Ada kontradiksi yang mencolok dalam pemahaman kita tentang fisika saat ini.
Di satu sisi, alam semesta semakin kacau. Hukum kedua termodinamika menuntut hal itu. Entropi total dalam sistem terisolasi harus meningkat. Kekacauan harus menang.
Di sisi lain, kosmos sedang membangun hal-hal luar biasa. Galaksi. Bintang. Planet-planet. Anda.
Bagaimana struktur muncul dari ketidakteraturan? Ini seharusnya tidak mungkin terjadi. Atau begitulah yang kami pikirkan.
Sebuah makalah baru yang diterbitkan di Physical Review D menunjukkan bahwa teka-teki tersebut bukanlah kontradiksi sama sekali. Ini adalah masalah perspektif. Matematikawan Queen Mary University of London Ginestra Bianconi telah menerapkan kerangka kerja yang disebut Gravity from Entropy untuk menunjukkan bahwa ketika entropi total meningkat, entropi lokal sebenarnya bisa turun. Hal ini memungkinkan struktur kompleks terbentuk tanpa melanggar hukum apa pun.
Ini mengubah cara kita memandang gravitasi, waktu, dan struktur ruangwaktu.
Hukum Kedua vs. Kompleksitas Kosmik
Einstein tidak main-main. Ia menyebut hukum kedua termodinamika sebagai prinsip paling mendasar di alam. Sederhana saja. Sistem bergerak menuju kekacauan. Panas menyebar. Es mencair.
Para kosmolog telah terjebak dalam hal ini selama beberapa dekade.
Alam semesta awal adalah sup dengan entropi rendah. Mulus. Panas. Tanpa fitur. Selama miliaran tahun, kehalusan itu terurai menjadi gumpalan materi. Gumpalan ini runtuh karena gravitasi membentuk bintang dan galaksi. Hal ini meningkatkan organisasi. Sepertinya entropi menurun.
Namun matematika mengatakan entropi harus meningkat.
Jadi kemana perginya kelainan itu?
Jawaban standarnya melibatkan lubang hitam dan hilangnya informasi, teori yang dipelopori oleh Jacob Bekenstein dan Stephen Hawking pada tahun 1970an**. Mereka menunjukkan lubang hitam mempunyai entropi. Mereka memancarkan radiasi termal. Hal ini menghubungkan geometri ruangwaktu dengan panas dan informasi. Itu adalah sebuah permulaan. Namun hal ini tidak sepenuhnya menjelaskan munculnya struktur kompleks pendukung kehidupan di alam semesta yang mengembang.
Di sinilah peran Bianconi.
Bagaimana Gravitasi Muncul dari Ketegangan Informasi
Gravitasi dari Entropi (GfE) bukan sekadar teori gravitasi. Ini adalah upaya untuk mendapatkan gravitasi dari mekanika statistik.
Bayangkan gravitasi bukan sebagai gaya fundamental, seperti elektromagnetisme. Anggap saja sebagai efek samping. Properti yang muncul.
Dalam kerangka ini, gravitasi muncul dari ketegangan teori informasi. Ada dua metrik yang berperan di sini:
- Metrik ruangwaktu fisik (cara kita mengukur jarak).
- Metrik yang dihasilkan oleh bidang materi dan kelengkungan (bagaimana materi membengkokkan ruang).
Teori ini menggunakan ukuran yang disebut Quantum Geometric Relative Entropy (QGRE) untuk menghitung hubungan antara kedua metrik ini. Ketika kelengkungan rendah dan energi lemah, persamaan GfE direduksi menjadi Relativitas Umum Einstein. Kami melihat apa yang kami harapkan.
Namun dalam kondisi yang lebih kuat? Persamaannya berbeda. Mereka menghasilkan istilah energi gelap dinamis. Ini bukan nilai konstan seperti pada model standar. Itu berubah seiring waktu. Hal ini membuat teori tersebut dapat diuji. Jika kita dapat mengukur fluktuasi ini, kita mungkin dapat membuktikan atau menyangkal model tersebut.
Mengapa Entropi Lokal Turun Sementara Entropi Total Meningkat
Inilah wawasan kunci yang menyelesaikan paradoks tersebut.
Bianconi menerapkan GfE pada ruangwaktu Friedmann–Robertson–Walker. Ini adalah model matematika yang menggambarkan alam semesta yang mengembang dan seragam.
Hasilnya menunjukkan perpecahan.
Entropi total meningkat. Hal ini memenuhi hukum kedua. Alam semesta secara keseluruhan memang menjadi semakin tidak teratur dalam hal kandungan informasi.
Namun, entropi per unit volume menurun.
Saat Alam Semesta mengembang, elemen volume fisik bertambah. Entropi total meningkat seiring dengan itu. Namun karena ruangnya meregang, jumlah Entropi Relatif Geometris Kuantum di dalam volume lokal tertentu berkurang.
Pemisahan ini sangat penting. Artinya, sistem lokal bisa menjadi lebih terorganisir—pembentukan bintang, kehidupan berevolusi—sementara sistem global menjadi lebih entropis. Anda dapat memesan secara lokal. Kekacauan secara global. Tidak ada hukum yang dilanggar.
Dalam pandangan ini, energi gelap dinamis bertindak sebagai energi internal. QGRE bertindak sebagai entropi lokal. Suhu dan tekanan efektif muncul secara alami dari keadaan kuantum. Gravitasi, bisa dibilang, bersifat termal. Ini adalah kematian akibat panas alam semesta yang terjadi dalam skala kosmik.
Bisakah Ini Menjembatani Relativitas Umum dan Mekanika Kuantum?
Kami belum tahu apakah ini benar.
Kerangka kerja ini masih bersifat teoritis. Ini masih awal. Namun hal ini menawarkan sebuah jembatan potensial.
Fisika punya masalah perceraian. Relativitas umum (gravitasi, benda besar) dan mekanika kuantum (partikel, benda kecil) tidak sejalan. Mereka berbicara dalam bahasa yang berbeda. Mereka mengabaikan aturan satu sama lain.
GfE memperkirakan mereka mungkin berbicara dalam bahasa yang sama selama ini. Informasi. Termodinamika.
Jika gravitasi muncul dari derajat kebebasan mikroskopis geometri ruangwaktu, maka gravitasi, termodinamika, dan informasi pada dasarnya terhubung. Hal ini dapat menjelaskan mengapa kompleksitas muncul.
“Karya ini mengungkapkan bagaimana teori Gravitasi dari entropi dapat menjawab pertanyaan menantang untuk menyelaraskan prinsip kedua termodinamika dengan munculnya kompleksitas di alam semesta kita.” — Profesor Ginestra Bianconi
Ini adalah klaim yang berani. Gravitasi tidak hanya menyatukan segala sesuatunya. Ini menyortir informasi. Ini mengatur panas.
Langkah selanjutnya adalah observasi. Istilah energi gelap dinamis dalam GfE memprediksi penyimpangan spesifik dari Relativitas Umum dalam medan kuat atau skala besar. Para astronom perlu mencari sinyal-sinyal tersebut.
Sampai saat itu tiba, paradoksnya masih ada. Tapi ini tidak terlihat seperti jalan buntu dan lebih mirip peta.
Alam semesta tidak sedang melawan kekacauan. Ia menggunakannya untuk membangun dirinya sendiri.
