Fisika sangat penting. Kita mengandalkannya untuk memberikan kita pemahaman yang valid tentang sifat dunia fisik dan bagaimana cara kerjanya, pemahaman yang mendasari hampir setiap aspek dari masyarakat kita yang sangat bergantung pada teknologi. Pada dasarnya, fisika sebagai disiplin ilmu bergantung pada teori-teori dasar tentang ruang dan waktu, serta tentang materi dan cahaya. Sebagian besar fisikawan puas untuk menggunakan teori-teori dasar yang telah tetap relatif tidak berubah selama berabad-abad. Teori-teori ini cukup baik untuk sebagian besar tujuan praktis. Namun, saat mereka menjelajahi fisika dari yang sangat cepat, atau yang sangat kecil, atau saat mereka merenungkan struktur besar dari Alam Semesta, mereka meraih teori-teori yang lebih muda yang ditetapkan hanya satu abad yang lalu. Teori-teori ini adalah mekanika kuantum dan teori relativitas yang dikemukakan oleh Albert Einstein.
Mekanika adalah bagian dari fisika yang berkaitan dengan benda yang bergerak, dan mekanika kuantum adalah teori tentang gerakan materi dan cahaya pada skala terkecil: wilayah molekul, atom, partikel subatom (seperti elektron), dan foton, kuanta (atau 'atom') cahaya. Jika Anda ingin mengetahui bagaimana sebuah elektron akan berperilaku saat bergerak dalam waktu melalui ruang, maka Anda perlu merujuk pada mekanika kuantum.
Namun, ada sebuah masalah.
Mekanika kuantum ditemukan dan dikembangkan sebagian besar oleh fisikawan Eropa pada pertengahan hingga akhir 1920-an. Saat mereka berjuang untuk memahami apa yang coba disampaikan oleh alam, para pelopor ini sangat menyadari apa yang mereka hadapi. Meskipun telah banyak dibahas tentang interpretasi filosofis dari beberapa konsep yang muncul dalam teori lama yang mendahuluinya -- yang sekarang disebut mekanika klasik -- sifat dan struktur dari mekanika kuantum yang baru ini menimbulkan berbagai pertanyaan sulit tentang tujuan dari sebuah teori ilmiah, jika tidak tentang tujuan ilmu itu sendiri. Perdebatan ini menjadi terpolarisasi di sekitar filosofi dari dua protagonis utamanya: Einstein dan fisikawan Denmark Niels Bohr. Komunitas kecil fisikawan kuantum di Eropa daratan terbagi menjadi dua kubu yang berbeda, dan filsuf Inggris kelahiran Austria, Karl Popper, kemudian menyebut perpecahan ini sebagai skisma. Di jantung perdebatan ini adalah interpretasi dari konsep sentral teori tersebut -- sebuah objek matematis yang disebut fungsi gelombang.
Fungsi gelombang diperkenalkan dalam teori sebagai cara untuk menjelaskan perilaku eksperimental yang mengejutkan yang ditunjukkan oleh entitas kuantum seperti elektron. Dalam keadaan tertentu, perilaku ini dapat dijelaskan dalam istilah elektron sebagai partikel yang terpisah dan terlokalisasi saat mereka bergerak melalui ruang. Namun, dalam keadaan yang berbeda (dan saling eksklusif), perilaku ini hanya dapat dipahami dalam istilah elektron yang bergerak dan menyebar melalui ruang sebagai gelombang yang tidak terlokalisasi. Fungsi gelombang mengakomodasi dualitas aneh ini. Ia memiliki sifat-sifat seperti gelombang yang jelas, tetapi juga sifat-sifat seperti partikel yang jelas, seperti massa. Fungsi gelombang mendasari sebuah rumus yang menetapkan probabilitas untuk setiap elektron yang ada di satu tempat pada titik waktu tertentu. Apa yang sebelumnya mungkin kita anggap secara fisik tidak mungkin, mekanika kuantum anggap hanya sebagai sesuatu yang tidak mungkin, memberikan kualitas yang dapat berubah-ubah pada realitas, dan menantang kebenaran dari sebuah alam semesta yang didefinisikan oleh fisika yang datang sebelumnya.
Dan inilah masalahnya. Kita tidak pernah mengamati fungsi gelombang. Jika kita mendorong sebuah elektron melalui celah sempit, kita membayangkan bahwa ia akan difraksi, menyebar ke segala arah di ruang di luar sebagai gelombang (pikirkan tentang apa yang terjadi pada gelombang laut yang bergulung saat ia menyempit melalui celah di dinding pelabuhan). Jika kita sekarang membiarkan elektron ini mengenai layar yang dilapisi emulsi fotografi, kita akan menemukan bahwa elektron terdeteksi, meninggalkan satu titik terang di titik tertentu pada layar. Mengulangi ini dengan semakin banyak elektron akan memberi kita pola difraksi -- pola yang hanya mungkin terjadi dengan gelombang -- yang terdiri dari banyak titik individu, masing-masing hanya mungkin terjadi dengan partikel. Di mana titik berikutnya akan muncul? Kita tidak memiliki cara untuk mengetahuinya sebelumnya. Yang bisa kita lakukan hanyalah menggunakan fungsi gelombang untuk menghitung probabilitas bahwa elektron berikutnya akan terdeteksi di sini, atau di sana, atau jauh di sana.
Apa yang seharusnya kita buat dari ini? Jika kita menginterpretasikan fungsi gelombang secara realistis, sebagai sesuatu yang fisik dan nyata, maka kita harus mencari tahu bagaimana ia 'kolaps' untuk menghasilkan titik di hanya satu lokasi dari semua lokasi yang mungkin di layar. Sebuah kolaps semacam itu menyiratkan apa yang disebut Einstein pada tahun 1927 sebagai 'mekanisme aksi yang sangat aneh pada jarak jauh' -- sebuah anathema dari efek fisik hantu yang ditransmisikan secara instan melintasi ruang tanpa penyebab langsung yang jelas, yang sekarang umumnya disebut sebagai 'masalah pengukuran'. Bagi Einstein, kurangnya penjelasan fisik tentang bagaimana ini seharusnya terjadi berarti bahwa ada sesuatu yang hilang; bahwa mekanika kuantum dalam beberapa hal tidak lengkap.
Bohr tidak setuju. Ia berargumen bahwa dalam mekanika kuantum kita telah mencapai batas fundamental. Apa yang kita amati adalah perilaku kuantum yang diproyeksikan ke dalam dunia klasik kita yang berbasis pada pengalaman langsung. Karena kita tidak dapat melampaui pengalaman ini, kita harus menerima bahwa fungsi gelombang tidak memiliki signifikansi fisik di luar relevansinya untuk perhitungan probabilitas. Kita harus puas dengan formalism matematis yang 'murni simbolis' yang berfungsi. Fungsi gelombang tidak kolaps (dan tidak ada aksi aneh pada jarak jauh) karena ia sebenarnya tidak ada, sehingga tidak ada masalah pengukuran. Dengan kata lain, yang bisa kita ketahui hanyalah elektron-sebagaimana-ia-muncul dalam berbagai pengaturan eksperimen. Kita tidak pernah bisa mengetahui apa sebenarnya elektron itu.
Ini adalah interpretasi empiris, 'antirealis', atau (bagi sebagian orang) 'instrumentalis', yang menilai sebuah teori sebagian besar tidak berarti kecuali sebagai alat untuk menghubungkan pengalaman empiris kita. Teori antirealis semacam ini tidak serta merta menyangkal keberadaan realitas objektif (kita dapat dengan senang hati terus mengasumsikan bahwa Bulan masih ada meskipun tidak ada yang melihatnya atau memikirkannya), juga tidak serta merta menyangkal realitas elektron yang tidak teramati, bagaimanapun kita membayangkannya. Namun, ia menyangkal adanya korespondensi langsung dan tepat antara fungsi gelombang dan hal-hal yang konon dijelaskan oleh fungsi gelombang tersebut. Formalisme ini tampaknya hanya mengkodekan pengalaman kita tentang fenomena kuantum dengan cara yang memungkinkan kita menghitung probabilitas bahwa ini atau itu akan terjadi selanjutnya. Mekanika kuantum adalah lengkap, dan kita hanya perlu menerimanya.
Ini, pada dasarnya, adalah interpretasi Kopenhagen dari mekanika kuantum, dinamai berdasarkan lokasi Institut Fisika Teoretis Bohr di Denmark. Ini paling erat terkait dengan Bohr, yang tulisannya tentang subjek ini terkenal kabur hingga sulit dipahami, meskipun kita akan melihat di bawah bahwa interpretasi ini hadir dalam berbagai variasi dan memerlukan kehati-hatian. Seperti yang dijelaskan oleh fisikawan Inggris kelahiran AS, David Bohm, dalam sebuah wawancara tahun 1987: "Poin utama adalah apakah Anda bisa mendapatkan deskripsi unik tentang realitas. Dan Einstein mengambil pandangan biasa seorang ilmuwan bahwa Anda bisa, dan Bohr mengatakan Anda tidak bisa ... [Einstein] tidak menerima bahwa pendekatan Bohr bisa dianggap final, dan Bohr bersikeras bahwa itu adalah." Dalam sebuah surat kepada Erwin Schrdinger pada Mei 1928, Einstein menyebutnya sebagai 'filosofi yang menenangkan'.
Pembacaan populer tentang sejarah selanjutnya menunjukkan bahwa Bohr muncul sebagai pemenang dalam perdebatan, memaksa Einstein yang dianggap sudah pikun untuk menyerah, dan interpretasi Kopenhagen menjadi ortodoksi dogmatis. Fisikawan Irlandia Utara dan pembangkang kuantum, John Stewart Bell, adalah salah satu dari sedikit fisikawan pada waktu itu yang bersedia menentang ortodoksi ini, menulis pada tahun 1981: "Membuat kebajikan dari kebutuhan, dan dipengaruhi oleh filosofi positivistik dan instrumentalis, banyak yang mulai berpendapat bahwa tidak hanya sulit untuk menemukan gambaran yang koheren tetapi juga salah untuk mencarinya -- jika tidak benar-benar tidak bermoral, maka pasti tidak profesional."
