" prinsip ketidakpastian"

Pukulan maut yang menjatuhkan mekanika Newtonian dari tahtanya sebagai sebuah teori universal dilancarkan oleh Einstein, Schrödinger, Heisenberg dan lain-lain ilmuwan yang membidani kelahiran mekanika kuantum di awal abad ke-20. Perilaku "partikel-partikel elementer" tidaklah dapat dijelaskan oleh mekanika klasik. Matematika jenis baru harus dikembangkan.

Dalam matematika baru ini terdapatlah konsep-konsep semacam "ruang-fase", di mana sebuah sistem didefinisikan sebagai sebuah titik yang memiliki derajat kebebasan sebagai koordinat, dan "operator", besaran yang tidak mirip sama sekali dengan besaran aljabar dalam makna mereka lebih mirip sebuah operasi ketimbang sebagai sebuah besaran itu sendiri (pada kenyataannya mereka menyatakan hubungan, bukannya sebuah nilai yang tetap), memainkan satu peran yang penting. Teori peluang juga memainkan peranan yang penting, tapi dalam makna "peluang intrinsik": ini adalah salah satu dari ciri hakiki dalam mekanika kuantum. Pada kenyataannya, mekanika kuantum harus diartikan sebagai sebuah gabungan bertumpuk dari semua jalur gerak yang mungkin ditempuh oleh sebuah sistem.

Partikel kuantum hanya dapat didefinisikan sebagai sebuah himpunan kesalingterhubungan internal antara keadaan "aktual" dan "virtual" yang mereka alami. Dalam makna ini mereka murni dialektik. Pengukuran terhadap partikel-partikel itu dengan cara tertentu hanya akan mengungkap keadaan "aktual" mereka, yang merupakan satu aspek saja dari seluruh aspek keberadaan mereka (paradoks ini dijelaskan secara populer dalam kisah "kucing Schrödinger"). Prinsip ini disebut "runtuhnya fungsi gelombang", dan dinyatakan oleh Heisenberg sebagai prinsip ketidakpastian. Cara yang sama sekali baru untuk memandang realitas fisik ini, yang dinyatakan dalam persamaan mekanika kuantum ini, telah "dikarantina" untuk waktu yang lama oleh sebagian besar kaum akademisi. Ia dilihat sebagai semacam perkecualian terhadap mekanika yang selama itu ada, yang hanya berguna untuk menjelaskan perilaku partikel-partikel elementer, pengecualian terhadap hukum-hukum mekanika klasik, tanpa makna penting apapun selain itu.

Di tahta yang tadinya dikangkangi oleh kepastian, ketidakpastian kini meraja. Apa yang nampak sebagai pergerakan acak dari partikel-partikel sub-atomik, dengan kecepatan mereka yang tak terbayangkan, tidaklah dapat dinyatakan dalam persamaan-persamaan mekanika lama. Ketika sebuah ilmu pengetahuan mencapai satu jalan buntu, ketika ia tidak lagi dapat menjelaskan fakta-fakta yang ada, keadaan untuk sebuah revolusi dimatangkan, dan ilmu pengetahuan yang baru akan lahir. Walau demikian, ilmu yang baru itu, dalam bentuk awalnya, tidak akan muncul dalam keadaan sempurna. Hanya setelah melewati masa tertentu ia akan muncul dalam bentuknya yang lengkap dan pamungkas. Satu derajat improvisasi, ketidakpastian, interpretasi yang beragam dan seringkali bertentangan, niscaya terjadi pada masa-masa awal ini.

Pada beberapa dasawarsa terakhir, satu debat tentang apa yang disebut interpretasi "stochatic" ("acak") tentang alam dan determinisme telah dibuka. Masalah yang mendasar adalah keniscayaan dan peluang yang di sini diperlakukan sebagai dua hal yang berdiri mutlak bertentangan, sebagai dua lawan yang saling meniadakan satu sama lain. Dengan cara ini kita mendapatkan dua pandangan yang saling bertentangan, yang keduanya tidaklah cukup untuk menjelaskan cara kerja alam raya yang kompleks dan penuh kontradiksi.

Werner Heisenberg, seorang fisikawan Jerman, mengembangkan versinya sendiri tentang mekanika kuantum. Di tahun 1932 ia menerima Hadiah Nobel bidang fisika untuk sistem mekanika matriks-nya, yang menggambarkan tingkatan enerji dari orbit elektron murni dalam bentuk angka, tanpa mengandalkan gambar sama sekali. Dengan cara ini, ia berharap dapat mengatasi masalah yang disebabkan oleh adanya kontradiksi antara "partikel" dan "gelombang" dengan mengabaikan segala upaya menggambarkan gejala tersebut, dan memperlakukan gejala tersebut murni dalam bentuk abstraksi matematik. Mekanika gelombang Erwin Schrödinger menangani masalah yang persis sama dengan mekanika matriks Heisenberg tanpa perlu melarikan diri ke dalam dunia abstraksi matematika absolut. Kebanyakan fisikawan lebih menyukai pendekatan Schrödinger karena jauh kurang abstrak ketimbang pendekatan Heisenberg, dan mereka tidak salah.

Di tahun 1944, John van Neumann, ahli matematik Amerika keturunan Hungaria itu menunjukkan bahwa mekanika gelombang dan mekanika matriks adalah setara secara matematik, dan dapat menghasilkan jawaban yang persis sama untuk tiap persoalan.
Heisenberg mencapai beberapa kemajuan penting dalam mekanika kuantum. Walau demikian, keteguhannya untuk memasukkan filsafat idealisme yang dianutnya ke dalam ilmu baru itu mewarnai dengan kuat seluruh pendekatan yang dipakainya. Dari sini muncullah apa yang dikenal sebagai "interpretasi Copenhagen" atas mekanika kuantum. Ini pada dasarnya adalah idealisme subjektif, yang dicadari dengan tipis sebagai sebuah aliran pemikiran ilmiah. "Werner Heisenberg," tulis Isaac Asimov, "berupaya untuk mengangkat satu masalah mendasar yang menempatkan partikel-partikel, bahkan fisika itu sendiri, di dalam sebuah dunia dari hal-hal yang tak dapat diketahui [unknowable]."[i] Kata-kata yang tepat untuk menggambarkan apa yang terjadi. Di sini kita tidak berurusan dengan apa yang tidak diketahui [unknown]. Itu selalu terjadi di tengah ilmu pengetahuan. Seluruh sejarah ilmu pengetahuan adalah kemajuan dari yang tidak diketahui menuju yang diketahui, dari ketidaktahuan menuju pengetahuan. Tapi satu kesulitan yang serius akan muncul ketika orang merancukan apa yang tidak diketahui [unknown] dengan apa yang tidak dapat diketahui [unknowable]. Ada perbedaan mendasar antara kata-kata "kita tidak tahu" dan "kita tidak mungkin tahu". Ilmu pengetahuan berangkat dari pandangan dasar bahwa dunia objektif benar-benar ada dan dapat kita ketahui.

Walau demikian, sepanjang sejarah filsafat telah terjadi berulang kali upaya untuk menetapkan batas bagi pengetahuan manusia, untuk menegaskan bahwa terdapat beberapa hal yang "tidak mungkin kita ketahui", dengan alasan ini atau alasan itu. Demikianlah Kant mengklaim bahwa kita hanya dapat memahami apa yang tampak, tapi bukan Hakikat yang di Dalam {Things-in-Themselves]. Dalam pernyataan ini ia mengikuti jejak skeptisisme Hume, idealisme subjektif Berkeley dan para sophis Yunani: kita tidak mungkin memahami dunia.
Di tahun 1927, Werner Heisenberg mengajukan "prinsip ketidakpastian"-nya yang terkenal itu, yang menyatakan bahwa mustahil bagi kita untuk menentukan posisi dan kecepatan sebuah partikel pada saat yang bersamaan. Semakin teliti kita menentukan posisi sebuah partikel, semakin tidak pasti momentumnya, dan sebaliknya. (Hal ini juga berlaku untuk sifat-sifat berpasangan yang lain.) Kesulitan untuk menetapkan secara pasti posisi dan kecepatan dari sebuah partikel yang bergerak dengan kecepatan 5.000 mil per detik ke berbagai arah yang berbeda pada saat yang bersamaan merupakan hal yang tidak perlu dijelaskan lagi. Walau demikian, deduksi dari sini bahwa kausalitas (sebab-akibat) secara umum tidak ada adalah sebuah proposisi yang sama sekali keliru.

Bagaimana kita menentukan posisi sebuah elektron? Ia bertanya. Dengan melihatnya. Tapi, jika kita menggunakan mikroskop yang kuat, itu artinya kita akan menumburkan elektron itu dengan sebuah partikel cahaya, sebuah foton. Karena cahaya berperilaku sebagai sebuah partikel, ia niscaya akan mengganggu momentum dari partikel yang sedang diamati. Dengan demikian, kita akan mengubah partikel itu persis ketika kita menjalankan pengamatan. Gangguan ini tidak akan dapat diramalkan hasilnya dan tidak akan dapat dikendalikan, karena (setidaknya dari teori kuantum yang ada) tidak ada cara untuk mengetahui dan mengontrol di muka sudut yang akan diambil kuantum cahaya ketika dibiaskan melewati lensa. Karena pengukuran yang akurat akan posisi elektron membutuhkan penggunaan cahaya yang panjang gelombangnya kecil, momentum yang besar tapi tidak teramalkan dan tak terkontrol akan dipindahkan kepada elektron. Di pihak lain, pengukuran yang akurat akan momentum membutuhkan kuanta cahaya yang momentumnya sangat kecil (yaitu panjang gelombang yang besar), yang berarti terjadinya satu pembiasan dengan sudut besar. Semakin akurat posisi diukur, semakin kurang akurat momentumnya terukur, dan sebaliknya.

Jadi, apakah kita akan dapat mengatasi masalah ini jika kita mengembangkan sejenis mikroskop elektron yang baru? Mustahil, menurut teori Heisenberg. Karena semua enerji datang dalam paket-paket (kuanta), dan semua materi memiliki ciri tindakan baik sebagai sebuah gelombang maupun sebagai sebuah partikel, jenis alat apapun yang kita pergunakan akan pula tunduk pada prinsip ketidakpastian ini. Sesungguhnya, penggunaan istilah prinsip ketidakpastian tidaklah tepat, karena apa yang ditegaskan di sini bukanlah bahwa kita tidak dapat mengukur secara akurat, karena persoalan alat ukur. Teori itu mengimplikasikan bahwa semua bentuk materi tidak dapat diukur secara akurat justru karena hakikat materi itu sendiri. Seperti yang dikatakan David Bohm dalam bukunya Causality and Chance in Modern Physics:
"Maka penolakan terhadap kausalitas dalam interpretasi yang umum dari teori kuantum haruslah dianggap bukan sebagai sekedar hasil dari ketidakmampuan kita untuk mengukur nilai persis dari variabel yang akan dimasukkan dalam persamaan hukum kausalitas di tingkat atomik, melainkan, ia harus dianggap sebagai cerminan dari fakta bahwa hukum semacam itu tidak ada sama sekali."

Bukannya melihat hal itu sebagai sebuah aspek khusus dari teori kuantum dalam tingkat perkembangannya yang sekarang, Heisenberg mempostulatkan ketidakpastian sebagai sebuah hukum alam yang mendasar dan universal, dan mengasumsikan bahwa semua hukum alam yang lain harus konsisten dengan hukum ini. Ini merupakan pendekatan yang sangat berbeda dengan pendekatan ilmu pengetahuan di masa lalu ketika ia dihadapkan dengan masalah yang menyangkut fluktuasi tak beraturan dan pergerakan acak. Tidak seorangpun membayangkan bahwa mungkin bagi kita untuk menentukan pergerakan persis dari satu molekul tunggal dalam gas, atau menetapkan di muka seluruh rincian dari sebuah kecelakaan mobil yang mungkin terjadi. Tapi belum pernah terjadi sebelumnya satu upaya yang demikian serius untuk menurunkan dari fakta semacam ini satu ketiadaan hukum kausalitas secara umum.

Tapi, persis kesimpulan inilah yang diajukan dari prinsip ketidakpastian. Para ilmuwan dan filsuf idealis telah maju terlalu jauh dengan mengajukan bahwa kausalitas secara umum tidak ada. Yakni, bahwa bahwa tidak ada itu yang namanya sebab atau akibat. Maka alam raya akan nampak sebagai peristiwa yang seluruhnya tanpa sebab dan acak. Seluruh alam raya ini tidak dapat diramalkan. "Kita tidak dapat memastikan" segala sesuatu. "Melainkan, diasumsikan bahwa dalam percobaan macam apapun, hasil yang persis yang akan dicapai akan seluruhnya acak dalam makna bahwa ia tidak memiliki hubungan apapun dengan segala hal yang lain yang ada di dunia atau yang pernah ada."[ii]