Dari bintang terjauh di langit hingga layar di depan wajah kita, cahaya ada dimana-mana. Namun sifat sebenarnya dari cahaya, dan cara perjalanannya, telah lama membingungkan para ilmuwan. Ada satu pertanyaan yang membuat jengkel para pemikir mulai dari Isaac Newton hingga Albert Einstein: Apakah cahaya termasuk partikel atau gelombang?

Sebagai makhluk hidup, kita tampaknya terdorong untuk memahami sifat dasar dunia di sekitar kita, dan teka-teki khusus ini membuat para ilmuwan abad ke-19 sibuk.

Sebenarnya saat ini jawabannya sudah tidak diragukan lagi bahwa cahaya adalah partikel dan gelombang. Namun bagaimana para ilmuwan mencapai kesimpulan yang mencengangkan ini?

Titik awalnya adalah membedakan secara ilmiah antara gelombang dan partikel. “Anda akan mendeskripsikan suatu objek sebagai partikel jika Anda dapat mengidentifikasinya sebagai sebuah titik di ruang angkasa,” kata Sapienza. "Gelombang adalah suatu benda yang tidak Anda definisikan sebagai titik di ruang angkasa dan Anda perlu memberikan frekuensi osilasi dan jarak antara maksimum dan minimum."

Bukti konklusif pertama mengenai sifat gelombang cahaya muncul pada tahun 1801, ketika Thomas Young melakukan eksperimen celah ganda yang sekarang terkenal. Dia menempatkan layar dengan dua lubang di depan sumber cahaya dan mengamati perilaku cahaya setelah melewati celah tersebut. Cahaya yang mengenai dinding menunjukkan pola pita terang dan gelap yang rumit, yang dikenal sebagai pinggiran interferensi.

Ketika gelombang cahaya melewati setiap lubang, mereka menghasilkan gelombang parsial yang memancar secara sferis, saling mencegat dan menambah atau mengurangi intensitas akhir.

“Jika cahaya adalah sebuah partikel, Anda akan mendapatkan dua kumpulan cahaya di sisi lain layar,” kata Sapienza. “Tetapi kita mempunyai gangguan, dan kita melihat cahaya di mana-mana setelah layar, tidak hanya di posisi lubangnya. Itu bukti bahwa cahaya memang sebuah gelombang.”

Delapan puluh enam tahun kemudian, Heinrich Hertz menjadi orang pertama yang menunjukkan sifat partikel cahaya. Dia memperhatikan bahwa ketika sinar ultraviolet menyinari permukaan logam, ia menghasilkan muatan yang disebut efek fotolistrik. Namun, pentingnya pengamatannya belum sepenuhnya dipahami sampai bertahun-tahun kemudian.

Atom mengandung elektron pada tingkat energi tetap. Oleh karena itu, cahaya yang menyinarinya diharapkan dapat memberikan energi kepada elektron dan memungkinkannya melepaskan diri dari atom, dengan cahaya yang lebih terang akan membebaskan elektron dengan lebih cepat. Namun dalam eksperimen setelah karya Hertz, beberapa pengamatan yang tidak biasa tampaknya sepenuhnya bertentangan dengan pemahaman klasik fisika.

Einstein-lah yang akhirnya memecahkan teka-teki ini, dan ia dianugerahi hadiah Nobel pada tahun 1921. Daripada terus-menerus menyerap cahaya dari gelombang, atom justru menerima energi dalam paket cahaya yang disebut foton, yang menjelaskan pengamatan aneh seperti adanya frekuensi cutoff.

Tapi apa yang menentukan apakah cahaya berperilaku sebagai gelombang atau partikel? Menurut Sapienza, ini bukanlah pertanyaan yang tepat untuk ditanyakan. “Cahaya terkadang bukan sebuah partikel dan terkadang sebuah gelombang,” katanya. "Ia selalu berupa gelombang dan partikel. Hanya saja kami menyoroti salah satu propertinya bergantung pada eksperimen yang kami lakukan."

Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering melihat cahaya sebagai gelombang, dan bentuk inilah yang menurut fisikawan paling berguna untuk dimanipulasi.

“Ada bidang penuh yang disebut metamaterial, yang dengan membentuk material dengan fitur yang sama seperti cahaya, kita dapat meningkatkan interaksi cahaya dengan material dan mengendalikan gelombang,” kata Sapienza. “Misalnya, kita bisa membuat peredam matahari yang bisa menyerap cahaya lebih efisien untuk menghasilkan energi atau probe MRI metamaterial yang jauh lebih efektif.”

Namun, sifat ganda cahaya, yang dikenal sebagai dualitas partikel gelombang, sangat mendasar bagi keberadaan dunia yang kita kenal. Perilaku kembaran yang aneh ini juga meluas ke partikel kuantum lainnya, seperti elektron.

“Anda tidak dapat memiliki sebuah atom yang stabil jika Anda tidak memiliki mekanika kuantum dengan elektron dalam keadaan tertentu,” kata Sapienza. “Jika Anda menghilangkan fakta bahwa ia adalah sebuah partikel, Anda menghilangkan fakta bahwa ia memiliki energi tertentu dan kehidupan tidak mungkin ada.”