SEJARAH MEKANIKA KUANTUM DAN MANFAATNYA DALAM MENANGGULANGI COVID-19

 

Sepanjang sejarah sains, telah mengalami berbagai perkembangan. Apabila kita melakukan penelusuran maka setiap sejarah akan memberikan cerita dan gambaran. Sains merupakan ilmu yang menjelaskan tentang berbagai fenomena yang ada di alam, setiap gejala ataupun fenomena dalam sains telah memberikan suatu konsep-konsep baru yang dikemukakan oleh seseorang yang kemudian menjadi hukum. Apabila kita menelusuri maka fisika sebagai bagian dari sains telah memeberikan banyak tulisan sejarah yang sampai sekarang masih digunakan dan memberikan manfaat yang luar biasa.

Berbicara tentang perkembangan fisika maka di awali dari Teori Gravitasi dengan model Newtonian pada tahu 1900-an, yang selanjutnya diganti dengan Teori relativitas umum oleh Albert Einstein. Pada masa itu terdapat terobosan besar di bidang mekanika quantum oleh ilmuwan semisal Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, dan Richard Feynman, di antara tak terhitung lainnya . Apa yang dulu dianggap model standar ternyata tidak memadai seiring berjalannya waktu dan para ilmuwan berjuang memikirkan ulang pemahaman mereka akan alam semesta dalam pencarian teori yang dapat menyatukan semua fenomena fisikal. Di zaman modern, cita-cita ini tak kunjung terpenuhi. Namun, riset sains teoritis telah menghasilkan perkembangan sebuah teori baru yang dapat menyusul model standar terkini.

Menginagat banyak pergeseran dan perkembangan ilmu pengetahuan, maka dalam fisika terdapat bagian perubahan, yaitu dari era klasik ke ere modern. Mekanika kuantum merupakan bagian dari yang menggantikan mekanika klasik pada tataran sistem atom dan subatom. Sistem yang mengikuti mekanika kuantum ini dapat berada dalam superposisi kuantum pada keadaan yang berbeda, tidak seperti pada fisika klasik. Ilmu ini memberikan kerangka matematika untuk berbagai cabang fisika dan kimia, termasuk fisika atom, fisika molekular, kimia komputasi, kimia kuantum, fisika partikel, dan fisika nuklir. Mekanika kuantum adalah bagian dari teori medan kuantum dan fisika kuantum umumnya, yang, bersama relativitas umum, merupakan salah satu pilar fisika modern. Dasar dari mekanika kuantum adalah bahwa energi itu tidak kontinu, tetapi diskrit berupa 'paket' atau 'kuanta'. Konsep ini cukup revolusioner, karena bertentangan dengan fisika klasik yang berasumsi bahwa energi itu berkesinambungan.

Model standar fisika mutakhir mengandung cacat dasar, meski didalamnya terdiri dari dua teori terpisah, teori Relativitas Umum dan teori Mekanika Quantum. Kedua teori menyediakan prediksi akurat dan pantas manakala diterapkan pada titik ekstrim masing-masing; Relativitas Umum bekerja dengan baik saat memprediksi fenomena terkait benda-benda raksasa angkasa, sedangkan Mekanika Quantum bekerja dengan baik saat memprediksi fenomena terkait benda-benda amat kecil seperti proton, elektron, quark, dan foton. Meskipun kedua teori ini akurat apabila dipakai secara tepat, akan tetapi apabila digunakan secara bersamaan akan membuat ketidakcocokan.

Teori Relativitas Umum memanfaatkan konsep permukaan tiga dimensi halus dan lengkung yang di atasnya semua benda bermassa berada; gravitasi kemudian dipahami lahir sebagai akibat massa-massa besar menekuk ruang-waktu dan membuat massa-massa kecil jatuh ke arah atau ke sekeliling mereka. Salah satu hal terpenting relativitas adalah kehalusan sempurna malaran ruang-waktu, yang menjadi penyebab keruntuhan teori itu sendiri. Teori Mekanika Quantum menyatakan bahwa untuk partikel kecil semacam elektron dan foton, tidak bisa dibuat prediksi deterministik menyangkut atribut aksi partikel; maka penaksiran terbaik adalah memanfaatkan berbagai probabilitas yang dapat diprediksi berdasarkan informasi status-status partikel. Ini disebabkan oleh alam partikel-partikel kecil yang bergolak dan sangat bervariasi dalam hal aksi; semakin dekat kita melakukan zooming untuk mengamati aksi partikel-partikel kecil, semakin terdistorsi dan bergolak pergerakan mereka. Memakai konstants G, c, dan ħ, ditemukanlah sebuah konstanta untuk panjang amatan terkecil di mana fenomena masih bisa diamati sebelum fluktuasi quantum tak dapat diprediksi sama sekali: Panjang Planck.

Lalu timbul masalah dalam upaya menyatukan kedua teori: karena malaran ruang-waktu diprediksi halus tak terhingga, secara teoritis seharusnya memungkinkan untuk dilakukan zooming terus-menerus terhadapnya sambil mengamati malaran yang semakin halus; namun gara-gara Mekanika Quantum, zooming semakin dekat akhirnya membuat distorsi fluktuasi quantum semakin nyata. Disturbansi pada malaran ruang-waktu ini paling kelihatan pada [jarak] panjang Planck, sehingga mustahil menyelidiki lebih jauh tanpa menyebabkan salah satu teori mencampakkan teori lain. Ini tidak dapat dimengerti dalam konteks tertentu semisal black hole dan semasa big bang di mana partikel-partikel amat berat dan kecil terlibat, menuntut penggunaan kedua teori. Masalah fundamental ini dapat dipecahkan dalam kerangka Teori String di mana Mekanika Quantum maupun Relativitas Umum mungkin tersatukan.

Seratus tahun berselang setelah kemunculan teori relativitas Einstein serta Interperetasi Copenhagen yang telah meruntuhkan teori saiins yang dianggap mapan selama ratusan tahun, mulai tanggal 23 Februari 2019, tiba-tiba seluruh dunia terhenyak akan ancaman sebuah virus mematikan dengan nama Covid 19. Bukan hanya kalangan ilmuwan yang dibuat bingung, tapi seluruh warga dunia, yang melintasi batas-batas kenegaraan, dibuat panik, bingung, takut, mengalami ancaman hantu kecemasan pada saat datangnya virus yang secara tiba-tiba menjadi ancaman global ini.

Terlepas dari asal-muasal Virus Corona yang menyerang setiap negara di dunia termasuk Amerika Serikat dengan korban yang sangat besar setelah China serta Italia, Teori Relativitas Einstein serta penemuan Mekanika Kuantum pada bentuk mikroorganisme partikel-perteikel sub-atom pada awal abad ke-20, hanya membingungkan serta membuat putus asa kalangan para fisikawan internasional saja. Sementara si kecil Corona pada awal abad ke-21, telah membuat panik kalangan ilmuwan serta medis di seluruh dunia, dan juga segenap lapisan masyarakat, dari kalangan intelektual sampai kalangan biasa.

Penerapan mekanika kuantum dalam kemajuan saat ini, telah dapat membantu dalam penanganan Covid-19. Apabila dipandang dari sudut ilmu fisika, khususnya fisika quantum sangat pesat perkembangannya setelah dipadukan dengan kemajuan ilmu computer. Alat biofisika yang banyak dipergunakan di Eropa antara lain produksi Rusia, yang disebut mampu memetakan berbagai factor mulai dari gelombang telepon selular sampai identifikasi virus tertentu dan kuman serta bakteri tertentu, serta kemungkinan kontaminasi dengan logam berat dan bahan bersifat karsinogenik. Selain itu seiring berkembangnya zaman, hasil penemuan-penemuan dari mekanika kuantum juga sangat bermanfaat seperti GPS. GPS lekat dengan salah satu teori fisika temuan Einstein. Begitu juga dengan telefon seluler dan komputer yang kita pakai, tak akan pernah eksis tanpa adanya mekanika kuatum, salah satu cabang fisika yang didalami peraih Nobel Fisika 1999 Prof Gerard 't Hooft (kini berusia 70 tahun).

Kembali menelusuri pernyataan tersebut, maka mekanika kuantum telah hadir menjdi solusi untuk penanganan covid seperti yang telah diterapkan oleh Yogyakarta untuk mengecek penyebaran virus dengan memnfaatkan GPS, teknologi ini juga telah digunakan oleh Taiwan. Selain dari model GPS sumbangsih mekanika kuantum juga dapat diketahui dari penggunaan aplikasi dalam pemantauan Covid-19, di Indonesia yang telah digunakan adalah aplikasi PeduliLindungi dan Fight COVID-19, sedangkan di luar negeri menggunakan TraceTogether di Singapura Covid Symptom Tracker di London, AC19 di Iran, Home Quarantine di Polandia dan Close Contact Detector di China.

Continue reading →

TEKNOLOGI KUANTUM DI ERA CORONAVIRUS

Dalam acara Big Questions Forum VI. Innovator 4.0 Indonesia, teknologi kuantum merupakan babak selanjutnya dari cabang ilmu fisika. Fisika kuantum yang merupakan bagian dari fisika modern mengamati material sampai level yang paling kecil, yaitu atom. Penerapannya pada revolusi tahap pertama sudah dirasakan umat manusia, dari komputer dan ponsel, peralatan medis, sampai lampu LED hemat energi. Selanjutnya, sedang dikembangkan implementasi dalam bidang komputasi masa depan, komunikasi lebih aman ataupun optimasi berbagai sistem seperti logistik dan keuangan. Saat ini, berbagai negara besar berlomba mengembangkan teknologi kuantum dengan dukungan dana besar. Sebut saja Amerika Serikat dengan anggaran USD 1,2 miliar, China USD 987 juta sampai Inggris dengan uang USD 1 miliar.

Sebuah coronavirus baru yang menyebar dari pasar makanan laut di Wuhan sekarang mengamuk di seluruh dunia, terutama di China. Sejauh ini, lebih dari 3000 orang telah terbunuh, dan lebih dari 100.000 orang terinfeksi, miliaran orang harus mengisolasi di rumah untuk menghindari infeksi silang. Jenis disinfector digunakan untuk membunuh virus, seperti alkohol obat, yodium dan bahkan busa. Dalam industri, radiasi sinar dan partikel dapat digunakan untuk membunuh bakteri dan virus dengan cepat dan efektif.

Iradiasi berkas elektron dengan keunggulan khusus dapat menonaktifkan mikroorganisme morbigen yang menempel pada makanan, sementara berdampak lebih kecil pada kualitas produk. Seperti dilansir Luchsinger dkk., Iradiasi berkas elektron dapat membunuh escherichia coli dan salmonella pada babi, dan dianggap memiliki potensi besar dalam melindungi keamanan makanan.

Untuk COVID-19, karena penelitian terbaru menunjukkan bahwa metode transmisi utama adalah semprotan dan pelekatan, virus pada akhirnya akan tetap berada di permukaan objek. Dibandingkan dengan metode pemanasan gelombang mikro untuk membunuh virus, iradiasi berkas elektron dengan beberapa energi keV hanya dapat memfokuskan kehilangan energi pada virus permukaan secara lebih efektif. Selain itu, iradiasi berkas elektron juga dapat diterapkan dalam pengembangan vaksin terkait virus untuk inaktivasi yang akurat, analisis pencitraan mikroskop elektron dari struktur virus. Meskipun banyak penyelidikan tentang iradiasi elektron pada virus telah dilakukan di seluruh dunia, karena wabah bencana coronavirus yang cepat, realisasi coronavirus baru (COVID-19) masih belum cukup. Bagaimana elektron iradiasi berinteraksi dengan coronavirus novel (COVID-19) masih belum jelas. Mempertimbangkan percobaan elektron yang menyinari coronavirus yang sulit dicapai pada tahap ini, investigasi teoretis melalui simulasi numerik menjadi metode penting kelayakan.

Continue reading →

PERJALANAN TEORI RELATIVITAS SAMPAI PADA ERA COVID

Pada tahun 1915, setelah Einstein mengemukakan apa yang dikenal orang sebagai “teori relativitas umum” telah lahir sebuah pandangan baru tentang struktur ruang dan waktu, yang sama sekali sangat berbeda dengan pandangan ruang dan waktu yang absolut dari cara pandang fisika Newton. Kosmologi Einstein tidak lagi memandang waktu sebagai sesuatu yang absolut, tetapi derajatnya sama dengan ruang yang relatif.

Penulisan ruang dan waktu, tidak lagi tepat, tetapi ruang-waktu sebagai sebuah struktur dinamis, yang mempengaruhi serta dipengaruhi apa yang terjadi di alam semesta ini. Terkait dengan visi Einstein tidak mengherankan bagi fisikawan India yang datang belakangan, Fritchop Capra dalam The Turning Point (2000), bahwa teori relativitas Einstein telah memaksa kita untuk menerima ruang-waktu sebagai konsep relatif, yang direduksi peran subyektif elemen-eleman bahasa yang digunakan oleh pengamat tertentu untuk menggambarkan fenomena alam. Kalau ruang-waktu menjadi relatif, lalu di mana posisi fisika yang diklaim sebagai ilmu pasti itu?

Awal abad ke-20, adalah juga saat-saat para fisikawan Interpretasi Copenhagen menghadapi sebuah kebingungan serta sok mengahadapi kondisi paradoks sejumlah penemuan sains, sampai fisikawan besar seperti Niels Bohr menyatakan, “Anyone who has not been shocked by quantum physics has not understood it.” (Seseorang yang tidak sok dengan fisika kuantum, tidak memahaminya). Niehl Bohr, Louis de Broglie, Erwin Schrodinger, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, serta Paul Dirac adalah fisikawan-fisikawan berusaha memecahkan teka-teki Teori Kuantum, serta membuat mereka mengalami kebingungan tak berujung. Teori Kuantum jauh melampaui teori relativitas Einstein dalam menghempaskan pandangan fisika klasik yang telah dipandang sebagai ilmu pasti.

Fisika sebelumnya dipandang sebagai ukuran kebenaran mutlak dari ilmu alam yang mewarisi semangat dua imam modernitas: Rene Descartes (1566- 1650) serta Isaac Newton, (lahir, 1642) ditambah cara berpikir positivistik dari Auguste Comte (1798-1857). Namun yang datang kemudian, fisika yang diposisikan pada kedudukan tinggi pada ilmu alam, yang memberi legitimasi bagi pandangan tunggal ala positivisme, mengalami penghancuran konstruksi dari bangunannnya sendiri.

Teori Relativitas Umum menggoncang sendi-sendi fisika, terkait dengan “alam kabir” (jagat besar) seperti hubungan antara galaksi di alam semesta ini. Sementara Teori Kuantum menghancurkannya dengan penjelasan detail dari “alam shagir” (jagat kecil) realitas partikel sub-atomik. Hasil kajian para fisikawan internasional ini, sangat bertolak belakang dengan pandangan postivisme tentang alam semesta: eksperiemn atom adalah realitas paradoks yang membuat para ilmuwan bersedih, putus asa serta sebuah kesadaran baru muncul bahwa untuk menggambarkan fenomena atom saja, konsep-konsep dasar serta seluruh dari cara berpikir mereka, tidaklah memadai untuk mendeskprisikannya. Awal abad 20 itu telah membuktikan, bahwa unit-unit materi sub atom seperti proton, elektron, dan neutron yang mengelilingi nukleus bersifat abstrak. Dan memiliki aspek ganda. Kalau fisika itu ilmu pasti, aspek ganda itu tidak mesti ada. Faktanya menunjukkan, bahwa melalui hipotesis dari Broglie, serta dibuktikan melalui eksperimen C.J. Davidson serta L.H. Germer bahwa kaitan antara partikel dengan gelombang: gelombang dapat bersifat sebagai partikel serta partikel dapat bersifat sebagai gelombang. Dengan pandangan dualitas tersebut, semesta yang tadinya dipandang memiliki hukum-hukum yang tetap serta pasti, sudah tamat riwayatnya. Lewat teori dari para fisikawan, terlahir sebuah pemahaman tentang segala hal yang relatif melalui eksperimen ilmiah serta pergulatan mereka untuk menyibak tabir struktur dasar dari adanya semesta.

Seratus tahun berselang setelah kemunculan teori relativitas Einstein serta Interperetasi Copenhagen yang telah meruntuhkan teori sains yang dianggap mapan selama ratusan tahun, mulai tanggal 23 Februari 2019, tiba-tiba seluruh dunia terhenyak akan ancaman sebuah virus mematikan dengan nama Covid 19. Bukan hanya kalangan ilmuwan yang dibuat bingung, tapi seluruh warga dunia, yang melintasi batas-batas kenegaraan, dibuat panik, bingung, takut, mengalami ancaman hantu kecemasan pada saat datangnya virus yang secara tiba-tiba menjadi ancaman global ini. Ini adalah tahun-tahun awal dari abad ke-21.

Pada abad ke-20, para ilmuwan Interpretasi Copenhagen, dibuat putus asa oleh temuan dari sifat paradoks dari partikel sub-atom, maka para awal abad ke-21, masyarakat manusia dibuat panik oleh Virus Corona yang katanya terbentuk dari mutasi genetik, antara gen ular serta kelelawar. Dunia kini mengalami kondisi tidak terbayang dari sebelumnya. Cemas, panik, serta menghadapi situasi paradoks. Padahal hantu kecemasan itu muncul akibat ulah sebuah virus saja. Belum lekang dari ingatan pernyataan presiden China, Xi Jinping, 1 Oktober 2019, pada perayaan HUT China ke-70: “Tak akan ada kekuatan yang bisa menggoyahkan bangsa ini.” Tapi, sendi-sendi kekuatan China itu ternyata runtuh karena serangan virus yang berawal dari Wuhan. Setelah melalui penelusuran pemerintah China, terungkap bahwa kasus pertama Virus Corona itu terjadi pada 17 November 2019. Serta para ilmuwan China baru menyadari bahwa mereka benar-benar berhadapan dengan sebuah virus yang ganas serta mematikan, pada Medio Desember 2019 yang kelabu. Penyebaran virus yang mulai menyerang Wuhan pada Januari 2020, sangat misterius serta tidak terdeteksi, sampai menjadi wabah yang mengglobal dua bulan kemudian.

Continue reading →