam menghitung ukuran peluang bahwa sebuah partikel yang mulai pada lokasi A akan berakhir pada lokasi B, anda tambahkan fase-fase, atau panah-panah, yang bersesuaian dengan setiap jalur yang menghubungkan A dan B. Jumlah jalurnya tak terhingga sehingga persamaan matematikanya menjadi rumit, tetapi hal ini berhasil. Beberapa jalur digambarkan berikut.

Teori Feynman memberikan gambaran jelas bagaimana gambaran dunia Newtonian dapat ditimbulkan dari fisika kuantum, yang terlihat amat berbeda. Menurut teori Feynman, fase-fase yang bersesuaian dengan tiap jalur bergantung pada tetapan Planck. Teori menjelaskan bahwa karena tetapan Planck sangat kecil, ketika anda menambahkan jalur-jalur yang dekat satu sama lain maka fase-fase itu akan sangat bervariasi, sehingga sesuai gambar di atas, jumlahnya akan mendekati nol. Namun teori itu juga menunjukkan ada jalur-jalur tertentu di mana fase-fase cenderung membentuk barisan sehingga jalur-jalur ini menarik; yaitu jalur-jalur ini memberikan kontribusi lebih besar pada perilaku partikel yang diamati. Jalur-jalur tersebut menunjukkan bahwa untuk benda-benda besar, jalur-jalur yang sangat mirip dengan jalur yang diramalkan oleh Newton akan memiliki fase-fase yang mirip dan kontribusinya terbesar terhadap jumlah, sehingga satu-satunya tujuan yang peluangnya lebih dari nol adalah tujuan yang diramalkan oleh teori Newton, dan tujuan itu mempunyai peluang sangat mendekati satu. Maka benda besar bergerak sebagaimana prediksi teori Newton.

Sejauh ini kita telah membahas gagasan Feynman dalam lingkup percobaan celah ganda. Pada percobaan tersebut, partikel ditembakkan ke sebuah dinding dengan celah-celah, lalu kita mengukur lokasinya, pada sebuah layar di belakang dinding, di mana partikel mendarat. Alih-alih hanya satu partikel, teori Feynman dapat meramalkan peluang keluaran sebuah “sistem” yang lebih umum, yang bisa berarti satu partikel, satu set partikel, atau bahkan seluruh alam semesta. Antara kondisi awal sistem dan pengukuran kita tentang sifat-sifatnya, sifat-sifat itu berevolusi sedemikian rupa, yang fisikawan menyebutnya sejarah sistem. Contohnya pada percobaan celah ganda, sejarah partikel adalah jalurnya. Sama seperti percobaan celah ganda, peluang mengamati partikel mendarat pada sembarang titik bergantung pada jalur yang membawanya ke sana, Feynman menunjukkan bahwa, untuk sistem yang umum, peluang sembarang pengamatan terbentuk dari semua kemungkinan sejarah yang dapat mengarah ke pengamatan. Karena inilah metodenya disebut formulasi “jumlah atas sejarah” atau “sejarah-sejarah alternatif” dari fisika kuantum.

Sekarang kita telah memahami pendekatan Feynman untuk fisika kuantum, ini saatnya mengamati prinsip utama kuantum lainnya yang akan kami pakai kemudian – sebuah prinsip bahwa mengamati sebuah sistem berarti harus mengubah tujuan sistem itu. Tak bisakah kita, seperti yang kita lakukan ketika atasan kita tertempel noda bumbu pada dagunya, sekedar mengamatinya tetapi tidak ikut campur? Tidak. Menurut fisika kuantum, anda tak bisa “sekedar” mengamati sesuatu. Itulah, fisika kuantum menjelaskan untuk melakukan pengamatan, anda harus berinteraksi dengan obyek yang anda tengah amati. Contohnya, mengamati obyek dengan cara lama, anda menyinari obyek itu. Menyinari sebuah labu tentu menimbulkan sedikit pengaruh. Tetapi sedikit menyinari sebuah partikel mungil kuantum — yaitu menembakkan proton pada partikel itu – tentu berpengaruh besar, dan percobaan menunjukkan bahwa penyinaran ini mengubah hasil percobaan persis seperti fisika kuantum menggambarkannya.

Andaikan sebelumnya kita mengirim satu aliran partikel menuju dinding pada percobaan celah ganda lalu mengumpulkan data pada sejuta partikel pertama yang melaluinya. Ketika kita memetakan jumlah partikel yang mendarat pada berbagai titik, data akan membentuk gambar pola interferensi, lalu kita menambahkan fase-fase yang sesuai dengan semua jalur yang mungkin dari titik awal A ke titik pendaratan B, akan kita temukan bahwa peluang yang kita hitung mengenai pendaratan pada berbagai titik sesuai dengan data itu.

Sekarang kita ulangi percobaan itu, kali ini sinari celah-celah itu sehingga kita mengetahui titik antara, C, di mana partikel melaluinya. (C adalah posisi pada salah satu celah.) Ini disebut informasi “pilihan jalur” karena memberitahu kita di mana tiap partikel berjalan dari A ke celah 1 ke B, atau dari A ke celah 2 ke B. Karena kita sekarang tahu pada celah mana partikel berlalu, jalur-jalur pada penjumlahan kita untuk partikel itu hanya mengandung jalur-jalur yang berlalu melalui celah 1, atau hanya jalur-jalur yang melalui celah 2. Jalur-jalur itu tidak pernah mengandung semua jalur-jalur yang melalui celah 1 dan jalur-jalur yang melalui celah 2. Karena Feynman menjelaskan pola interferensi dengan mengatakan bahwa jalur-jalur yang melalui satu celah mempengaruhi jalur-jalur yang melalui celah yang lain maka jika anda menyinari untuk menentukan celah di mana partikel berlalu, berarti menghilangkan opsi lainnya, anda akan menghilangkan pola interferensi. Dan memang, saat percobaan dilakukan, menyalakan lampu mengubah hasil dari pola interferensi menjadi pola seperti itu ! Terlebih lagi, kita dapat membuat variasi percobaan dengan memakai sinar yang amat lemah sehingga tidak semua partikel berinteraksi dengan cahaya. Pada kasus itu kita mampu mendapatkan info pilihan-jalur untuk sekedar beberapa subkelompok partikel. Jika kita pisahkan data pendaratan partikel menurut adanya info pilihan-jalur atau tidak, akan kita temukan bahwa data untuk subkelompok yang tidak ada info pilihan-jalur akan membentuk sebuah pola interferensi, dan subkelompok data yang ada info pilihan-jalur tidak akan menunjukkan interferensi.

Gagasan ini mempunyai dampak yang penting untuk konsep kita mengenai “masa lalu”. Pada teori Newtonian, masa lalu diasumsikan ada sebagai rangkaian kejadian tertentu. Jika anda melihat bahwa vas bunga yang anda beli di Italia tahun lalu pecah di lantai dan anak batita anda berdiri di atasnya terlihat menyesal, anda dapat melacak ke belakang kejadian-kejadian itu yang mengarah ke musibah tadi: jari-jari kecil melepaskannya, vas jatuh dan meledak menjadi ribuan keping ketika menyentuh lantai. Nyatanya, dengan memberi data yang lengkap tentang masa kini, hukum Newton membuat seseorang dapat menghitung gambaran lengkap masa lalu. Ini sejalan dengan pemahaman intuitif kita bahwa, apakah suka maupun duka, dunia mempunyai masa lalu tertentu. Mungkin tak ada yang memperhatikan, tetapi masa lalu memang ada dengan pasti seakan-akan anda telah mengambil beberapa foto tentangnya. Namun sebuah bola bucky kuantum tak dapat dikatakan mempunyai jalur tertentu dari sumber ke layar. Mungkin kita telah menandai lokasi-lokasi bola bucky dengan mengamatinya, tapi di antara pengamatan-pengamatan kita, bola bucky melalui semua jalur. Fisika kuantum memberitahu kita bahwa selengkap apapun pengamatan kita tentang masa kini, masa lalu (yang tak teramati), seperti masa depan, tidaklah tertentu dan ada hanya sebagai spektrum kemungkinan. Alam semesta, menurut fisika kuantum, tidak memiliki masa lalu atau sejarah tunggal.

Kenyataan bahwa masa lalu tidak memiliki bentuk yang jelas berarti bahwa pengamatan yang anda lakukan pada sistem pada masa kini mempengaruhi masa lalu dari sistem itu. Itulah yang digarisbawahi secara dramatis oleh sejenis percobaan yang dilakukan oleh John Wheeler, yang disebut percobaan pilihan-tunda. Secara skematis, percobaan ini mirip percobaan celah ganda yang baru saja kami gambarkan, di mana anda punya pilihan untuk mengamati jalur yang partikel lalui, kecuali dalam percobaan pilihan-tunda anda menunda keputusan anda mengenai apakah mengamati jalur atau tidak hingga tepat sebelum partikel menyentuh layar deteksi.

Percobaan pilihan-tunda menghasilkan data yang identik dengan data yang kita dapat ketika memilih untuk mengamati (atau tidak mengamati) info pilihan-jalur dengan mengamati celah-celah itu sendiri. Tapi pada kasus ini jalur di mana tiap partikel lalui – yaitu masa lalu – ditentukan jauh setelah partikel itu melalui celah-celah dan kemungkinan besar harus “memutuskan” apakah melalui hanya satu celah, yang tidak menghasilkan interferensi, atau keduanya, yang menghasilkan interferensi.

Wheeler bahkan melakukan sebuah versi kosmos mengenai percobaan ini, di mana partikel yang terlibat adalah proton-proton yang dipancarkan oleh quasar-quasar yang jaraknya milyaran tahun-cahaya. Cahaya demikian dapat dipisah ke dalam dua jalur dan difokuskan ulang ke bumi dengan cara gaya gravitasi oleh sebuah galaksi yang ikut terlibat. Meskipun percobaan ini masih di luar jangkauan teknologi terkini, jika kita dapat mengumpulkan cukup proton dari cahaya demikian, proton-proton itu pasti membentuk pola interferensi. Namun jika kita menempatkan sebuah alat untuk mengukur info pilihan-jalur beberapa saat sebelum proton terdeteksi, pola itu pasti hilang. Pilihan untuk memilih satu atau kedua jalur pada kasus ini telah diputuskan miliaran tahun yang lalu, sebelum bumi atau bahkan mungkin matahari terbentuk, akan tetapi pengamatan kita di laboratorium telah mempengaruhi pilihan itu.

Pada bab ini kami telah menggambarkan fisika kuantum dengan memakai percobaan celah ganda. Berikutnya kami akan memakai rumusan Feynman mengenai mekanika kuantum terhadap alam semesta secara menyeluruh. Kita akan melihat bahwa, seperti partikel, alam semesta tidak mempunyai sejarah tunggal, tetapi setiap sejarah yang mungkin, masing-masing dengan peluangnya sendiri-sendiri; dan pengamatan kita terhadap kondisi saat ini mempengaruhi masa lalu dan menentukan sejarah-sejarah alam semesta yang berbeda-beda, persis pengamatan partikel pada percobaan celah ganda mempengaruhi masa lalu partikel. Analisa ini akan menunjukkan bagaimana hukum alam pada alam semesta kita timbul dari dentuman besar. Namun sebelum kita memeriksa bagaimana hukum ini timbul, kita akan berbincang sedikit mengenai apa saja hukum-hukum itu, dan beberapa misteri yang mereka hasilkan.

Maka anda bisa memanjangkan hidup anda dengan terus menerus terbang ke arah timur mengelilingi bumi, meski anda akan bosan menonton film di pesawat

Jika anda menghampiri gelombang bunyi di udara maka gelombang itu akan mendekati anda lebih cepat. Dan jika anda menjauhinya, gelombang itu akan lebih pelan mendekati anda. Miripnya, jika ether ada, kecepatan cahaya akan berbeda-beda bergantung pada gerakan relatif anda terhadap ether. Nyatanya, jika cahaya berlaku seperti bunyi, seperti orang di dalam pesawat jet supersonik yang takkan pernah mendengar suara apapun yang memancar dari belakang, demikian halnya pengelana yang bergerak cukup cepat melalui ether dapat meninggalkan gelombang cahaya di belakang. Berdasarkan hipotesa ini, Maxwell melakukan sebuah percobaan. Jika ether ada, bumi pasti bergerak melaluinya selagi mengedari matahari. Dan karena bumi bergerak dengan arah yang berbeda pada Januari daripada, misalnya, pada April atau Juli, seseorang pasti dapat mengamati sedikit perbedaan pada kecepatan cahaya pada waktu-waktu yang berbeda dalam setahun – lihat gambar di bawah ini:

Maxwell dinasehati agar tidak menerbitkan gagasannya di Proceedings of the Royal Society oleh editornya, yang tidak yakin percobaannya berhasil. Namun pada tahun 1879, sesaat sebelum dia meninggal pada usia 48 tahun karena kanker perut yang parah, Maxwell mengirim surat pada temannya mengenai gagasan ini. Surat ini kemudian diterbitkan pada jurnal Nature setelah dia wafat, yang dibaca oleh, salah satunya, fisikawan Amerika bernama Albert Michelson. Terinspirasi oleh hipotesa Maxwell, pada tahun 1887 Michelson dan Edward Morley melakukan percobaan sangat peka yang dirancang untuk mengukur kecepatan cahaya ketika bumi berkeliling melalui ether. Gagasan mereka adalah membandingkan kecepatan cahaya dalam dua arah berbeda, dengan sudut yang tepat. Jika kecepatan bumi merupakan tetapan relatif terhadap ether, pengukuran ini akan mengungkap kecepatan cahaya yang berbeda bergantung pada arah pancaran. Namun Michelson dan Morley tidak mengamati adanya perbedaan.

Hasil percobaan Michelson dan Morley jelas berlawanan dengan model yang menjelaskan bahwa gelombang elektromagnetik bergerak melalui ether sehingga model ether seharusnya dibuang. Namun tujuan percobaan Michelson adalah mengukur kecepatan bumi relatif terhadap ether, bukannya membuktikan atau menolak hipotesa ether, dan apa yang dia temukan tidak membuatnya menyimpulkan bahwa ether tidak ada. Tak ada orang lain yang menyimpulkan hal ini juga. Nyatanya, fisikawan terkenal Sir William Thomson (Lord Kelvin) berkata pada tahun 1884 bahwa ether adalah “satu-satunya substansi yang membuat kita percaya diri dalam bidang dinamika. Salah satu yang kita merasa pasti dan itulah kenyataan dan substansi dari luminiferous ether.”

Bagaimana anda bisa mempercayai ether dengan mengabaikan hasil percobaan Michelson-Morley ? Seperti kami katakana hal demikian sering terjadi, orang berusaha mempertahankan model dengan tambahan-tambahan yang akal-akalan dan asumsi-asumsi. Beberapa ilmuwan membuat postulat bahwa bumi menyeret ether ketika bergerak, sehingga kita sebenarnya tidak sedang bergerak terhadap ether. Fisikawan Belanda Hendrik Antoon Lorentz dan fisikawan Irlandia George Francis FitzGerald menyatakan bahwa pada sebuah kerangka yang sedang bergerak terhadap ether, mungkin karena efek mekanis yang masih belum diketahui, waktu akan melambat dan jarak akan memendek, sehingga seseorang akan masih mengukur cahaya dengan kecepatan yang tetap sama. Upaya-upaya demikian dilakukan untuk mempertahankan konsep ether berlangsung hampir dua puluh tahun hingga tulisan menakjubkan oleh juru ketik muda dan tidak terkenal di kantor paten di Berne, Albert Einstein.

Einstein berumur duapuluh enam pada tahun 1905 ketika dia menerbitkan tulisannya “Zur Elektrodynamik bewegter Korper” (“On the Electrodynamics of Moving Bodies”). Di dalam tulisan itu dia membuat asumsi sederhana bahwa hukum-hukum fisika dan pada khususnya kecepatan cahaya seharusnya tampak sama terhadap semua pengamat yang bergerak secara seragam. Gagasan ini membutuhkan revolusi dalam konsepsi kita mengenai ruang dan waktu. Bayangkan dua kejadian yang berlangsung pada tempat yang sama tetapi pada waktu yang berbeda, di pesawat jet. Untuk seorang pengamat di dalam pesawat, tidak ada jarak antara dua kejadian ini. Tetapi bagi pengamat kedua di bumi, dua kejadian ini dipisahkan oleh jarak di mana jet bergerak selama selang waktu antara dua kejadian ini. Ini menunjukkan bahwa dua pengamat yang saling bergerak relatif satu sama lain tidak akan sepakat mengenai jarak antara dua kejadian.

Sekarang andaikan dua pengamat mengamati denyut cahaya yang bergerak dari ekor pesawat ke hidungnya. Seperti contoh di atas, mereka berdua tidak akan sepakat mengenai jarak yang ditempuh cahaya dari pemancar di ekor hingga penerima di hidung. Karena kecepatan adalah jarak yang ditempuh dibagi waktu yang diperlukan, ini berarti jika mereka berdua sepakat mengenai kecepatan di mana denyut itu bergerak – kecepatan cahaya – mereka tidak akan sepakat mengenai selang waktu antara pancaran dan penerimaan denyut.

Yang membuat hal ini aneh adalah bahwa, meskipun dua pengamat mencatat waktu yang berbeda, mereka sedang melihat proses fisika yang sama. Einstein tidak berusaha membangun penjelasan buatan untuk gagasan ini. Dia menarik kesimpulan yang logis dan menarik bahwa pengukuran waktu yang diperlukan, seperti pengukuran jarak yang ditempuh, bergantung pada pengamat yang sedang melakukan pengukuran. Pengaruh ini merupakan salah satu kata kunci menuju teori pada makalah Einstein tahun 1905, yang kemudian dikenal dengan relativitas khusus.

Kita dapat melihat bagaimana analisa ini berlaku untuk alat pencatat waktu jika kita anggap dua pengamat sedang melihat jam. Relativitas khusus menerangkan bahwa jam akan bergerak lebih cepat menurut pengamat yang posisinya diam terhadap jam. Bagi pengamat yang tidak diam terhadap jam, jam akan bergerak lebih lambat. Jika kita membandingkan denyut cahaya yang bergerak dari ekor ke kepala pesawat dengan detak jam, kita melihat bahwa bagi pengamat di bumi jam akan bergerak lebih lambat karena pancaran cahaya harus bergerak lebih jauh dalam kerangka acuan itu. Namun pengaruh ini tidak bergantung pada mekanisme jam; pengaruh ini berlaku untuk semua jam, bahkan untuk jam biologis kita.

Teori Einstein menunjukkan bahwa, seperti konsep pengamat yang diam, waktu tidaklah mutlak sebagaimana pandangan Newton. Dengan kata lain, tidak mungkin menetapkan untuk setiap kejadian patokan waktu di mana setiap pengamat sepakat. Alih-alih, tiap pengamat mempunyai hasil pengukuran sendiri, dan waktu yang diukur oleh dua pengamat yang bergerak relatif satu sama lain tidak akan sama. Gagasan Einstein ini membentur intuisi kita sebab penerapannya tidak dapat diamati pada kecepatan yang dapat kita catat pada kehidupan normal sehari-hari. Namun gagasan ini telah dibuktikan berulang-ulang lewat percobaan. Contohnya, bayangkan sebuah jam acuan pada pusat bumi, jam lain pada permukaan bumi dan jam ketiga di dalam pesawat, yang terbang searah atau melawan arah rotasi bumi. Dengan acuan jam di pusat bumi, jam di pesawat yang bergerak ke timur – searah rotasi bumi—akan bergerak lebih cepat daripada jam di permukaan bumi, sehingga jam di pesawat berdetak lebih lambat. Hal serupa terjadi, dengan acuan jam di pusat bumi, jam di pesawat yang terbang ke barat – melawan rotasi bumi – bergerak lebih lambat daripada jam di permukaan, yang berarti jam di pesawat berdetak lebih cepat. Dan contoh ini terbukti pada percobaan yang dilakukan pada Oktober 1971 ketika jam atom yang sangat akurat diterbangkan mengelilingi dunia. Maka anda bisa memanjangkan hidup anda dengan terus menerus terbang ke arah timur mengelilingi bumi, meski anda akan bosan menonton film di pesawat. Tetapi, pengaruhnya sangat kecil, sekitar 1/ 180 milyar detik tiap putaran (dan pengaruh ini entah bagaimana juga diperkecil oleh perbedaan gravitasi, namun kami perlu menampilkan pengaruh itu di sini).

Bayangkan anda ingin bepergian dari New York ke Madrid, dua kota yang berada pada garis lintang yang hampir sama. Jika bumi ini datar, rute terpendek akan berupa garis lurus ke timur. Jika anda melakukan demikian, anda akan tiba di Madrid setelah menempuh jarak 5931 km. Namun karena lengkungan bumi, ada jalur yang pada peta datar terlihat melengkung sehingga lebih panjang, tetapi sebenarnya lebih pendek. Anda bisa menempuh 5768 km bila mengikuti rute lingkaran-akbar, yang awalnya mengarah ke timur laut lalu sedikit demi sedikit membelok ke timur lalu ke arah tenggara. Selisih jarak antara dua rute ini disebabkan oleh kelengkungan bumi, tanda dari geometri non-Euclidean. Maskapai mengetahui hal ini dan mengatur para pilotnya untuk mengikuti rute lingkaran-akbar bila memungkinkan.

Berkat hasil kerja Einstein, fisikawan menyadari bahwa dengan menetapkan kecepatan cahaya sama untuk semua kerangka acuan, teori Maxwell mengenai kelistrikan dan kemagnetan mengajarkan bahwa waktu tak dapat dipisahkan dari tiga dimensi ruang. Alih-alih, waktu dan ruang saling berjalinan. Ini seperti menambahkan arah keempat berupa masa depan/masa lalu pada tiga arah biasa yaitu kiri/kanan, maju/mundur, dan atas/bawah. Fisikawan menyebut perkawinan antara ruang dan waktu dengan “ruang-waktu.” Nah, karena ruang-waktu berisi arah keempat, mereka menyebutnya dimensi keempat. Dalam ruang-waktu, waktu tidak lagi terpisah dari tiga dimensi ruang. Pendeknya, sebagaimana definisi kiri/kanan, maju/mundur atau atas/bawah bergantung pada orientasi pengamat, demikian pula arah waktu juga bervariasi bergantung pada kecepatan pengamat. Pengamat-pengamat yang bergerak dengan kecepatan yang berbeda akan memilih arah waktu yang berbeda pula dalam ruang-waktu. Karena itu teori relativitas khusus Einstein menjadi model baru yang membuang konsep waktu mutlak dan diam mutlak (contohnya diam yang berhubungan dengan ether yang tetap).

Einstein lalu menyadari bahwa untuk membuat gravitasi cocok dengan relativitas maka perlu ada perubahan. Menurut teori gravitasi Newton, pada sembarang waktu benda-benda tertarik satu sama lain oleh suatu gaya yang bergantung pada jarak antara benda-benda itu pada saat itu. Namun teori relativitas telah membuang konsep waktu mutlak, karena itu tidak mungkin mendefinisikan kapan jarak antara kedua massa itu seharusnya diukur. Sehingga teori gravitasi Newton tidak konsisten dengan relativitas khusus sehingga harus dimodifikasi. Modifikasi ini hanya sekedar hal-hal teknis, mungkin sedikit rincian yang bisa dilakukan tanpa perubahan besar pada teorinya. Ketika modifikasi ini muncul, salah satu teori tidaklah lebih benar dari lainnya.

Selama sebelas tahun Einstein mengembangkan teori gravitasi yang baru, yang dia namakan relativitas umum. Konsep gravitasi dalam relativitas umum sama sekali berbeda dengan gravitasi dalam hukum Newton. Alih-alih, konsep ini berdasarkan gagasan revolusioner bahwa ruang-waktu tidaklah datar, seperti diasumsikan sebelumnya, namun melengkung dan dipengaruhi massa dan energi di dalamnya.

Cara yang baik untuk melukiskan kelengkungan adalah memikirkan permukaan bumi. Meskipun permukaan bumi hanya dua dimensi (karena hanya dua arah di sepanjang permukaan, katakanlah utara/selatan dan timur/barat), kami akan memakainya sebagai contoh sebab ruang dua-dimensi lengkung lebih mudah digambarkan daripada ruang empat-dimensi lengkung. Geometri dari ruang lengkung seperti permukaan bumi bukanlah geometri Euclidean yang kita kenal. Contohnya, pada permukaan bumi, jarak terpendek dari dua titik – yang kita kenal sebagai garis dalam geometri Euclidean – adalah jalur yang menghubungkan dua titik di sepanjang apa yang disebut lingkaran-akbar. (lingkaran akbar adalah lingkaran di sepanjang permukaan bumi yang titik pusatnya sekaligus adalah pusat bumi. Khattulistiwa adalah contoh lingkaran-akbar, sehingga sembarang lingkaran didapat dengan memutar-mutar khattulistiwa di sepanjang diameter-diameter yang berbeda-beda.)

Bayangkan anda ingin bepergian dari New York ke Madrid, dua kota yang berada pada garis lintang yang hampir sama. Jika bumi ini datar, rute terpendek akan berupa garis lurus ke timur. Jika anda melakukan demikian, anda akan tiba di Madrid setelah menempuh jarak 5931 km. Namun karena lengkungan bumi, ada jalur yang pada peta datar terlihat melengkung sehingga lebih panjang, tetapi sebenarnya lebih pendek. Anda bisa menempuh 5768 km bila mengikuti rute lingkaran-akbar, yang awalnya mengarah ke timur laut lalu sedikit demi sedikit membelok ke timur lalu ke arah tenggara. Selisih jarak antara dua rute ini disebabkan oleh kelengkungan bumi, tanda dari geometri non-Euclidean. Maskapai mengetahui hal ini dan mengatur para pilotnya untuk mengikuti rute lingkaran-akbar bila memungkinkan.

Menurut hukum gerakan Newton, benda-benda seperti meriam, jemblem dan planet bergerak pada garis lurus kecuali dikenai gaya terhadapnya, misalnya gravitasi. Namun gravitasi, pada teori Einstein, bukanlah gaya sebagaimana gaya-gaya yang lain; namun, gravitasi merupakan akibat dari massa yang menarik-narik ruang-waktu, sehingga tercipa kelengkungan. Menurut teori Einstein, benda bergerak dalam geodesic, yaitu bentuk terdekat dengan garis lurus pada ruang lengkung. Garis adalah geodesic pada ruang datar dan lingkaran akbar adalah geodesic pada permukaan bumi. Bila tidak ada materi, geodesic dalam ruang-waktu empat-dimensi sesuai dengan garis pada ruang tiga-dimensi. Namun ketika materi ada, menarik-narik ruang-waktu, jalur benda pada lengkungan permukaan tiga-dimensi sedemikian hingga sebagaimana pada teori Newton dijelaskan sebagai tarikan gravitasi. Ketika ruang-waktu tidak datar, jalur benda terlihat bengkok, sehingga terkesan ada gaya yang sedang bekerja pada jalur itu.

Teori relativitas umum akan menghasilkan relativitas khusus jika gravitasi tidak ada, dan relativitas khusus membuat prediksi-prediksi yang hampir sama dengan teori gravitas Newton dalam lingkungan gravitasi-lemah di tata surya – meski tidak sepenuhnya. Nyatanya, jika relativitas khusus tidak diperhitungkan dalam sistem navigasi satelit GPS, error pada posisi global akan berakumulasi hingga sepuluh kilometer per hari! Namun, pentingnya relativitas khusus bukanlah pada aplikasinya pada peralatan yang memandu anda ke restoran baru, tetapi lebih pada bahwa ini adalah model alam semesta yang sangat berbeda, yang memprediksi efek-efek baru seperti gelombang gravitasi dan lubang hitam. Demikian pula teori ini telah mengubah fisika menjadi geometri. Teknologi modern cukup peka untuk melakukan banyak pengujian terhadap relativitas umum, dan teori ini berhasil lulus pada tiap pengujian itu.

Meskipun keduanya, teori elektromagnetisme dan relativitas umum, merupakan revolusi dalam fisika namun keduanya, seperti hukum fisika Newton, masih teori klasik. Karena kedunya merupakn model di mana alam semesta mempunyai sejarah tunggal. Seperti kita lihat pada bab sebelumnya, pada tingkat atom dan sub-atom model-model ini tidak cocok dengan pengamatan. Alih-alih, kami harus memakai teori kuantum di mana alam semesta dapat mempunyai sejarah sembarang yang mungkin, masing-masing dengan intensitas dan peluangnya sendiri-sendiri. Untuk perhitungan praktis pada kehidupan sehari-hari, kita dapat terus memakai teori-teori klasik, tapi bila kita ingin memahami perilaku atom dan molekul, kita membutuhkan versi kuantum dari teori elektromagnetisme Maxwell; dan jika kita ingin memahami tahap dini alam semesta, ketika semua materi dan energi di alam semesta termampatkan dalam volume yang kecil, kita harus mempunyai versi kuantum dari teori relativitas umum. Kita juga membutuhkan versi kuantum bila kita sedang mencari pemahaman dasar dari alam semesta, tentunya tidak konsisten bila beberapa hukum adalah versi kuantum sedangkan yang lain adalah versi klasik. Karena itu kita harus mencari versi kuantum dari semua hukum alam. Teori-teori demikian disebut teori medan kuantum.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s