- Baru-baru ini para fisikawan teoretis mengajukan model yang memandang gravitasi sebagai hasil dari interaksi acak partikel-partikel mikroskopis, yakni akibat dari peningkatan entropi
- Model ini berfokus pada hubungan antara entropi dan gravitasi, serta mengeksplorasi pendekatan alternatif terhadap teori gravitasi yang ada
- Model gravitasi entropi menawarkan prediksi eksperimental yang dapat diuji, dan mengisyaratkan bahwa gravitasi sesungguhnya bukan gaya fundamental melainkan fenomena kolektif
- Namun, model ini hanya menjelaskan hukum gravitasi Newton dan belum mampu memuat sifat-sifat mendalam dari relativitas umum seperti kelengkungan ruang-waktu
- Teori baru ini juga terhubung dengan superposisi kuantum dan kolaps fungsi gelombang, sehingga memberi petunjuk bagi teori gravitasi kuantum dan penelusuran hakikat gravitasi
Newton, Einstein, dan penafsiran ulang gravitasi
- Isaac Newton menyimpan kebingungan tentang hakikat gravitasi, dan pada masanya banyak cendekiawan mencoba menafsirkan gravitasi bukan sebagai 'gaya tarik' melainkan 'gaya dorong'
- Albert Einstein menjelaskan gravitasi sebagai distorsi ruang dan waktu, tetapi ini pun bukan penjelasan yang sepenuhnya tuntas
- Penafsiran bahwa gravitasi adalah fenomena yang muncul dari efek kolektif partikel-partikel mikroskopis, yakni semacam 'perilaku kawanan', masih menjadi perhatian banyak fisikawan
Kebangkitan modern teori gravitasi entropi
- Belakangan ini, tim fisikawan teoretis termasuk Daniel Carney mengajukan model bahwa ada sistem termal tak terlihat di alam semesta, dan dari situ semua fenomena gravitasi yang kita kenal dapat dijelaskan
- Pendekatan ini disebut 'gravitasi entropi' dan memperlakukan gravitasi sebagai fisika panas (heat)
- Gravitasi entropi menjelaskan bahwa gravitasi muncul dari prinsip yang sama dengan peningkatan entropi akibat gerak acak dan pencampuran partikel, seperti yang terlihat pada boiler, mesin mobil, dan lemari es
Keterkaitan relativitas umum dan entropi
- Relativitas umum memberikan prediksi yang indah dan akurat, tetapi memiliki keterbatasan karena kehilangan daya jelaskan pada singularitas seperti bagian dalam lubang hitam
- Relativitas umum menunjukkan bahwa lubang hitam hanya bertambah besar dan tidak menyusut, serta hanya menyerap dan tidak memancarkan, sehingga menyerupai fenomena entropik
- Jika dijelaskan dengan mekanika kuantum, terjadi emisi termal dari lubang hitam (radiasi Hawking), yang mengisyaratkan bahwa lubang hitam atau ruang-waktu mungkin benar-benar tersusun dari partikel atau komponen mikroskopis
Prinsip holografi dan pendekatan Jacobson
- Prinsip holografi menjelaskan bahwa pola yang dibentuk partikel-partikel mikroskopis menciptakan dimensi tambahan sehingga gravitasi muncul secara alami
- Ted Jacobson mendeduksikan persamaan relativitas umum dari asumsi bahwa ruang-waktu memiliki sifat termal tersendiri
- Pendekatan ini menekankan keterkaitan mendalam antara gravitasi dan panas
Model konkret dari Carney dan rekan-rekan
- Model pertama: ruang terdiri dari kisi kristal partikel kuantum (qubit), dan benda bermassa menyusun ulang qubit di sekitarnya untuk membentuk wilayah teratur (penurunan entropi)
- Semakin dekat dua massa, timbul efek saling tarik untuk meningkatkan entropi keseluruhan sistem
- Efek ini melemah sesuai jarak, sama seperti hukum gravitasi Newton
- Model kedua: qubit tidak terikat pada posisi tertentu dan memengaruhi massa secara nonlokal
- Saat jarak dua massa berubah, energi yang dapat disimpan tiap qubit ikut berubah → membuat entropi sistem meningkat ketika massa saling mendekat
Kekuatan dan keterbatasan
- Kedua model sama-sama tidak memiliki bukti independen tentang keberadaan qubit nyata, dan memerlukan penyetelan halus pada kekuatan serta arah gaya
- Tidak mampu menjelaskan sifat-sifat inti gravitasi seperti kelengkungan ruang-waktu dalam relativitas umum atau ketidakpekaan terhadap gravitasi saat jatuh bebas
- Hanya menjelaskan wilayah gravitasi lemah ala Newton, dan kurang mampu menjelaskan wilayah gravitasi kuat seperti lubang hitam
- Model ini masih berada pada tingkat pembuktian prinsip, sehingga terbatas untuk memodelkan alam semesta yang sebenarnya
Verifikasi eksperimental dan maknanya
- Kelebihan terbesar teori ini adalah bahwa ia memberikan prediksi yang dapat diuji
- Misalnya, ketika benda bermassa berada dalam keadaan superposisi kuantum di dua posisi sekaligus, model ini memprediksi bahwa qubit akan meruntuhkannya
- Hal ini terhubung dengan fenomena kolaps fungsi gelombang, dan saat ini sedang dilakukan upaya untuk menguji model kolaps semacam itu secara eksperimental
- Karena belum dipastikan apakah gravitasi nyata memang muncul secara holografis, kemungkinan adanya asal-usul entropik juga layak diteliti
Kesimpulan dan implikasi
- Meski teori gravitasi entropi masih merupakan pandangan minoritas, teori ini tetap menawarkan arah eksperimen baru dan pertanyaan baru bagi pemahaman mendasar tentang gravitasi
- Jika teori ini benar, gravitasi tidak lagi perlu dipahami sebagai hukum, melainkan sebagai kecenderungan statistik
1 komentar
Opini Hacker News
Saya ingin menjelaskan bahwa gravitasi entropik mirip dengan "efek kacang Brazil"
Efek kacang Brazil adalah fenomena ketika berbagai ukuran kacang dimasukkan ke dalam gelas lalu diguncang, kacang besar (kacang Brazil) naik ke atas
Fenomena ini bisa ditafsirkan sebagai akibat kacang besar bergerak lebih lambat saat diguncang karena lebih berat, sementara kacang kecil mengisi ruang kosong di bawah
Dalam teori gravitasi entropik, diasumsikan ada kepadatan dasar partikel yang secara acak menghantam objek dengan kuat dari segala arah
Ketika dua massa besar saling mendekat, kepadatan partikel di antara keduanya menurun sehingga tampak seolah-olah keduanya saling menarik
Penjelasannya adalah bahwa partikel-partikel itu menghasilkan semacam efek bayangan
Namun, saya rasa asumsi tentang kepadatan interaksi partikel dengan benda besar sulit ditegakkan secara meyakinkan
Akan bagus jika ada yang lebih paham bisa menunjukkan kekeliruannya
Efek kacang Brazil adalah efek yang benar-benar dapat diamati
Jika ingin mengambil kismis, goyangkan serealnya, dan pada pasir kucing juga kalau diguncang "hadiah" akan naik ke atas
Lihat juga penjelasan granular convection di Wikipedia dan video YouTube terkait
Saya juga bukan fisikawan, tetapi ini mengingatkan saya pada satu bagian dari kuliah Feynman yang berkaitan dengan penjelasan di atas
Tautan teks asli kuliah Feynman
Intinya, ia menjelaskan salah satu hipotesis untuk menerangkan gravitasi, dengan asumsi ada partikel yang bergerak sangat cepat ke segala arah dan hanya sedikit diserap
Partikel-partikel ini menghantam Bumi, dan jika seragam dari semua arah maka terjadi keseimbangan
Namun ketika Matahari dekat, sebagian partikel yang datang dari arah Matahari diserap sehingga jumlah partikel incoming dari arah itu berkurang
Karena itu Bumi pada akhirnya tampak tertarik ke arah Matahari, tetapi sebenarnya teori ini tidak benar
Jika ini benar, saat Bumi mengorbit Matahari ia akan menerima lebih banyak partikel dari depan sehingga mengalami hambatan dan segera berhenti
Dengan mekanisme ini, di alam semesta nyata tidak mungkin mempertahankan orbit stabil seperti Bumi dalam jangka panjang
Jadi, banyak orang membayangkan mesin gravitasi model ini, tetapi ia pasti menghasilkan prediksi yang salah sehingga tidak dapat berlaku
Video YouTube ini menjelaskan fisika granular dengan lebih baik
Kecepatan getaran (amplitudo) menunjukkan hasil penataan partikel yang tidak terduga
Pada getaran rendah, perilakunya mirip gravitasi Newton, tetapi pada getaran lebih cepat muncul fenomena yang mirip gravitasi MOND
Galaksi dan kekosongan besar juga dapat terbentuk, dan secara teori ini bisa dijelaskan tanpa materi gelap
Menurut interpretasi entropi, ada X keadaan yang secara probabilistik setara, dan bila keadaan yang memenuhi suatu kondisi tertentu jauh lebih banyak, keadaan berikutnya lebih mungkin bergerak ke arah itu
Sebagai contoh, jika melempar N koin, ada 2^N keadaan yang mungkin
Keadaan semua sisi kepala hanya satu
Kombinasi setengah kepala dan setengah ekor jauh lebih banyak, jadi ketika N membesar, keadaan 'makroskopik' berupa rata-rata setengah kepala menjadi sangat dominan
Entropi adalah gagasan bahwa sistem secara alami cenderung bergerak menuju 'keadaan yang secara makroskopik jauh lebih mungkin' seperti ini
Saya ragu dengan penjelasan bahwa "benda yang lebih besar bermassa lebih besar sehingga bergerak lebih lambat saat diguncang"
Jika benda besar bergerak lebih lambat, dari kerangka percepatan wadah bukankah itu justru bisa dianggap bergerak lebih cepat?
Penjelasan sehari-hari yang saya pahami adalah bahwa saat diguncang, sesekali terbentuk ruang, dan benda yang lebih kecil lebih mungkin mengisi ruang kecil itu lalu turun ke bawah
Bukankah partikel yang bermassa lebih besar justru secara efektif lebih kecil (berdasarkan panjang gelombang de Broglie), sehingga 'bayangan' yang ditimbulkannya juga lebih kecil? Saya agak bingung
Mungkin pada interaksi lain hubungan antara 'ukuran' partikel dan massanya berbeda, misalnya pada gravitasi ukuran partikel sebanding dengan massanya, atau semacam itu
Dan saya juga penasaran, pada tahap awal QM (mekanika kuantum), jika wavefunction menjelaskan amplitudo probabilitas posisi saat diukur dengan 'foton', apakah interpretasi 'posisi' partikel akan sepenuhnya berbeda jika diukur lewat interaksi lain seperti boson Z?
Definisi entropi dalam mekanika statistik berasal dari jumlah susunan partikel yang mungkin di dalam sistem
Dalam sistem tertutup, entropi menuju keadaan setimbang yang secara dramatis disebut 'kematian panas' (heat death)
Namun, alam semesta sedang mengembang, sehingga jumlah susunan yang mungkin (jumlah keadaan) terus bertambah
Jika laju ekspansi alam semesta lebih cepat daripada redistribusi komponennya, entropi bahkan bisa menurun
Dari sudut pandang ini, teori yang menempatkan entropi sebagai unsur inti gravitasi dapat memprediksi bahwa gravitasi berubah seiring waktu
Saya menganggap gravitasi entropik sebagai kerangka yang menarik
Banyak fisikawan berharap 'teori segalanya' yang belum ditemukan akan bersifat mikroskopik dan kuantum, dan gravitasi yang sangat lemah muncul dari teori itu seolah-olah seperti kesalahan pembukuan
Tetapi teori-teori seperti ini pada dasarnya bertumpu pada terlalu banyak asumsi, sehingga walaupun orang berkata "lihat, persamaan Einstein muncul", tetap sulit untuk langsung mempercayainya
Jacobson menunjukkan bahwa relativitas umum dapat diturunkan dengan menggabungkan termodinamika dan relativitas khusus, tetapi kedua syarat itu sendiri begitu umum sehingga saya bingung apakah masih perlu syarat tambahan
Saya penasaran asumsi mana yang secara pribadi Anda anggap problematik
Pada tingkat yang dibahas artikel ini, saya memahaminya belum sampai persamaan Einstein, melainkan baru sekitar gravitasi Newton klasik
Saya setuju dengan klaim bahwa "teori segalanya yang belum ditemukan kemungkinan akan berbentuk mikroskopik dan kuantum"
Tetapi untuk gagasan bahwa "gravitasi muncul dari teori seperti kesalahan akuntansi", saya justru merasa itu akan lebih mirip keluarga boson aneh lain (dalam bentuk partikel)
Dari artikel:
"Gravitasi entropik masih merupakan pandangan minoritas, tetapi bukan gagasan yang akan segera hilang, dan bahkan para pengkritiknya pun tidak bisa sepenuhnya mengabaikannya"
Saya seorang fisikawan eksperimental, jadi sebelum bersemangat tentang teori baru, saya harus memastikan apakah ia benar-benar sampai pada prediksi fenomena yang bisa diamati
Karena itu saya juga skeptis terhadap teori seperti Wolfram
Walaupun ia menjelaskan banyak teori yang sudah ada (relativitas khusus, sebagian mekanika kuantum, gravitasi, dan sebagainya), jika tidak ada prediksi baru yang bisa diuji atau landasan yang lebih mendasar, saya menganggapnya sebagai 'overfit'
Bahkan jika sebuah teori cocok dengan 10 prediksi nyata, bila semuanya sudah kita ketahui sebelumnya, sulit mengharapkan sesuatu yang benar-benar baru
Teori-teori emergent seperti ini memang menurunkan gravitasi Newton atau relativitas umum, tetapi tidak jelas apa yang benar-benar bisa diuji secara eksperimental
Jika ia memprediksi MOND (modified Newtonian dynamics) tanpa memperkenalkan medan MOND terpisah, barulah kita bisa mengatakan bahwa ia dapat dipalsukan pada tingkat pengujian MOND
Kadang saya berpikir, jika fisika kita tidak mengizinkan keberadaan lubang hitam, bagaimana kita akan melakukan stress test terhadap teori
Saya rasa lubang hitam dalam kosmologi memainkan peran penting bagi kemajuan teori, seperti 'lilin standar'
Secara realistis, sampai kegunaan praktisnya terbukti, kita perlu menganggapnya sebagai waktu yang menyenangkan untuk mengerjakan soal matematika
Saya berpendapat bahwa di antara dua model, model dengan 'panjang deskripsi minimum (MDL)' yang lebih pendek kemungkinan lebih kuat dalam generalisasi
Saya merasa magnetisme lebih dekat ke gravitasi
Selama bertahun-tahun saya mengatakan ini, dan saya merasa sebagian besar medan magnet yang tidak selaras bergabung menghasilkan efek bersih yang sangat kecil berupa tarikan
Saya tidak terlalu paham
Bagi saya, entropi bukanlah fenomena fisik yang nyata, melainkan angka yang menyatakan ketidaklengkapan kita saat tidak mengetahui suatu sistem secara sempurna
Kita hanya mengamati sifat makroskopik materi, jadi kita membuat indikator yang tidak benar-benar merepresentasikan realitas mikroskopiknya
Jika kita bisa mengetahui dunia mikroskopik dengan sempurna lewat mikroskop, konsep entropi itu sendiri akan menjadi tak bermakna
Karena itu saya tidak bisa memahami pernyataan bahwa gravitasi atau interaksi fundamental lain berasal dari entropi
Saya menganggap entropi hanyalah konsep buatan manusia
Ini salah paham
Entropi fisik benar-benar mengatur fenomena nyata
Misalnya, mengapa es mencair di ruangan hangat, atau mengapa kabel makin lama makin kusut
Bahwa kita mengukur entropi hanyalah cara untuk merangkum keadaan makroskopik seperti es di ruangan atau kabel kusut
Entropi ala Boltzmann menjelaskan kecenderungan umum kenaikan entropi karena jumlah cara untuk tersusun secara 'tak teratur' jauh lebih besar
Itulah sebabnya es pasti mencair
Entropi juga merupakan 'entitas' fisik sebagaimana suhu
Bahwa suhu tidak ada pada tingkat partikel tunggal bukan berarti ia bukan besaran fisik
Entropi mengukur jumlah keadaan mikro dari suatu sistem, dan angka ini ada terlepas dari pengamat
Pada dasarnya, entropi memang memuat 'ketidaktahuan' karena kita tidak sepenuhnya mengetahui sistem
Meski begitu, di laboratorium kita benar-benar bisa mengukur fenomena 'gaya entropik (entropic force)'
Saya merekomendasikan penjelasan gaya entropik di Wikipedia dan contoh rantai ideal (ideal chain)
Dari sudut pandang ini, entropi bukan sekadar metode hitung buatan manusia; ia menjelaskan fenomena yang teramati secara efektif, meski bukan hukum paling fundamental dalam fisika
Jika Anda percaya pada gravitasi entropik, Anda akan mendukung gagasan bahwa gravitasi adalah 'fenomena emergen', dan pada akhirnya dibutuhkan teori gravitasi yang lebih mendasar
Penelitian yang ada cenderung langsung mencoba mengkuantisasi gravitasi, sedangkan gravitasi entropik lebih mirip gagasan bahwa kita tidak seharusnya memaksakan kuantisasi pada persamaan gas
Tambahan lagi, tidak mungkin ada 'entropi tanpa distribusi probabilitas'. Mengklaim entropi begitu saja sebagai 'besaran nyata' adalah pandangan ala abad ke-19
Entropi yang digunakan dalam ilmu komputer berbeda dari entropi dalam fisika
Saya merekomendasikan ceramah ini yang menjelaskan perbedaannya dengan baik
Dulu saya juga mengira entropi semata-mata soal keterbatasan pengetahuan kita, tetapi sekarang saya percaya bahwa karena prinsip ketidakpastian Heisenberg, pada dasarnya memang tidak mungkin mengetahui keadaan mikro secara sempurna
Semua peristiwa pada dasarnya irreversibel, dan entropi selalu meningkat
Kesempurnaan hanya mungkin ada di dalam teori
Gagasan bahwa gravitasi muncul bergantung pada cara informasi bekerja itu menarik
Hanya saja saya belum melihat bukti jelas bahwa model ini memprediksi fenomena yang berbeda dari relativitas umum
Untuk saat ini, ini teori yang menyenangkan untuk didiskusikan, tetapi sulit diterima sepenuhnya
Saya penasaran apakah ini kompatibel dengan model fisika berbasis hypergraph milik Wolfram
Dalam kerangka itu, gravitasi muncul dari perilaku statistik evolusi hypergraph, sehingga mungkin gravitasi dapat ditafsirkan sebagai 'gaya entropik' yang berasal dari kecenderungan sistem meminimalkan kompleksitas komputasinya
Pengenalan kasus menarik tentang emergent fox-treasure gravity di game Skyrim
Artikel terkait
Singkatnya, wilayah yang memiliki harta menunjukkan 'entropi' lebih tinggi dalam lintasan gerak acak rubah, sehingga rubah tanpa sengaja lebih mudah bergerak ke arah harta
Jika gravitasi itu entropik, bukankah itu mirip dengan buoyancy?