7. big bang to big mess
TRANSCRIPT
Ledakan Besar (Big Bang) Hingga Sampah Besar: Entropi, Chaos, dan Alasan-alasan Lain Alam Semesta Ini Akan Melangkah Menuju Neraka
Entropi
Saya menawarkan untuk menyebut besaran S [energi yang tak tersedia untuk kerja] sebagai entropi dari tubuh, dari istilah Yunani [tropê], transformasi.... Energi dari alam semesta ini bersifat konstan---entropi dari alam semesta ini cenderung menuju (keadaan) yang maksimum.Rudolph J.E. Clausius, paper of 1865
Alam semesta ini mungkin telah dimulai dengan sebuah dentuman,
tapi ia akan berakhir dengan sebuah rengekan. Itulah poin tentang
entropi, setidaknya sebagaimana yang telah umum dipahami. Dan
sungguh, para pendukung awal dari konsep ini, seperti William
Thomson (Lord Kelvin) dan Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz,
telah memperingatkan bahwa alam semesta ini sedang mengarah
menuju “panas yang mematikan” (heat death), ketika segala
sesuatunya berada dalam temperatur yang sama dan tak ada satupun
hal menarik yang akan pernah terjadi.
Konsep ini dapat ditelusuri jejaknya pada kemajuan-kemajuan
yang terjadi pada abad ke sembilan belas mengenai termodinamika,
studi tentang hubungan-hubungan antara panas (oleh karena itu
thermo-) dan kerja atau gerak (jadi, dinamika). Para perintis dalam
disiplin ilmu ini---seorang Perancis Nicolas Léonard Sadi Carnot,
seorang Jerman Julius Robert von Mayer, dan orang Inggris James
Prescott Joule---mempunyai satu tujuan umum: menciptakan sebuah
mesin uap. Carnot, aktif pada tahun 1820-an, telah menemukan bahwa
kapan saja panas hilang, adalah mungkin untuk bekerja berdasarkan
pada proses ini. Joule, dua puluh tahun kemudian, menemukan bahwa
hal yang sebaliknya juga benar: kapan saja ada kerja, terdapat juga
panas ekstra. Joule dan von Mayer telah mendeduksi secara terpisah
tentang apa yang sekarang dikenal sebagai “Hukum Pertama
Thermodinamika”: energi tidak dapat diciptakan, tidak juga dapat
dihancurkan; ia hanya dapat diubah bentuknya---katakanlah, dari
energi potensial untuk bekerja untuk memanaskan dan kembali lagi.
Pada tahun 1850, warga Jerman lain, Rudolf Julius Emanuel
Clausius (nama panjangnya masih ditambah dengan de rigueur),
menambahkan hukum yang kedua: panas tidak pernah dapat melalui,
secara spontan, tubuh yang lebih dingin ke tubuh yang lebih hangat.
Hukum ini kelihatannya sangat sempurna---jika anda meletakkan air
dalam sebuah oven, ia tidak akan berubah menjadi es. Tapi, dari
perspektif para pakar sains yang sedang mencoba untuk bekerja
berdasarkan pada panas, ia mempunyai akibat-akibat yang penting.
Transfer panas dari satu tubuh ke tubuh lain adalah tidak mungkin
untuk dibalik: panas yang anda gunakan untuk memasak seekor
burung turkey, tidak pernah dapat diletakkan kembali ke dalam
sebuah oven, setidaknya, tidak oleh burung turkey itu. dari
eksperimen-eksperimen Carnot, Clausius tahu bahwa kerja terjadi
ketika energi (dalam bentuk panas) berlalu dari sebuah keadaan
dengan rangsangan (excitement) yang lebih besar hingga ke suatu
keadaan dengan rangsangan yang lebih kecil---yaitu, dari keadaan
yang lebih hangat menuju keadaan yang lebih dingin. Jadi, panas
hanya dapat digunakan untuk bekerja sebelum ia dimanfaatkan---
yaitu, dihilangkan ke dalam tubuh yang lebih dingin darimana ia tidak
dapat diperoleh kembali tanpa menambahkan lebih banyak energi
pada sistem.
Bahkan, anda harus menambah lebih banyak energi lagi pada
sistem daripada yang telah ada dalam energi panas untuk memulai. Ini
karena, sebagaimana yang telah diumumkan oleh Lord Kelvin pada
tahun 1851, selalu terjadi pemborosan dalam transfer panas ini. (Friksi
adalah satu sebab yang utama, tapi bukan penyebab satu-satunya,
dari pemborosan ini). Begitu banyak energi yang dibutuhkan untuk
pelaksanaan ide tentang sebuah gerak mesin secara terus-menerus---
untuk tetap menjaga agar mesin dapat terus bekerja, anda harus terus
memompakan energi ke dalamnya, karena tidak ada proses mekanis
yang 100 persen efisien. Setiap kali energi dikonversi dari satu bentuk
(katakanlah panas) menjadi yang lain (katakanlah listrik), akan ada
sedikit energi yang terbuang. Prinsip ini pada umumnya dikenal
sebagai “pemborosan [lenyapnya]energi”: meskipun energi ini tidak
dapat diciptakan atau dihancurkan, ia cenderung untuk lenyap, atau
berproses dari suatu bentuk yang lebih berguna menjadi ke suatu
bentuk yang kurang berguna.
Untuk memvisualisasikan mengapa terjadi yang sedemikian ini,
bayangkanlah sebuah kamar yang diisolasi, dimana temperatur di
salah satu sudutnya adalah 80° dan pada sudut lainnya sebesar 20°.
Mudah dipahami bahwa panas akan cenderung untuk mengalir dari
sudut yang panas ke sudut lain yang lebih dingin hingga keseluruhan
kamar itu berada dalam satu temperatur (katakanlah 50°). Yang
sedang terjadi adalah bahwa molekul-molekul udara pada sudut yang
panas, yang sedang bergerak ke sekitar dengan sangat cepat, mulai
memantul menjadi molekul-molekul yang bergerak-lebih lambat pada
sudut yang lebih dingin, dengan hasil bersih bahwa molekul-molekul
yang penuh energi ini melepas dan mengirim energi ke pihak yang
lambat dan tidak aktif, dan keduanya memantul-mantul pada tingkat
kecepatan yang sedang. Dengan cukup waktu yang tersedia,
kecepatan dari semua molekul ini akan membagi sama banyak, yang
berarti bahwa keseluruhan dari kamar itu akan mempunyai temperatur
yang sama.
Jika anda pintar, anda akan menemukan sebuah cara untuk
menggunakan energi saat ia mengalir, melalui panas, satu sudut
menuju sudut yang lain. Tapi, begitu semua molekul sedang bergerak
pada kecepatan yang sama---begitu temperatur telah merata---anda
dapat melupakannya. Ini karena gerak molekul-molekul akan menjadi
sepenuhnya acak. Ketika satu sudut dari kamar itu panas sedangkan
sudut lain dingin, terdapat “tatanan” (order) tertentu pada keadaan
peristiwa ini (kebanyakan dari molekul-molekul yang penuh energi ada
disini, kebanyakan dari molekul-molekul yang lambat dan tidak aktif
ada disebelah sana), dan lebih jauh lagi, terdapat sebuah tatanan
tentang bagaimana energi ini ditransfer (ia bergerak dalam satu arah).
Ketika temperaturnya sama secara menyeluruh, tidak ada lagi tatanan
apapun (molekul-molekul yang penuh energi dan molekul-molekul
yang lamban dan tidak aktif, semuanya saling bercampur), dan tidak
ada transfer energi yang diperintahkan ke arah manapun. Dan untuk
mengembalikan temperatur kamar pada keadaannya yang semula---
katakanlah dengan memanaskan satu sudutnya dan mendinginkan
sudut yang lain---akan membutuhkan lebih banyak energi daripada
yang dapat anda peroleh kembali darinya, jika anda melakukan yang
demikian ini.
Dengan tersedianya Hukum Pertama Termodinamika, ini semua
menunjuk pada kesimpulan-kesimpulan yang membuat depresi:
sejumlah energi yang berguna di alam ini perlahan tapi pasti melenyap
menjadi energi yang tak berguna. Ini menarik, misalnya, bahwa
matahari mentransfer energinya kepada bumi sehingga tanaman-
tanaman dapat bertumbuh dan mempertahankan kehidupan, tapi
cepat atau lambat, matahari ini akan lenyap secara perlahan-lahan.
Dunia ini, tata surya, dan akhirnya, alam semesta ini, pada akhirnya,
semuanya mencapai bahkan temperatur yang sama. Ketika tidak ada
perbedaan dalam temperatur (tidak ada organisasi panas), tidak ada
kerja atau apapun yang membuat energi dapat terjadi.
Entropi adalah istilah Carnot untuk sejumlah energi yang tak
berguna dalam sebuah sistem---sejumlah energi yang “dilenyapkan”,
yang mengalami kekacauan, atau temperatur yang konstan, yang
tidak dapat dikonversi untuk kerja. Dan ketika dia begitu getir
menyatakannya sebagai, “Entropi dari alam semesta ini cenderung
menuju keadaan yang maksimum.”
Tapi, jangan berputus asa—panas yang mematikan adalah
sebuah jalan panjang yang harus dilalui, jika sungguh ia mungkin
terjadi. Kelvin dan Carnot berasumsi bahwa alam semesta ini adalah
sebuah sistem tertutup, tapi, dalam kenyataan, banyak dari teori-teori
mutakhir yang menggambarkannya sebagai berekspansi dan
mendinginkan. Ini tidak harus merupakan berita gembira dalam dirinya
sendiri, tapi, ia merumitkan gambaran tentang panas-yang mematikan
(heat-death) ini.
Selanjutnya, pakar fisika Austria Ludwig Boltzmann (1844-1906)
telah menunjukkan bahwa Hukum Kedua Termodinamika adalah tidak
bersifat kaku, tidak seperti pemikiran Carnot tentang hukum fisika
yang deterministik. Sebagaimana telah dia nyatakan, keadaan
menyeluruh dari suatu gas (seperti udara bertemperatur 80° di dalam
kamar kita), diukur oleh temperatur dan volume, ia tidak ditentukan
secara tunggal oleh pola khusus apapun dari aktivitas molekuler. Yaitu,
molekul-molekul dalam kamar kita yang dapat bergerak cepat ke
sekitar dengan banyak cara yang berbeda-beda dan kita masih akan
memperoleh temperatur yang sama.
Boltzmann menyebut skenario-skenario ini—pola-pola dari
molekul-molekul yang bergerak sangat cepat ---sebagai keadaan mikro
(“micro states”), dan mendefinisikan suatu “keadaan makro”
(“macrostate”) [temperatur dan volume] bahwa semakin bersifat
“mungkin” (“probable”), semakin keadaan-keadaan mikro dapat
menghasilkannya (semakin ia cenderung, pada akhirnya, untuk
menampak secara alami). Entropi, berdasarkan definisi ini, mengukur
probabilitas dari suatu keadaan makro, dan Hukum Kedua
Termodinamika, dengan demikian, menegaskan bahwa sistem-sistem
cenderung menuju suatu keadaan probabilitas yang maksimum.
Tentu saja, ini masih menyisakan kepada kita dengan
ketidakteraturan yang meningkat, jika tidak dengan panas yang
mematikan, karena keadaan-keadaan yang tidak teratur ini adalah
jauh lebih mungkin (lebih mudah untuk menghasilkan) daripada
keadaan-keadaan yang teratur. Jika anda mengocok sebungkus kartu
dalam waktu yang cukup, maka kartu-kartu itu akan kembali lagi
secara teratur, tapi dengan melakukan yang demikian sebelum hari
kiamat, ini tidak begitu menjanjikan. Demikian pula, adalah sangat
sulit untuk membuat utuh kembali sebuah telor. Tapi, apa yang
diizinkan oleh teori Boltzmann adalah sebuah peningkatan peluang
tentang energi yang berguna tanpa seseorang harus melakukan
sesuatu, sama sekali---alam akan mengurangi secara bertahap entropi
dari sebuah sistem.
Apapun yang terjadi, bahkan jika alam semesta ini sebagai suatu
keseluruhan sedang mengarah menuju chaos, ia akan selalu mungkin
untuk mengurangi entropi secara lokal. Setiap kali anda membersihkan
sampah di ruang kantor anda, anda sedang menghasilkan keteraturan
(order) dan mengurangi entropi, dan hal yang sama akan terjadi pula
setiap kali suatu tanaman berbunga. Keteraturan semacam ini
mungkin muncul sebagai biaya yang harus dikeluarkan dari
ketidakteraturan yang terjadi dimana saja, dan tentu saja, energi yang
berguna ini dimanfaatkan (dihabiskan) dalam prosesnya. Tapi,
sebagaimana halnya dengan matahari yang tidak akan membakar apa
saja dengan segera, anda boleh bersorak, dan mengambil apa yang
dapat anda peroleh.
Sibernetika
(Cybernetics)
merupakan tesis dari buku ini bahwa masyarakat hanya dapat
dimengerti melalui sebuah studi tentang pesan-pesan dan fasilitas-
fasilitas komunikasi yang menyertainya; dan bahwa dalam
perkembangan di masa depan tentang pesan-pesan dan fasilitas-
fasilitas komunikasi ini, pesan-pesan antara manusia dan mesin-mesin,
antara mesin-mesin dan manusia, dan antara mesin dan mesin, telah
ditakdirkan untuk memainkan suatu peran yang semakin meningkat.
Norbert Wiener, The Human Use of Human Beings: Cybernetics
and Society (1950)
“Cyber” adalah suatu awalan (prefix) yang sangat nge-trend dewasa
ini, ucapan terima kasih (layak ditujukan kepada) novelis sains-fiksi,
William Gibson, yang telah menemukan istilah “ruang maya” (cyber
space) di pertengahan tahun 1980-an. Ruang maya adalah lebih dari
sekadar tetangga baru dalam ruang yang biasa ini; ia adalah kuasi-
realitas (quasi = seperti), yang dihasilkan oleh komunikasi jarak jauh
melalui komputer, dimana masyarakat dan data saling berinteraksi
dalam cara-cara baru yang aneh.
Dengan munculnya istilah cyber- untuk menamakan
orang/hubungan-hubungan melalui komputer ini, anda mungkin sangat
kaget menemukan bahwa akarnya berasal dari istilah Yunani untuk
“manusia yang membimbing” (“steerman”), kybernêtês (juga akar dari
kata “governor” = pemerintah). Dan dalam kenyataan, penggunaan
pertama kalinya dapat ditelusuri hingga tahun 1940-an, bukan tahun
1980-an, ketika seorang pakar matematika Amerika di M.I.T., Norbert
Wiener (1894-1964), telah menemukan istilah “cybernetics” untuk
menggambarkan pengetahuan tentang pengontrolan atau
“mengarahkan” (steerting) persenjataan otomatis dan mesin-mesin
lain.
Wiener terutama sangat tertarik dengan kemiripan-kemiripan
antara instruksi-instruksi mesin dengan bahasa dan perilaku manusia.
Sebagai langkah pertamanya, dia mulai menggunakan kata “feedback”
(umpan balik) pada mesin-mesin otomatis. (Penemuannya tentang
istilah “cybernetics” sebagiannya diilhami oleh esai penting pertama
tentang feedback dari James Clerk Maxwell “On Governors”). Feedback
adalah, secara singkat, apa yang anda peroleh ketika anda
“mengumpan kembali” hasil-hasil dari operasi-operasi mesin ke dalam
mesin. Misalnya, ketika suara yang dihasilkan melalui sebuah mikrofon
dihubungkan kembali melalui mikrofon itu, kita mengalami keceriaan
dari umpan balik audio.
Tapi, dalam banyak kasus lain dimana feedback itu diharapkan,
ketika ia memungkinkan mesin-mesin untuk beradaptasi daripada
hanya sekadar mengandalkan pada instruksi-instruksi baku.
Pemanasan sentral, misalnya, bekerja berdasarkan prinsip feedback
ini. Daripada memompa panas secara kaku melalui rumah anda pada
interval-interval preset, pemanas-pemanas termostat-yang terkontrol
dapat merespon perubahan-perubahan temperatur, dengan
menyalakan (turn on) dan mematikan (turn off) sebagaimana yang
dibutuhkan.
Feedback adalah salah satu elemen penting dari argumen
Wiener yang lebih umum bahwa mesin dan manusia menangani
pesan-pesan dengan cara-cara yang mirip. Sistem syarat pusat,
misalnya, mungkin dapat dipahami dengan cara suatu mesin feedback.
Otak kita mengirim impuls-impuls, atau “pesan-pesan”, kepada otot-
otot di tangan, yang menjelaskan kepadanya untuk menempuh cara ini
atau itu setelah menerima “feedback” dari syaraf di tangan. (Otak
memberitahu tangan untuk menggenggam sebuah gelas; tangan
memberitahu otak bahwa gelas ini panas; otak memberitahu tangan
untuk melepas gelas itu; dan seterusnya). Proses melingkar secara
terus-menerus ini adalah basis dari refleks-refleks dan proses
pembelajaran.
Kemiripan kunci antara manusia dan mesin, bagi Wiener, adalah
bahwa keduanya (setidaknya jika mesin-mesin itu pintar, maksudnya,
yang dapat menyalurkan feedback) mampu untuk mengorganisir
berbagai hal dan menghasilkan informasi. Dia menggunakan istilah
“informasi” dalam pengertian yang sangat luas, untuk memaksudkan
sesuatu yang seperti “keteraturan” (order). Hukum Kedua
Termodinamika menyatakan bahwa sistem-sistem cenderung untuk
menjadi tidak teratur, statis, dan dapat diprediksi---mereka bersifat
“entropik” [lihat hal...]. jika informasi adalah keteraturan, maka ia
berlawanan dengan entropi; semakin tidak teratur atau semakin dapat
diprediksi suatu pesan, semakin kurang informatif ia. “Klise-klise,” dia
menjelaskan dengan contoh, “bersifat kurang memancar
(mencerahkan) dibandingkan dengan puisi-puisi hebat.”
Yang diperoleh Wiener adalah bahwa terdapat suatu unit
pengetahuan tentang informasi dan kontrol---sibernetika---yang
menerapkan secara setara terhadap komunikasi manusia dan mesin.
Tapi, bagi pengetahuan ini untuk dapat mempunyai aturan-aturan
umum, seseorang harus meminimalkan perbedaan kualitas antara
manusia dan mesin. Jeleknya, Wiener mencoba untuk menyingkirkan
konsep-konsep seperti “kehidupan”, “jiwa”, dan “vitalitas” sebagai
semantik murni---“julukan-julukan yang meminta pertanyaan”, dia
menyatakan demikian. Untuk tujuan-tujuan studi tentang pesan-pesan,
pikirnya, yang terbaik adalah menghindari konsep-konsep semacam ini
dan “hanya sekadar mengatakan dalam keterhubungan dengan mesin-
mesin bahwa tidak ada alasan mereka ini tidak menyerupai manusia
dalam menghadirkan kembali kantong-kantong yang mengurangi
entropi dalam suatu kerangka dimana entropi secara keseluruhan
cenderung untuk meningkat.” Bahkan, adalah mungkin bagi mesin-
mesin, ketika feedback berakumulasi, untuk “belajar”---satu contoh
bagus adalah pesan dari komputer pad (bantalan lembut) yang secara
bertahap dapat mengenali tulisan tangan pemiliknya.
Doktrin sibernetika adalah basis bagi studi-studi yang lebih
mutakhir tentang kecerdasan buatan atau “AI” (Artificial Intelligence).
AI dapat dimungkinkan hingga kadar pemikiran manusia dapat ditiru
secara formal---yaitu, sebagai suatu perangkat dari intruksi-instruksi
yang jelas untuk memproses informasi. Jika pikiran dapat sepenuhnya
direduksi pada instruksi-instruksi yang demikian ini, maka tidak ada
alasan untuk mengatakan bahwa sebuah mesin yang diprogram secara
penuh itu tidak mempunyai “pikiran” (mind). Banyak pihak yang
mendapati ide ini ditolak, yang mendesak bahwa pemikiran tidak
dapat direduksi pada perilaku mekanistik. Tapi, tak seorang pun yang
sejauh ini dapat membuktikan bahwa fenomena mental---bahkan
beberapa hal seperti cinta dan penderitaan---adalah sesuatu yang
lebih dari impuls-impuls syaraf yang diprogram. Beberapa pihak
melihat sebuah solusi dalam Teorema Godel yang Tidak Lengkap
[hal. ...], tapi, tak seorang pun yang dapat diyakinkan.
Teori Big Bang
Banyak pakar sains yang sangat skeptis mengenai mitos bibel tentang
penciptaan. Tapi penjelasan mereka yang mendukung tentang dari
mana surga dan bumi itu berasal, di permukaan, juga cukup sulit untuk
dipercaya. Bahkan, ketika pakar sains Fred Hoyle menemukan nama
“big bang”, terkait hal ini, dia pikir bahwa dia sedang melawak.
Teori ini membayangkan sebuah masa sekitar lima belas milyar
tahun yang telah lewat ketika semua materi dan energi di alam
semesta ini---keseluruhan “alam semesta” itu sendiri---telah
dikonsentrasikan dalam suatu poin tunggal dari dimensi nol dan
kepadatan tak terhingga. Dalam suatu momen yang sangat tiba-tiba,
di mana konsep-konsep seperti “sebelum” dan “momen” tidak
bermakna apa-apa, inti ini meledak, mengeluarkan semua isinya
dalam sekejap mata menjadi ruang dan waktu sebagaimana kita
mengenalnya sekarang. Selanjutnya, alam semesta ini terus-menerus
mengembang dan mendingin, mengizinkan unsur-unsur dan
selanjutnya obyek-obyek konkret untuk membentuk. Ia terus-menerus
mengembang dan mendingin sejak saat itu.
Logika dibalik teori “big bang” ini adalah sesuatu yang seperti
logika dibalik teori “Penggerak Utama” yang sekarang ini telah
diragukan dan ditolak [lihat hal. ...]. Kisah ini bermula dari Arbert
Einstein, yang teori umumnya tentang relativitas (1916) mendesak
bahwa alam semesta ini dalam keadaan mengembang atau mengerut
(berkontraksi). Pada mulanya, Einstein merasa malu oleh dalil ini,
ketika dia, seperti semua para pakar astronomi di masanya, telah
beranggapan bahwa ukuran dan bentuk dari alam semeta ini telah
baku atau stabil. Jadi, Einstein mencoba memberi “kosmetik” agar
dapat mengukuhkan (fix) teorinya, sebuah langkah yang dia sesali
kemudian.
Dalam kenyataan, hanya satu tahun setelah Einstein
mempublikasikan teori umum relativitas, seorang pakar astronomi
Amerika, Vesto Slipher mempublikasikan penemuannya yang luar
biasa dimana setiap obyek yang terpisah yang dia cermati, tampak
bergerak menjauh dari bumi. Bukti yang tersimpan dalam apa yang
disebut dengan “redshift” dalam sepktrum sinar yang dipancarkan
oleh obyek-obyek itu—warna mereka sebagaimana yang dicermati
disini di permukaan bumi ini tampak lebih merah daripada sinar yang
harus dipancarkan oleh obyek-obyek ini. Redshift ini dapat dijelaskan
melalui analogi suara sirine yang sedang lewat. Setiap orang tahu
bahwa raungan dari sebuah mobil ambulans tampak lebih nyaring
dalam nada tertentu (pitch) saat mobil ambulans sedang mendekat
dan bunyi sirine yang lebih rendah dalam nada tertentu saat ia
bergerak menjauh. (Pitch [tinggi rendahnya nada], ditentukan oleh
frekuensi dari suatu gelombang suara---yaitu, jumlah tempo per detik
ia mencapai intensitasnya yang terbesar). Ini disebut dengan Efek
Doppler” [Doppler effect], yang mengikuti dari fakta bahwa
gelombang-gelombang suara itu “merentang” jika sumber suara
bergerak menjauh. Hal yang sama berlaku juga bagi sinar: jika sumber
sinar bergerak menjauh dari orang yang memandang, maka sinar itu
akan tampak menjadi lebih rendah frekuensinya, yaitu berwarna lebih
merah, daripada seandainya sumber cahaya itu diam tak bergerak.
Slipher tidak cukup tahu apa yang harus dilakukan dengan
penemuan ini, tapi ia menjadi jauh lebih dipahami ketika, pada tahun
1929, pakar astronomi Edwin Hubble mengumumkan suatu korelasi
antara jarak (distance) dari suatu obyek dari bumi dan kecepatan
(speed) dimana ia bergerak menjauh dari kita. Dua kuantitas ini,
demikian penemuan Hubble, ada dalam hubungan yang langsung: jika
obyek B dua kali jauhnya dari A, maka obyek B bergerak menjauh dua
kali kecepatan obyek A.
Kesimpulan logis yang dapat ditarik---jika anda memikirkan
logika relativitas—adalah bahwa alam semesta ini terus-menerus
mengembang. Untuk sebuah gambaran sederhana tentang mengapa,
bayangkan permukaan sebuah balon ketika seseorang meniupnya.
Baik observasi dan geometri menunjukkan poin-poin ini pada
permukaan balon bergerak menjauh lebih cepat jika ia berjarak lebih
jauh. Dalam kenyataan, jika titik B aslinya satu inci jaraknya dari titik
A, dan titik C berjarak dua inci dari A, maka C akan tampak “menjauh”
dari A dua kali lebih cepat daripada yang dilakukan B.
Hal yang sama juga terjadi dengan alam semesta ini, kecuali ia
bukan sebuah balon tiga-dimensi, tapi lebih berupa ruang-waktu
kontinum empat-dimensi. Penemuan dari Einstein ini telah dikaitkan
dengan observasi-observasi Slipher oleh seorang pendeta Belgia dan
guru matematika yang bernama Georges Lemaître yang mencoba
pertama kali untuk menelusuri dan merunut ke belakang tentang
pengembangan kosmik. Sebagaimana halnya dengan Aristoteles dan
para pengikutnya yang menelusuri ke belakang ke tahun-tahun
kemunculan pertama kali dari “sebab yang tak disebabkan”, Lemaître
menelusuri jejak proses mengembangnya alam semesta ke belakang
menuju ke asal-usul penciptaannya.
Dengan tersedianya informasi tentang alam semesta ini yang
terus-menerus mengembang sementara total energi masih tetap
sama, semakin jauh kita merunut ke belakang menembus waktu-
waktu, semakin padat alam semesta ini harusnya. Baik materi dan
energi---yang berdasarkan pada teori Einstein adalah saling berubah-
ubah---harusnya terkonsentrasi dalam suatu ruang yang lebih kecil.
Semakin awal keadaan dari alam semesta ini, semakin padat dan lebih
panas ia harusnya, ketika panas mengukur rata-rata energi yang
terkandung dalam suatu ruang yang tersedia. Dengan membawa
proses ini menuju kesimpulan logisnya, kita mendapati semua materi
dan energi terkonsentrasi dalam sebuah titik sangat panas yang
tunggal, yang oleh Lemaître disebut dengan “atom zaman purba”
(primeval atom). Dan dia menyebut saat dimana atom mulai
mengembangkan “suara yang sangat gaduh”---nama yang untuk
waktu selanjutnya “diperbaiki” oleh Hoyle.
Ini tentu saja sulit, jika tidak mustahil, untuk membayangkan
sebuah permulaan semacam ini, karena istila-istilah seperti
“kepadatan tak terbatas” dan “titik tunggal” menentang segala
sesuatu yang kita alami. Dengan mencoba untuk membayangkan
suatu periode waktu sebelum waktu itu eksis tampaknya larut ke
dalam paradoks-paradoks. Tapi, barangkali ini bersifat membantu
untuk memikirkan kesimpulan Einstein, dalam teori umum relativitas,
bahwa gravitasi hanyalah pembelokan dari kerangka ruang-waktu.
Semakin padat sebuah obyek, semakin ia “melengkungkan” (curve)
ruang di sekitarnya, seperti halnya obyek-obyek yang lebih berat,
ketika dijatuhkan di atas permukaan karet yang ketat, lebih
melenturkan permukaan karet ini daripada permukaan karet yang
lebih ringan. Pada tahap yang paling awal, alam semesta yang
terbungkus padat tidak “mengandung” semua ruang sebanyak ia
membungkus ruang di sekitarnya menjadi sebuah titik dari
pelengkungan yang tak terbatas. (Semakin kecil sebuah bola, semakin
besar pelengkungan dari permukaannya).
Tak satupun dari ini yang menjelaskan mengapa terdapat suatu
dentuman besar (big bang); ia hanya menegaskan bahwa ia harus
terjadi. Dan apa yang terjadi beberapa detik setelah setelah dentuman
besar adalah murni spekulasi kosmologis, meskipun bukti-bukti
semakin menumpuk setiap harinya (tidak semua darinya konsisten
sepenuhnya dengan teori). Dikembangkan dari gambar yang diajukan
oleh pakar sains Rusia-Amerika, George Gamow di akhir tahun 1940-
an, deskripsi standar dari dentuman akan berlangsung seperti ini:
Pada saat terjadinya dentuman besar, hanya ada satu jenis
materi, yang disebut dengan “partikel-partikel super”, di alam semesta
yang sangat kecil. Partikel-partikel ini saling berbenturan secara keras
untuk selama kira-kira 10ˉ⁴₃detik setelah dentuman---
yaitu .000000000000000000000000000000000000000000000000000
0000001 dari satu detik. Namun, kali ini, alam semesta telah
mengembang dan oleh karena itu mendingin hingga pada titik dimana
partikel-partikel lain dapat menampakkan diri dan menjadi cukup stabil
untuk menolak benturan-benturan partikel yang kurang keras
sekarang ini. Partikel-partikel baru ini adalah elektron-elektron, photon-
photon, dan quarks1 yang tidak menggumpal secara efektif. Di waktu
alam semesta ini mengalami perwujudan keduanya (secon old), dan
masih cukup panas---kira-kira 10.000.000.000 derajat Kelvin—
beberapa pihak yang lain berpendapat, lebih besar dari itu, partikel-
partikel yang lebih substansial sedang membentuk dan bertahan:
neutrinos, proton-proton, dan neutron-neutron.
Kira-kira dalam 90 detik berikutnya, proton-proton dan neutron-
neutron mulai membentuk nuclei atom, yang berkembang menjadi
unsur-unsur yang paling awal: deuterium pertama, kemudian helium, 1 Quarks = partikel terkecil yang membentuk atom.
kemudian lithium dan beryllium. Dalam pergerakan mereka ke depan,
semua unsur-unsur lain yang telah diketahui telah dibentuk, tapi ini
akan membutuhkan waktu sekitar satu juta tahun. Namun, apa yang
hilang dari gambar ini adalah nasib dari neutrinos ini (dan apa yang
disebut dengan “anti-neutrinos”, yang lahir bersama mereka) yang
dihasilkan pertama kali dalam perwujudan alam semesta yang kedua
ini. Berdasarkan pada teori ini, mereka harusnya masih berada di
suatu tempat di latar belakang dari alam semesta ini, meskipun radiasi
mereka akan menjadi dingin sekarang menuju temperatur yang sangat
rendah---kira-kira 2.7° Kelvin. Ini yang disebut dengan “radiasi latar
belakang” (background radiation) yang telah diprediksi oleh teori ini,
dalam kenyataannya telah dideteksi pada tahun 1965 oleh dua peneliti
dari Bell Telephone, Arno Penzias dan Robert Wilson.
Penemuan ini adalah konfirmasi eksperimental yang pertama
dari teori big bang secara umum, dan masih terdapat banyak
penemuan lain yang menegaskan tentang hal ini yang melengkapinya
dengan beberapa perincian. Misalnya, pada tahun 1992, pakar sains
Amerika George Smoot dengan cara mengukur radiasi di Antartika,
telah menunjukkan bahwa “gumpalan” atau bentuk yang tak teratur
dari alam semesta ini telah eksis dalam “benih” selama satu juga
setengah tahun dari de4ntuman besar ini. Ini sulit untuk dimengerti,
tapi cukuplah untuk mengatakan bahwa mereka mengizinkan kita
untuk menjelaskan bentuk yang dihasilkan dari alam semesta
sekarang ini dalam istilah tentang gravitasi, dan mereka menunjukkan
bahwa teori big bang ini, jelasnya, berada pada jalan yang benar.
Chaos
Chaos, yang berasal dari bahaya Yunani yang berarti “membuka lebar-
lebar kekosongan”, tidak harus merupakan sesuatu yang buruk. Ketika
dalam ketidakteraturan yang murni, terkandung sedikit sesuatu untuk
direkomendasikan; tapi, apa yang dimaksudkan oleh pakar
matematika James Yorke ketika dia meminjam istilah ini pada tahun
1975 adalah ketidakteraturan yang di-pola (dirancang untuk mengikuti
sebuah pola)---sebuah bentuk yang mendasari ke-acak-an yang
tampak. Dan ini adalah sesuatu yang sangat bagus.
“Teori Chaos”---studi dari semacam ketidakteraturan yang
teratur---menjadi nge-trend hanya di tahun 1980-an, tapi, ia berasal-
usul di dalam mikroorganisme (terutama yang bersifat pathogen) di
tahun 1960, ketika pakar meteorologi M.I.T. Edward Lorenz
mengembangkan model-model komputer yang beradarkan pada pola-
pola cuaca. Sebagaimana telah diketahui oleh setiap orang, cuaca itu
sangat sulit diprediksi dalam jangka panjang, meskipun demikian, kita
dapat mengisolasi banyak dari faktor-faktor yang menyebabkannya.
Lorenz, seperti halnya pakar-pakar lain, telah memikirkan semua yang
diperlukan demi berlangsungnya prediksi yang lebih baik adalah
sebuah model yang lebih komprehensif. Lalu, dia menulis sebuah
program yang berbasis pada dua belas ekuasi-ekuasi sederhana yang
secara kasar mengkonstruk faktor-faktor utama yang mempengaruhi
cuaca.
Lorenz telah menemukan sesuatu yang mengejutkan:
perubahan-perubahan kecil atau kesalahan-kesalahan (errors) dalam
sepasang dari variasi-variasi yang menghasilkan efek-efek yang
janggal dan liar. Selama beberapa hari, mereka hampir tidak
membuat suatu perbedaan; tapi ber-ekstrapolasi (menarik kesimpulan
[informasi yang belum diketahui] dari informasi yang telah diketahui)
setelah berlangsung sebulan atau lebih, perubahan-perubahan yang
menghasilkan pola-pola yang berbeda sepenuhnya.
Lorenz menyebut penemuannya ini dengan “Efek Kupu-kupu”
(“Butterfly Effect), yang diambil dari judul sebuah paper yang dia
publikasikan pada tahun 1979: “Predictability: Does the Flap of a
Butterfly’s Wings in Brazil Set Off a Tornado in Texas?” Dengan kata
lain, dapatkah faktor-faktor menit pada akhirnya menghasilkan hasil-
hasil yang tak dapat diprediksi, rentang yang luas (far-flung), dan
bencana hebat (katastropik)? Lorenz memanjakan keinginannya
dengan sedikit hiperbol karena dia ingin mendramatisir inti
pandangannya. Praktis, seluruh ilmu fisika sebelum tahun 1970-an,
memfokuskan perhatian pada apa yang disebut dengan proses
“linier”2---proses-proses dimana perubahan-perubahan kecil 2 Linear = Menyerupai sebuah garis lurus, hanya mempunyai satu dimensi (penerjemah).
menghasilkan hasil-hasil kecil yang sama. Bahkan sejumlah besar
fenomena---bukan hanya dalam disiplin ilmu meteorologi dan fisika,
tapi juga dalam ilmu biologi, ekologi, ekonomi, dan lain-lain---tidak
mengikuti hukum-hukum linier atau mengikuti formula-formula yang
bersifat linier. Proses-proses “non-linier” adalah yang ekuasi-ekuasinya
melibatkan variabel daripada laju perubahan yang bersifat stabil,
dimana perubahan-perubahan di-ganda-kan daripada ditambahkan,
dan dimana deviasi-deviasi kecil dapat mempunyai efek-efek yang
sangat besar.
Langkah selanjutnya menuju sebuah teori tentang chaos, muncul
pada tahun tujuh puluhan ketika Yorke dan rekannya, seorang pakar
biologi Robert May, mulai menguji properti-properti dari apa yang
disebut dengan “ekuasi logistik”, yang menyediakan suatu model
sederhana bagi pertumbuhan populasi, diantara hal-hal lain. (Untuk
detail-detail yang sangat kompleks, lihat EKUASI-EKUASI, hal. ....). Cara
ekuasi ini bekerja adalah bahwa hasil-hasil terus dalam keadaan
terhubung kembali guna memperoleh hasil-hasil yang baru, dimana
diri mereka sendiri juga terhubung, dan lain-lain. Yang membuat ini
sangat menarik adalah bahwa bergantung pada bagaimana cara anda
memluntir3 sebuah faktor tertentu, apakah hasil-hasil menjadi semakin
dapat diprediksi atau semakin bertambah chaos.
Tapi, bahkan situasi chaos dari ekuasi logistik mempunyai jenis
polanya sendiri yang khas. Sementara anda tidak pernah dapat 3 Tweak = Menarik sesuatu disertai gerak memutar.
memprediksi apa hasil khusus dari menampilkan ekuasi itu jadinya,
anda tahu bahwa ia akan jatuh ke dalam suatu range khusus yang
tertentu. (Jika anda membuat grafik tentang hasil-hasil ini, anda akan
melihat suatu bentuk yang stabil dan mantap atau munculnya pola).
Banyak ekuasi-ekuasi lain yang berperilaku serupa, yang menghasilkan
chaos dengan sebuah bentuk---diantaranya adalah ekuasi-ekuasi yang
memperagakan turbulensi cair atau naik turunnya harga kapas.
Ekuasi-ekuasi semacam ini adalah celah (flipside) dari formula
cuaca Lorenz: ke arah mana harga kapas akan menuju di suatu hari
yang tertentu adalah tidak dapat diprediksi (atau kita semua dapat
menjadi kaya dengan memainkan pasar di masa depan); tapi sejarah
dari harga-harga kapas menunjukkan suatu keteraturan tertentu.
Nama yang diberikan pada keteraturan ini adalah “fractal”4: jika anda
mem-plot sebuah diagram tentang fluktuasi-fluktuasi harga dari menit
ke menit, jam ke jam, hari ke hari, minggu ke minggu, bulan ke bulan,
dan tahun ke tahun, bentuk dari diagram-diagram yang paling kasar
pola jaringannya (peta dari tahun-ke-tahun) akan tergambar dalam
diagram-diagram yang mencerminkan pola jaringan yang lebih halus.
Sebuah diagram fractal dapat diperbesar sesuai yang anda kehendaki,
dan ia akan sangat menyerupai, dan kadang-kadang mereproduksi
secara persis, bentuk dari gambaran yang lebih luas.
4 Fractal = Suatu pola geometris yang diulang-ulang pada skala yang paling kecil guna menghasilkan bentuk-bentuk yang tak teratur, yang tak dapat digambarkan oleh geometri klasik.
Perilaku semacma ini tentang kurva harga kapas telah
ditemukan pada awal tahun 1960-an oleh seorang kelahiran Lithuania,
yang mengenyam pendidikan di Perancis dan Amerika serta seorang
polymath (orang yang mempelajari banyak disiplin keilmuan), Benoît
Mandelbrot. Saat bekerja untuk IBM, dia menemukan bahwa fenomena
lain telah berbagi kualitas fractal dari harga-harga kapas---misalnya,
distrusi dari “suara berisik” (error) dalam transmisi elektronik. Secara
bertahap, Mandelbrot menemukan contoh-contoh lain dari perilaku
yang sama, dengan mengalihkan contoh ke geografi untuk paper-nya
yang sangat orisinal “How Long Is the Coast of Britain?” Ide dasar dari
paper ini adalah bahwa semua jenis dari obyek-obyek alami, seperti
pantai Inggris, mempunyai suatu tingkat kekasaran (roughness) yang
terlihat sama, tak peduli seberapa dekat anda mendekati mereka.
Dilihat dari suatu titik yang jauh, atau dilihat melalui sebuah
mikroskop, suatu pantai akan terlihat tidak teratur---sehingga, tanpa
satu indikator pun yang menandai seberapa jauh sebuah gambar dari
pantai telah diambil, ia akan menjadi sulit, jika tidak mustahil, untuk
menjelaskannya.
Untuk menggambarkan kembali tulisan (rekursif) ini,
ketidakteraturan yang mencerminkan-diri (self-reflecting) atau
kekasaran, Mandelbrot memperluas gagasan tentang dimensi
matematika. Kita terbiasa berpikir dalam istilah-istilah tentang
dimensi-dimensi integral---satu garis dari dimensi I, suatu ranah dari
dimensi 2, suatu kubus dari dimensi 3. tapi, Mandelbrot
memperkenalkan konsep tentang dimensi-dimensi fractional---1.3, 2.7,
12.2---untuk menggambarkan pengulangan kembali atau kekasaran
(tidak rata) yang dia lihat di garis-garis pantai dan kurva-kurva harga.
(Pikirkan tentang suatu dimensi fraksional sebagai suatu ukuran
tentang seberapa banyak yang dikonsumsi oleh suatu dimensi total
dari sebuah garis atau bentuk. Semakin kasar sebuah bentuk, semakin
banyak ruang yang ia konsumsi). Pada tahun 1975, dia menemukan
istilah “fractal” untuk menamakan geometri dimensional-fraksional.
Geometri fraktal dan chaos telah menjadi pijakan dan batu
loncatan bagi penemuan selanjutnya oleh pakar fisika Mitchell
Feigenbaum di pertengahan tahun tujuh puluhan, bahwa banyak
sistem yang bersifat non-linier yang tampaknya tidak saling
berhubungan, berperilaku dengan cara-cara yang sangat serupa. Ini
mensugestikan bahwa mungkin terdapat sebuah teori yang
menyatukan, yang menjelaskan perilaku chaotic dari sistem-sistem
dan ekuasi-ekuasi dalam seluruh rentang disiplin-disiplin keilmuan.
Dan itulah yang terjadi ketika para pakar sains benar-benar mulai
menaruh perhatian.
Chaos masih belum lama kemunculannya, dan ia masih sedang
diperhalus; aplikasi-aplikasi baru telah diteliti atau ditemukan, paper-
paper terus dipublikasikan, keraguan dan demonstrasi [ilmiah]
ditampilkan secara bergantian dan yang berlangsung sangat cepat.
Masih saja, teori chaos memancarkan cahaya pada sistem-sistem
perilaku, sistem-sistem paling murni dari cairan-cairan yang mengalir,
yang cenderung pada perubahan secara cepat dari kondisi yang stabil
menuju apa yang tampak sebagai perilaku chaotic, cara yang
ditempuh oleh air dari keadaan sebelum berubah hingga menjadi
mendidih saat temperaturnya naik sedikit. (Pada temperatur 99.5° c,
air baru saja panas; pada temperatur 100.5°, keadaan air sedang
berubah, menjadi gas). Jargon ini dapat mengintimidasi---hal-hal
sedemikian ini yang menjadi “penarik-penarik asing” (strange
attractor) adalah sulit untuk dijelaskan. (Mereka, pada dasarnya,
adalah bentuk-bentuk yang membatasi kurva-kurva yang tidak
mengekspresikan diri dengan cara yang sama, jika itu adalah
bantuan). Dan ide-ide semacam ini sebagai “dimensi fraksional”
adalah cenderung untuk terlihat sangat tidak konvensional atau
abstraksi yang tidak ada gunanya---tapi dalam kenyataan, geometri
fractal mempunyai banyak aplikasi-aplikasi praktis. Sebagaimana
dijelaskan oleh James Gleick dalam buku populernya tentang chaos,
dengan mengukur dimensi fractal dari permukaan logam, akan
memberitahu anda tentang kekuatannya. Permukaan bumi ini
mempunyai suatu dimensi fractal, sebagaimana halnya dengan
pembuluh-pembuluh darah dalam tubuh anda. Bahkan, otak manusia
dan kesadarannya, sangat mungkin mempunyai bentuk-bentuk fractal.
Geometri fractal telah diadopsi di tempat-tempat seperti General
Electric, Exxon, dan studio-studio Hollywood, bukan kelompok yang
dikenal karena memanjakan teori yang murni.