Keterjeratan Quantum Dorong Anak Panah Waktu

Oleh: Natalie Wolchover
16 April 2014
Sumber: www.quantamagazine.org

Kopi mendingin, bangunan meremuk, telur meretak, dan bintang-bintang mendesis padam di sebuah alam semesta yang ditakdirkan terjun ke dalam status kebosanan seragam, atau dikenal sebagai kesetimbangan termal. Astronom-filsuf Sir Arthur Eddington pada 1927 menyebutkan pemencaran gradual energi sebagai bukti “anak panah waktu” non-reversibel (tidak dapat dibalik).

Secangkir kopi mendingin, bangunan meremuk, dan bintang-bintang mendesis padam, kata fisikawan, disebabkan oleh efek quantum aneh bernama “keterjeratan”.
Secangkir kopi mendingin, bangunan meremuk, dan bintang-bintang mendesis padam, kata fisikawan, disebabkan oleh efek quantum aneh bernama “keterjeratan”.

Tapi yang membuat bingung bergenerasi-generasi fisikawan, anak panah waktu seolah bukan muncul dari hukum fisika dasar, yang bekerja ke waktu depan maupun ke waktu belakang. Menurut hukum-hukum ini, jika seseorang tahu jalur semua partikel di alam semesta dan membalik jalur-jalur tersebut, energi akan berkumpul alih-alih berpencar: kopi hangat akan spontan memanas, bangunan akan bangkit dari puingnya, dan cahaya mentari menyelinap kembali ke asalnya.

“Dalam fisika klasik, kita sedang meronta-ronta,” kata Sandu Popescu, profesor fisika di Universitas Bristol, Inggris. “Jika saya tahu lebih banyak, bisakah saya membalik peristiwa, menghimpun semua molekul telur yang retak? Kenapa saya relevan?”

Tentu saja, ungkapnya, anak panah waktu tidak disetir oleh ketidaktahuan manusia. Tapi, sejak kelahiran termodinamika pada 1850-an, satu-satunya pendekatan dikenal untuk mengkalkulasi penyebaran energi adalah merumuskan sebaran statistik trayektori partikel, dan menunjukkan bahwa, seiring waktu, ketidaktahuan mengotori situasi.

Kini, fisikawan sedang membongkar sumber lebih fundamental untuk anak panah waktu: energi memencar dan objek-objek bersetimbang, kata mereka, disebabkan oleh cara perjalinan partikel-partikel unsur saat berinteraksi—sebuah efek aneh yang disebut “keterjeratan quantum”.

“Akhirnya kita bisa mengerti kenapa secangkir kopi bersetimbang di sebuah ruangan,” kata Tony Short, fisikawan quantum di Bristol. “Keterjeratan antara status cangkir kopi dan status ruangan meningkat.”

Popescu, Short, dan kolega mereka, Noah Linden dan Andreas Winter, melaporkan penemuan ini dalam jurnal Physical Review E pada 2009, berargumen bahwa objek-objek menggapai kesetimbangan, atau status sebaran energi seragam, dalam jumlah waktu tak terhingga dengan menjadi terjerat secara mekanis quantum dengan lingkungan mereka. Temuan serupa oleh Peter Reimann dari Universitas Bielefeld di Jerman tampil beberapa bulan lebih awal dalam Physical Review Letters. Short dan seorang rekan memperkuat argumen pada 2012 dengan menunjukkan bahwa keterjeratan menimbulkan kesetimbangan dalam waktu terhingga. Dan, dalam penelitian yang dipajang di situs pracetak ilmiah arXiv.org pada Februari, dua kelompok terpisah telah mengambil langkah berikutnya, mengkalkulasi bahwa mayoritas sistem fisikal bersetimbang secara pesat, pada skala waktu sebanding dengan ukuran mereka. “Untuk membuktikan bahwa itu relevan dengan dunia fisik aktual kita, proses-prosesnya harus berlangsung pada skala waktu masuk akal,” kata Short.

Sebuah makalah bersejarah karya Noah Linden (kiri), Sandu Popescu (tengah), dan Tony Short (kanan), dan Andreas Winter (tidak ada dalam gambar) pada 2009 menunjukkan bahwa keterjeratan menyebabkan objek-objek berevolusi menuju kesetimbangan. Keumuman buktinya “luar biasa mencengangkan”, kata Popescu. “Fakta bahwa sebuah sistem menggapai kesetimbangan ternyata bersifat universal.” Makalah ini memicu riset lanjutan mengenai peran keterjeratan dalam mengarahkan anak panah waktu. (Courtesy Tony Short)
Sebuah makalah bersejarah karya Noah Linden (kiri), Sandu Popescu (tengah), dan Tony Short (kanan), dan Andreas Winter (tidak ada dalam gambar) pada 2009 menunjukkan bahwa keterjeratan menyebabkan objek-objek berevolusi menuju kesetimbangan. Keumuman buktinya “luar biasa mencengangkan”, kata Popescu. “Fakta bahwa sebuah sistem menggapai kesetimbangan ternyata bersifat universal.” Makalah ini memicu riset lanjutan mengenai peran keterjeratan dalam mengarahkan anak panah waktu. (Courtesy Tony Short)

Kecenderungan kopi—dan segala sesuatu—untuk mencapai kesetimbangan adalah “sangat intuitif”, kata Nicolas Brunner, fisikawan quantum di Universitas Jenewa. “Tapi kalau untuk menjelaskan kenapa itu terjadi, baru pertama kalinya ini didapat di atas landasan kokoh dengan mempertimbangkan teori mikroskopis.”

Jika garis riset baru ini benar, maka kisah anak panah waktu diawali dengan gagasan mekanika quantum bahwa, jauh di bawah sana, alam memang bersifat tak pasti. Partikel unsur tak punya atribut fisikal definitif dan hanya didefinisikan oleh probabilitas keberadaannya dalam beragam status. Contoh, pada momen tertentu, sebuah partikel mungkin punya peluang 50% berpusing searah jarum jam dan 50% berlawanan arah jarum jam. Sebuah teorema oleh fisikawan Irlandia Utara John Bell yang telah teruji secara eksperimen menyatakan tidak ada status “sejati”; probabalitas adalah satu-satunya kenyataan yang dapat diatributkan padanya.

Berarti ketidakpastian quantum melahirkan keterjeratan, tersangka sumber anak panah waktu.

Ketika dua partikel berinteraksi, mereka bahkan tak bisa lagi dideskripsikan oleh probabilitas-probabilitas yang berevolusi secara sendiri-sendiri, disebut “status murni”. Justru, mereka menjadi komponen terjerat dari satu sebaran probabilitas lebih rumit yang mendeskripsikan kedua partikel sekaligus. Ini mungkin mengharuskan, sebagai contoh, partikel-partikel tersebut berpusing ke arah berlawanan. Sistem secara keseluruhan berstatus murni, tapi status setiap partikel individual “bercampur” dengan status kenalannya. Keduanya dapat pergi memisah bertahun-tahun cahaya, tapi pusingan masing-masing akan tetap berkorelasi dengan satu sama lain, sebuah fitur yang masyhur Albert Einstein lukiskan sebagai “tindakan menyeramkan dari kejauhan”.

“Sedikit-banyak, keterjeratan adalah intisari mekanika quantum,” atau hukum yang mengatur interaksi pada skala subatom, kata Brunner. Fenomena ini mendasari komputasi quantum, kriptografi quantum, dan teleportasi quantum.

Gagasan bahwa keterjeratan dapat menjelaskan anak panah waktu terpikir pertama kali oleh Seth Lloyd sekitar 30 tahun silam, ketika dia masih mahasiswa pascasarjana filsafat berusia 23 tahun di Universitas Cambridge dengan gelar fisika Harvard. Lloyd menyadari, ketidakpastian quantum, dan caranya menyebar seiring kian terjeratnya partikel-partikel, dapat menggantikan ketidakpastian manusiawi dalam bukti-bukti klasik tua sebagai sumber hakiki anak panah waktu.

Saat kuliah di sekolah pascasarjana Universitas Cambridge pada 1980-an, Seth Lloyd, kini profesor MIT, menghasilkan gagasan bahwa keterjeratan dapat menjelaskan anak panah waktu. (Courtesy Seth Lloyd)
Saat kuliah di sekolah pascasarjana Universitas Cambridge pada 1980-an, Seth Lloyd, kini profesor MIT, menghasilkan gagasan bahwa keterjeratan dapat menjelaskan anak panah waktu. (Courtesy Seth Lloyd)

Memanfaatkan sebuah pendekatan samar terhadap mekanika quantum yang memperlakukan unit-unit informasi sebagai blok penyusun dasarnya, Lloyd menghabiskan beberapa tahun untuk mempelajari evolusi partikel-partikel berdasarkan pengocokan 1 dan 0. Dia mendapati, seiring partikel-partikel semakin terjerat dengan satu sama lain, informasi yang mulanya mendeskripsikan mereka (sebagai contoh, “1” untuk pusingan searah jarum jam dan “0” untuk berlawanan arah jarum jam) akan bergeser mendeskripsikan sistem partikel-partikel terjerat sebagai kesatuan. Seakan-akan partikel-partikel tersebut perlahan kehilangan otonomi individual mereka dan menjadi pion negara kolektif. Lama-lama, korelasi ini mengandung semua informasi, dan partikel-partikel individual tidak mengandung apa-apa. Pada titik itu, menurut temuan Lloyd, partikel-partikel mencapai status setimbang, dan status-status mereka berhenti berubah, seperti kopi yang mendingin ke suhu ruangan.

“Yang sebetulnya terjadi adalah semua hal jadi semakin saling berkorelasi,” kenang Lloyd. “Anak panah waktu adalah anak panah peningkatan korelasi.”

Ide ini, dipresentasikan dalam tesis doktoralnya tahun 1988, tidak mendapat perhatian. Saat mengajukannya ke sebuah jurnal, dia diberitahu, “tak ada fisika dalam makalah ini”. Teori informasi quantum “sangat tidak populer” di masa itu, ujar Lloyd, dan persoalan anak panah waktu “adalah untuk orang sinting dan peraih Nobel yang jadi sinting”, kenangnya akan ucapan seorang fisikawan.

“Saya hampir berakhir menjadi sopir taksi,” kata Lloyd.

Kemajuan komputasi quantum sejak saat itu telah mengubah teori informasi quantum menjadi salah satu cabang fisika paling aktif. Lloyd kini profesor di Massachusetts Institute of Technology, diakui sebagai salah seorang pendiri disiplin tersebut, dan idenya yang dulu diabaikan telah mengemuka kembali dalam bentuk lebih kuat di tangan para fisikawan Bristol. Bukti-bukti baru bersifat lebih umum, kata para peneliti, dan berlaku untuk hampir semua sistem quantum.

“Ketika Lloyd mengusulkan ide ini dalam tesisnya, dunia tidak siap,” kata Renato Renner, kepala Institute for Theoretical Physics di ETH Zurich. “Tak seorangpun memahaminya. Kadang Anda harus punya ide di waktu yang tepat.”

Pada 2009. bukti milik kelompok Bristol menggema di kalangan teoris informasi quantum, membukakan penerapan baru untuk teknik-teknik mereka. [Bukti] itu menunjukkan bahwa selagi objek-objek berinteraksi dengan lingkungan—selagi partikel-partikel dalam secangkir kopi bertubrukan dengan udara, contohnya—informasi tentang atribut mereka “bocor dan terpulas pada seluruh lingkungan”, jelas Popescu. Hilangnya informasi lokal ini membuat status kopi jadi stagnan, bahkan selagi status murni seluruh ruangan terus berevolusi. Kalau bukan karena fluktuasi acak langka, “statusnya berhenti berubah dalam [aliran] waktu,” katanya.

Saat secangkir kopi panas bersetimbang dengan udara sekitar, partikel kopi (putih) dan partikel udara (cokelat) berinteraksi dan menjadi cempuran status cokelat dan putih yang terjerat. Setelah beberapa waktu, mayoritas partikel pada kopi berkorelasi dengan partikel udara; kopi telah menggapai kesetimbangan termal. (Lidia del Rio)
Saat secangkir kopi panas bersetimbang dengan udara sekitar, partikel kopi (putih) dan partikel udara (cokelat) berinteraksi dan menjadi cempuran status cokelat dan putih yang terjerat. Setelah beberapa waktu, mayoritas partikel pada kopi berkorelasi dengan partikel udara; kopi telah menggapai kesetimbangan termal. (Lidia del Rio)

Konsekuensinya, secangkir kopi hangat tidak spontan memanas. Secara prinsip, selagi status murni ruangan berevolusi, kopi dapat tiba-tiba berpisah dari udara dan memasuki status murninya sendiri. Tapi status campur jauh lebih banyak daripada status murni yang tersedia bagi kopi sehingga ini hampir tak pernah terjadi—kita harus hidup lebih lama dari alam semesta untuk menyaksikannya. Ketidakmungkinan statistik ini membuat anak panah waktu terlihat non-reversibel. “Hakikatnya keterjeratan membuka ruang sangat besar untuk Anda,” kata Popescu. “Anda seperti berada di taman dan memulai di sebelah gerbang, jauh dari setimbang. Kemudian Anda masuk dan mengarungi tempat luas ini dan tersesat di dalamnya. Dan Anda tak pernah kembali ke gerbang.”

Dalam kisah anak panah waktu yang baru ini, hilangnya informasi lewat keterjeratan quantumlah, bukan kurangnya kebertahuan subjektif manusia, yang mendorong secangkir kopi masuk ke dalam kesetimbangan dengan ruang sekitar. Ruangan kemudian bersetimbang dengan lingkungan luar, dan lingkungan ini bergeser lebih pelan lagi menuju kesetimbangan dengan seluruh alam semesta. Para raksasa termodinamika abad 19 memandang proses ini sebagai pemencaran gradual energi yang meningkatkan total entropi, atau ketidakteraturan, alam semesta. Hari ini, Lloyd, Popescu, dan lain-lain di bidang mereka memandang anak panah waktu secara berbeda. Dalam pandangan mereka, informasi menjadi semakin baur, tapi tak pernah raib sama sekali. Jadi, tegas mereka, kendati entropi meningkat secara lokal, total entropi alam semesta tetap konstan pada angka nol.

“Alam semesta secara keseluruhan berada dalam status murni,” tukas Lloyd. “Tapi keping-keping individualnya, karena terjerat dengan bagian-bagian lain alam semesta, bercampur-baur.”

Satu aspek anak panah waktu masih tak terjawab. “Tak ada satupun dalam karya-karya ini yang menyebut kenapa Anda memulai di gerbang,” kata Popescu, mengacu pada analogi taman. “Dengan kata lain, mereka tidak menjelaskan kenapa status awal alam semesta jauh dari setimbang.” Dia bilang ini merupakan persoalan sifat Big Bang.

Terlepas dari kemajuan mutakhir dalam mengkalkulasi skala-skala waktu penyetimbangan, pendekatan baru ini masih harus tampil sebagai alat untuk menguraikan atribut termodinamis benda-benda spesifik, seperti kopi, kaca, atau status eksotis materi. (Beberapa ahli termodinamika tradisional menyadari pendekatan baru ini secara samar.) “Intinya adalah menemukan kriteria: benda mana yang berperilaku seperti kaca jendela dan benda mana yang berperilaku seperti secangkir teh,” kata Renner. “Saya akan pahami makalah-makalah baru tersebut sebagai langkah ke arah ini, tapi masih banyak yang perlu dikerjakan.”

Beberapa peneliti merasa ragu pendekatan termodinamika abstrak ini akan mampu mengurus “seluk-beluk sulit tentang bagaimana amatan-amatan spesifik berperilaku,” ungkap Lloyd. Tapi kemajuan konseptual dan formalisme baru matematika sedang membantu peneliti mengurus persoalan teoritis terkait termodinamika, seperti batas fundamental komputer quantum dan bahkan nasib akhir alam semesta.

“Kita semakin memikirkan apa yang bisa diperbuat dengan mesin quantum,” kata Paul Skrzypczyk dari Institute of Photonic Sciences di Barcelona. “Mengingat sebuah sistem belum setimbang, kita ingin mendapat kerja berguna darinya. Berapa banyak kerja berguna yang dapat kita peras? Bagaimana saya dapat turut campur untuk berbuat sesuatu yang menarik?”

Sean Carroll, kosmolog teoritis di California Institute of Technology, sedang memanfaatkan formalisme baru dalam penelitian teranyarnya tentang anak panah waktu dalam kosmologi. “Saya tertarik pada nasib ultra jangka panjang ruang-waktu kosmologis,” kata Carroll, pengarang From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time. “Itu adalah situasi di mana kita betul-betul tidak mengenal semua hukum fisika yang relevan. Jadi masuk akal untuk berpikir pada tingkat sangat abstrak. Itu sebabnya saya menganggap perlakuan dasar mekanika quantum ini berguna.”

Dua puluh enam tahun setelah ide besar anak panah waktu miliknya gagal total, Lloyd senang menyaksikan kebangkitannya dan telah menerapkan ide-ide ini dalam penelitian anyar tentang paradoks informasi black hole. “Saya kira kini konsensusnya adalah: ada fisika di dalamnya,” katanya.

Belum lagi sepotong filsafat.

Menurut para ilmuwan, kemampuan kita untuk mengingat masa lalu tapi tidak masa depan, manifestasi anak panah waktu pengacau lainnya, juga dapat dipahami sebagai peningkatan korelasi antara partikel-partikel yang berinteraksi. Ketika Anda membaca pesan pada sehelai kertas, otak Anda jadi berkorelasi dengannya melalui foton-foton yang menjangkau mata Anda. Baru sejak momen itulah Anda akan mampu mengingat isi pesan. Sebagaimana ungkapan Lloyd: “Masa kini dapat didefinisikan oleh proses korelasi dengan sekitar kita.”

Latar belakang pertumbuhan keterjeratan yang stabil di seantero alam semesta adalah, tentu saja, waktu itu sendiri. Fisikawan menekankan, terlepas dari kemajuan hebat dalam memahami bagaimana perubahan waktu terjadi, mereka belum mengalami kemajuan dalam menyingkap sifat waktu atau kenapa ia terasa berbeda (baik secara perseptual maupun dalam persamaan mekanika quantum) dari tiga dimensi ruang. Popescu menyebut ini “salah satu hal asing terhebat dalam fisika.”

“Kita bisa diskusikan fakta bahwa satu jam lalu otak kita ada dalam status berkorelasi dengan tak banyak hal,” katanya. “Tapi persepsi kita bahwa waktu mengalir—itu urusan lain sama sekali. Kemungkinan besar kita akan butuh revolusi lanjutan dalam fisika yang akan memberitahu kita soal ini.”

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s