Bagian dari seri artikel mengenai
Mekanika kuantum
${\displaystyle {\hat {H}}|\psi (t)\rangle =i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\psi (t)\rangle }$ Persamaan Schrödinger
Pengantar Glosarium Sejarah Buku teks
Latar belakang Mekanika klasik Teori kuantum lama Notasi Bra–ket Hamiltonian Interferensi
Dasar-dasar Bilangan kuantum Dekoherensi Fluktuasi kuantum Fungsi gelombang Keruntuhan fungsi gelombang Dualitas gelombang-partikel Gelombang materi Hamiltonian Interferensi Keadaan dasar Keadaan kuantum Keterkaitan Koherensi Komplementaritas Kuantum Nonlokalitas Operator Pengukuran Prinsip ketidakpastian Qubit Simetri Spin Superposisi Teleportasi kuantum Tingkat energi
Efek Efek Aharonov–Bohm Efek Casimir Efek fotolistrik Efek Stark Efek Zeeman Kuantisasi Landau Penerowongan kuantum
Eksperimen Celah ganda Davisson–Germer Elitzur–Vaidman Franck–Hertz Inekualitas Bell Inekualitas Leggett–Garg Kucing Schrödinger Mach–Zehnder Penghapus kuantum (pilihan tertunda) Popper Pilihan tertunda Wheeler Stern–Gerlach
Formulasi Garis besar Heisenberg Interaksi Matriks Ruang fase Schrödinger Sum-over-histories (path integral)
Persamaan Dirac Klein–Gordon Lippmann–Schwinger Pauli Rydberg Schrödinger
Interpretasi Garis besar Ansambel Banyak-dunia Bayesian de Broglie–Bohm Keruntuhan objektif Kopenhagen Logika kuantum Relasional Sejarah konsisten Stokastik Transaksional Variabel tersembunyi
Topik lanjutan Gravitasi kuantum Ilmu informasi kuantum Kekacauan kuantum Matriks densitas Mekanika kuantum fraksional Mekanika kuantum relativistik Mekanika statistikal kuantum Pemelajaran mesin kuantum Perhitungan kuantum Teori hamburan Teori medan kuantum
Ilmuwan Aharonov Bell Blackett Bloch Bohm Bohr Born Bose de Broglie Candlin Compton Dirac Davisson Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Glauber Gutzwiller Heisenberg Hilbert Jordan Kramers Pauli Lamb Landau Laue Moseley Millikan Onnes Planck Rabi Raman Rydberg Schrödinger Sommerfeld von Neumann Weyl Wien Wigner Zeeman Zeilinger Goudsmit Uhlenbeck Yang
Kategori Mekanika kuantum
l b s

Dalam fisika, komplementaritas adalah aspek konseptual dari mekanika kuantum yang dianggap oleh Niels Bohr sebagai fitur esensial dari teori tersebut.^[1][2] Prinsip komplementaritas menyatakan bahwa pasangan sifat komplementer tertentu tidak dapat seluruhnya diamati atau diukur secara bersamaan. Sebagai contoh pada posisi dan momentum, frekuensi dan masa hidup, atau fase optik dan jumlah foton.^[3] Dalam istilah kontemporer, komplementaritas mencakup prinsip ketidakpastian sekaligus dualisme gelombang-partikel.

Bohr menganggap salah satu kebenaran mendasar dari mekanika kuantum adalah fakta bahwa pengaturan eksperimen untuk mengukur satu kuantitas dari sepasang sifat, misalnya posisi sebuah elektron, menutup kemungkinan untuk mengukur kuantitas yang lain, tetapi memahami kedua eksperimen tersebut diperlukan untuk mengarakterisasi objek yang sedang dipelajari. Menurut pandangan Bohr, perilaku objek atom dan subatom tidak dapat dipisahkan dari instrumen pengukuran yang menciptakan konteks tempat objek yang diukur tersebut berperilaku. Oleh karena itu, tidak ada "gambaran tunggal" yang menyatukan hasil-hasil yang diperoleh dalam konteks eksperimen yang berbeda ini dan hanya "totalitas fenomena" secara bersama-sama yang dapat memberikan deskripsi yang sepenuhnya informatif.^[4]

Sejarah

Formalisme matematis

Bagi Bohr, komplementaritas merupakan "alasan utama" di balik prinsip ketidakpastian. Semua upaya untuk menangani fenomena atom menggunakan fisika klasik pada akhirnya digagalkan, tulisnya, sehingga mengarah pada pengakuan bahwa fenomena tersebut memiliki "aspek komplementer". Namun, fisika klasik dapat digeneralisasi untuk mengatasi hal ini, dan dengan "kesederhanaan yang mengejutkan", dengan menggambarkan kuantitas fisik menggunakan aljabar nonkomutatif.^[14] Ekspresi matematis dari komplementaritas ini dibangun berdasarkan karya Hermann Weyl dan Julian Schwinger, dimulai dengan ruang Hilbert dan transformasi uniter, yang mengarah pada teorema basis saling tidak bias [en].^[18]

Dalam formulasi matematis mekanika kuantum, kuantitas fisik yang diperlakukan oleh mekanika klasik sebagai variabel bernilai riil menjadi operator swaadjoin pada ruang Hilbert. Operator-operator ini, yang disebut sebagai "observabel", dapat gagal berkomutasi dan dalam hal ini disebut sebagai objek yang "tidak kompatibel": $${\displaystyle \left[{\hat {A}},{\hat {B}}\right]:={\hat {A}}{\hat {B}}-{\hat {B}}{\hat {A}}\neq {\hat {0}}.}$$

Observabel yang tidak kompatibel tidak dapat memiliki satu set lengkap keadaan eigen bersama; mungkin ada beberapa keadaan eigen simultan dari ${\displaystyle {\hat {A}}}$ dan ${\displaystyle {\hat {B}}}$, tetapi jumlahnya tidak cukup untuk membentuk suatu basis lengkap.^[19][20] Relasi komutasi kanonis $${\displaystyle \left[{\hat {x}},{\hat {p}}\right]=i\hbar }$$ mengimplikasikan bahwa hal ini berlaku untuk posisi dan momentum. Dalam pandangan Bohr, ini adalah pernyataan matematis bahwa posisi dan momentum merupakan aspek komplementer. Demikian pula, hubungan analog berlaku untuk setiap dua observabel spin yang didefinisikan oleh Matriks Pauli; pengukuran spin di sepanjang sumbu-sumbu tegak lurus bersifat komplementer.^[12] Observabel spin Pauli didefinisikan untuk sistem kuantum yang digambarkan oleh ruang Hilbert dua dimensi; basis saling tidak bias menggeneralisasi observabel ini ke ruang Hilbert dengan dimensi hingga yang sebarang.^[21] Dua basis ${\displaystyle \{|a_{j}\rangle \}}$ dan ${\displaystyle \{|b_{k}\rangle \}}$ untuk ruang Hilbert berdimensi-${\displaystyle N}$ saling tidak bias ketika$${\displaystyle |\langle a_{j}|b_{k}\rangle |^{2}={\frac {1}{N}}\ {\text{untuk semua}}\ j,k=1,...N-1.}$$

Di sini, sebagai contoh, vektor basis ${\displaystyle a_{1}}$ memiliki tumpang-tindih yang sama dengan setiap ${\displaystyle b_{k}}$; terdapat probabilitas transisi yang sama antara suatu keadaan dalam satu basis dan keadaan apa pun dalam basis lainnya. Setiap basis berkorespondensi dengan suatu observabel dan observabel untuk dua basis saling tidak bias bersifat komplementer satu sama lain.^[21] Hal ini mengarah pada definisi 'Prinsip Komplementaritas' sebagai berikut:

Untuk setiap derajat kebebasan, variabel dinamika merupakan sepasang observabel komplementer.^[22]

Konsep komplementaritas juga telah diterapkan pada pengukuran kuantum yang digambarkan oleh ukuran bernilai operator positif (POVM).^[23][24]

Komplementaritas kontinu

Meskipun konsep komplementaritas dapat dibahas melalui dua eksperimen ekstrem, pertukaran kontinu juga dimungkinkan.^[25]

Pada tahun 1979, Wootters dan Zurek memperkenalkan perlakuan teori informasi untuk eksperimen celah ganda yang memberikan sebuah pendekatan menuju model kuantitatif dari komplementaritas.^[26][27]

Relasi gelombang-partikel, yang diperkenalkan oleh Daniel Greenberger dan Allaine Yasin pada tahun 1988 dan sejak saat itu disempurnakan oleh ilmuwan lain,^[28][29] menguantifikasi pertukaran antara pengukuran keterbedaan jalur partikel (${\displaystyle D}$) dan visibilitas rumbai interferensi gelombang (${\displaystyle V}$): $${\displaystyle D^{2}+V^{2}\ \leq \ 1}$$

Nilai dari ${\displaystyle D}$ dan ${\displaystyle V}$ dapat bervariasi antara 0 dan 1 secara individual, tetapi eksperimen apa pun yang menggabungkan deteksi partikel dan gelombang akan membatasi salah satu dari keduanya atau keduanya sekaligus. Definisi terperinci dari kedua istilah tersebut bervariasi di antara berbagai penerapan,^[28] tetapi relasi ini mengekspresikan batasan terverifikasi bahwa upaya untuk mendeteksi jalur partikel akan menghasilkan interferensi gelombang yang kurang terlihat.

Lihat pula

• Interpretasi Kopenhagen
• Interpretasi atas mekanika kuantum
• Dualitas gelombang-partikel

Referensi

Bacaan lanjutan

• Berthold-Georg Englert, Marlan O. Scully & Herbert Walther, Quantum Optical Tests of Complementarity, Nature, Vol 351, hlm. 111–116 (9 Mei 1991) dan (penulis sama) The Duality in Matter and Light Scientific American, hlm. 56–61, (Desember 1994).
• Niels Bohr, Causality and Complementarity: supplementary papers edited by Jan Faye and Henry J. Folse. The Philosophical Writings of Niels Bohr, Volume IV. Ox Bow Press. 1998.
• Rhodes, Richard (1986). The Making of the Atomic Bomb. Simon & Schuster. ISBN 0-671-44133-7. OCLC 231117096.

Pranala luar

Wikiquote memiliki koleksi kutipan yang berkaitan dengan: Komplementaritas (fisika).

• Diskusi dengan Einstein tentang Masalah Epistemologis dalam Fisika Atom
• Jawaban Einstein terhadap Kritik