Gravitasi sebagai fenomena entropi – 1: Entropi dan perkelindanan kuantum

Gravitasi adalah gaya yang kita alami dalam kehidupan sehari-hari, ketika kita melompat setinggi-tingginya dan kembali ke tanah, saat melihat benda-benda jatuh ke Bumi, atau ketika kita bermain sepak bola dan bola basket. Angry Birds, sebuah permainan yang amat sangat populer itu, bahkan menerapkan prinsip-prinsip gravitasi dalam perhitungan lintasan burung-burung yang dilempar dengan ketapel.

Anak Manusia, oleh René Magritte. Sumber: Wikipedia.

Usaha untuk memahami gravitasi sudah dilakukan semenjak lama. Dari catatan-catatan sejarah yang sintas kita tahu bahwa Aristoteles dan Brahmagupta adalah dua dari nama-nama pertama yang tercatat telah menyumbangkan idenya mengenai hakikat gravitasi. Tentu yang paling kita ketahui adalah Isaac Newton yang membuktikan bahwa kekuatan gravitasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, dan bahwa ini berlaku tidak hanya di Bumi namun juga di mana-mana di alam semesta ini. Pada awal abad ke-20, Albert Einstein memberikan pandangan baru mengenai gravitasi sebagai sebuah fenomena geometri, dalam wujud teori relativitas umum.

Kita sekarang mengidentifikasi gravitasi sebagai satu dari empat gaya fundamental, yaitu gaya yang tak disebabkan oleh gaya-gaya yang lebih fundamental lagi. Mengapa hanya ada empat gaya fundamental dan tidak lebih, tidak kurang, adalah suatu misteri yang belum kita ketahui jawabannya.

Gravitasi dan masalah-masalahnya

Walaupun teori-teori gravitasi Newton dan Einstein mampu memberikan gambaran yang cukup lengkap mengenai hakikat alam semesta kita, dan mampu memberikan prediksi yang akurat mengenai posisi dan pergerakan benda-benda (satelit GPS harus mengikutsertakan relativitas umum untuk dapat mengukur posisi kita di Bumi dengan akurat), kita ternyata tidak tahu apa-apa mengenai hakikat gravitasi. Ini karena baik teori gravitasi Newton dan Einstein adalah teori fisika klasik, sementara di awal abad ke-20 kita menyadari bahwa pada skala atomik, benda-benda tidak berkelakuan seperti objek-objek pada skala besar: Bila dalam fisika klasik kita dapat meramalkan lintasan pergerakan suatu benda, dalam ranah atomik kita hanya bisa memberikan kebolehjadian menemukan suatu partikel. Dari deterministik, fisika menjadi probabilistik. Ini pemahaman baru yang diberikan fisika kuantum.

Ketika kita mencoba menerapkan fisika kuantum ke dalam gravitasi, kita menemui masalah yang belum kita selesaikan hingga hari ini. Persoalannya adalah karena dalam banyak teori-teori kuantum, partikel-partikel kuantum berada dalam kerangka ruang-waktu. Karena gravitasi adalah bagian dari ruang-waktu itu sendiri, maka kita harus membangun teori kuantum ruang-waktu dan sejauh ini belum ada yang dapat membangun teori ruang-waktu yang sepenuhnya kuantum.

Astronom Vera Rubin (menghadap kamera) dan W. Kent Ford (mengenakan topi kerja) sedang mempersiapkan instrumen untuk pengamatan di Observatorium Lowell, Arizona, sekitar tahun 1965. Pengamatan-pengamatan ini kemudian berujung pada penemuan materi gelap. Sumber: Carnegie Institution for Science, Dept. of Terrestrial Magnetism.

Persoalan kedua dalam pemahaman kita mengenai gravitasi adalah keberadaan materi gelap. Ketika kita mengamati pergerakan bintang-bintang yang jauh dari pusat Galaksi (lebih jauh daripada jarak Matahari kita dari pusat Galaksi), kita melihat bahwa bintang-bintang ini bergerak lebih cepat dari yang diramalkan oleh gravitasi Newton, seolah-olah ada materi tambahan tak kasatmata yang mempercepat gerakan bintang-bintang jauh ini. Banyak usaha telah dilakukan untuk menjelaskan fenomena ini, dan hingga saat ini penjelasan terbaik adalah “materi gelap” (dark matter) yang tidak berinteraksi dengan gaya elektromagnetik namun berinteraksi dengan gaya gravitasi. Fisikawan berusaha meramalkan sifat-sifat partikel materi gelap ini dan konsekuensi-konsekuensi yang dapat diamati. Berbagai detektor telah dibangun guna mendeteksi materi gelap, namun hingga saat ini belum ada bukti kuat.

Ilustrasi percepatan pengembangan alam semesta. Sumbu vertikal adalah arah jalannya waktu semenjak terjadinya dentuman besar (big bang), sementara sumbu horizontal adalah ukuran alam semesta. Alam semesta diamati mulai mengembang dipercepat semenjak 7.5 Milyar tahun lalu. Sumber: NASA/STSci/Ann Feild.

Persoalan ketiga adalah adanya “energi gelap” (dark energy), yaitu energi misterius yang menyebabkan dipercepatnya pemuaian alam semesta. Kita mengetahui keberadaan energi gelap ini ketika kita mengamati ledakan-ledakan bintang (supernova) dari galaksi-galaksi yang jauh dan melihat bahwa kecerlangan supernova ini lebih redup dari seharusnya. Kita mengetahui bahwa kecerlangan supernova di mana-mana selalu sama, jadi peredupan pada galaksi-galaksi jauh ini mustinya terjadi karena jarak galaksi ini lebih jauh dari yang kita perkirakan, menunjukkan bahwa kecepatan pemuaian alam semesta ternyata tidak seragam sepanjang waktu. Keberadaan energi gelap ini membingungkan karena gravitasi adalah gaya yang saling tarik-menarik dan seharusnya memperlambat pemuaian alam semesta. Untuk menjelaskan fenomena tolak-menolak ini, kita harus mengasumsikan bahwa alam semesta ini berisi energi tambahan yang wujudnya belum diketahui, yakni energi gelap. Fenomena energi gelap ini tak ada hubungannya dengan materi gelap walaupun sama-sama berakhiran “gelap”. Ini masalah penamaan saja karena astronom seringkali kurang kreatif dalam memberi nama hehehe…

Walaupun ketiga fenomena ini nampak terpisah dan diamati berada pada skala yang berbeda-beda (sub-atomik, galaksi, dan seluruh alam semesta), namun ketiganya melibatkan gravitasi dan cukup masuk akal untuk menduga bahwa ketiganya terhubung oleh solusi yang sama. Salah satu solusi yang ditawarkan baru-baru ini oleh fisikawan Erik Verlinde dari Universitas Amsterdam, Negeri Belanda, adalah dengan mengasumsikan bahwa gravitasi bukanlah gaya fundamental, namun gaya yang timbul karena entropi.

Entropi dan gravitasi

Konsep entropi muncul dari termodinamika, yaitu cabang fisika yang mempelajari panas dan perubahan energi dari satu wujud ke wujud lainnya. Entropi adalah derajat ketidakteraturan dalam suatu sistem fisika, atau jumlah energi yang tak terpakai dalam suatu sistem. Definisi yang lebih baik melibatkan jumlah konfigurasi atomik yang memungkinkan dalam sistem tersebut, atau dengan kata lain jumlah informasi yang tersimpan di dalam suatu sistem.

Bayangkan secangkir kopi panas. Temperatur kopi disebabkan oleh gerakan molekul-molekul penyusun kopi. Karena memiliki energi tinggi maka molekul-molekul ini bergerak cepat dan sering sekali menumbuk cangkir, menghantarkan energinya yang kemudian kita rasakan sebagai panas. Besaran-besaran termodinamika macam temperatur—yang kita amati dalam skala makroskopik ini—dengan demikian tidaklah eksis dalam skala mikroskopik, melainkan fenomena yang timbul (emergent) dari aktivitas dalam skala mikroskopik. Dengan menggunakan logika termodinamika ini, mungkinkah gravitasi (dan juga ruang-waktu) sebenarnya tidak eksis dalam skala mikroskopik, dan merupakan sebuah fenomena yang timbul dari aktivitas kuantum dalam skala mikroskopik?

Untuk menjawab ini, kita harus mengetahui bagaimana entropi terhubung dengan gravitasi, dan fenomena mikroskopik apa yang menimbulkan fenomena gravitasi sebagaimana kita amati dalam skala makroskopik.

Hubungan antara entropi, gravitasi, dan temperatur ditunjukkan pertama kali oleh Stephen Hawking dan Jacob Bekenstein. Ketika beliau-beliau ini meneliti lubang hitam secara teoritis, mereka menemukan bahwa lubang hitam bisa punya entropi dan besarnya berbanding lurus dengan luas permukaan horison peristiwa (event horizon) lubang hitam tersebut (Horison peristiwa adalah jarak di mana kecepatan lolos dari permukaan lubang hitam adalah sama dengan kecepatan cahaya). Ini adalah penemuan penting yang menunjukkan bahwa lubang hitam ternyata juga berkelakuan seperti sistem termodinamika biasa, dengan entropi dan juga temperatur (penggabungan efek-efek kuantum di sekitar horison peristiwa ternyata dapat menghasilkan radiasi di luar horison peristiwa. Lihat artikel ini untuk lebih detailnya).

Jika memang hubungan antara entropi dan gravitasi ini juga berlaku umum dan bukan hanya di sekitar lubang hitam, maka kita perlu mencari tahu fenomena apa yang mendasari munculnya gravitasi, sebagaimana kita melihat bahwa temperatur kopi muncul karena gerakan-gerakan molekul.

Untuk memahami termodinamika segelas kopi, kita bisa lihat bahwa kita sebenarnya tidak perlu tahu jenis atom/molekul apa saja yang menyusun kopi atau bagaimana mereka tersusun. Kita hanya perlu tahu berapa jumlah total molekul yang ada dan seberapa bebas molekul-molekul ini bisa bergerak. Dengan kata lain, kita hanya perlu tahu informasi apa yang dibawa molekul-molekul ini, dan sebagaimana sudah dijelaskan sebelumnya, entropi menggambarkan jumlah informasi yang tersimpan dalam sebuah sistem (termodinamika). Dengan menggunakan ide ini, kita dapat katakan juga bahwa komponen penyusun ruang-waktu adalah informasi kuantum.

Perkelindanan kuantum

Akan tetapi kelakuan informasi kuantum berbeda sekali dengan kelakuan informasi dalam ranah klasik. Sebagaimana telah disinggung sebelumnya, dalam fisika klasik semuanya serba deterministik dan informasi selalu berada di suatu lokasi. Di dalam ranah kuantum, yang bisa kita ketahui adalah kebolehjadian suatu partikel berada atau arah kecepatannya. Satu lagi fenomena yang kita amati adalah bahwa informasi-informasi kuantum suatu partikel ternyata dapat bergantung pada informasi-informasi kuantum yang dimiliki partikel lain, bahkan apabila partikel lain tersebut berada pada jarak yang luar biasa jauhnya. Informasi kuantum ternyata tidak terlokalisasi. Fenomena ini pertama kali dipikirkan pada tahun 1935 oleh Albert Einstein bersama dua koleganya Boris Podolsky dan Nathan Rosen melalui sebuah eksperimen pikiran yang kemudian dinamakan paradoks EPR (EPR adalah inisial dari nama belakang ketiga fisikawan tersebut: Einstein–Podolsky–Rosen). Di kemudian hari, melalui berbagai eksperimen, paradoks EPR ternyata memang benar teramati dan fenomena keterkaitan informasi kuantum satu partikel dengan informasi kuantum satu partikel lainnya dinamakan dengan perkelindanan kuantum (quantum entanglement).

Dengan demikian mari kita anggap ruang (space) itu tersusun atas informasi-informasi kuantum dan kesemuanya saling berkelindan. Karena dalam skala mikroskopik ada perkelindanan kuantum inilah maka dalam skala makroskopik kita melihat bahwa ruang itu saling terhubung dan tidak pernah kita menemui ada daerah di mana tidak ada ruang. Apa yang kemudian menjadi penting adalah bahwa formulasi jumlah informasi (dengan kata lain: entropi) yang dibagi oleh dua daerah yang saling berkelindan ternyata memiliki bentuk yang sama dengan entropi lubang hitam. Lebih lanjut, Ted Jacobson kemudian menunjukkan bahwa hukum-hukum relativitas umum Einstein ternyata dapat diturunkan dari persamaan-persamaan termodinamika dengan menggunakan formulasi yang sama, menunjukkan bahwa fenomena-fenomena relativitas umum juga dapat ditafsirkan sebagai fenomena termodinamika. (Bersambung)

PEMBAHARUAN:
03/02/2017: Bagian kedua dapat dibaca di sini.

Ditulis oleh

Tri L. Astraatmadja

Tri L. Astraatmadja

Setelah 10 tahun bermukim di Eropa untuk mengambil gelar pascasarjana dan mengerjakan riset postdoktoral, Tri kini bekerja di Department of Terrestrial Magnetism, Carnegie Institution for Science, Washington DC, Amerika Serikat, untuk mencari eksoplanet dengan menggunakan metode astrometri landas Bumi.