Sebuah studi teoretis baru menawarkan cara untuk memecahkan salah satu teka-teki tersulit dalam fisika modern: bagaimana alam semesta menghasilkan galaksi, bintang, planet, dan kehidupan sambil tetap mengikuti hukum kedua termodinamika?
Penelitian ini dipimpin oleh Profesor Ginestra Bianconi, seorang ahli matematika di Queen Mary University of London. Karyanya mengkaji apakah teori yang dikenal sebagai Gravity from Entropy dapat membantu menjelaskan bagaimana kompleksitas kosmik muncul bahkan ketika total entropi Alam Semesta meningkat.
Teka-teki entropi alam semesta
Einstein menyatakan bahwa “hukum kedua termodinamika menempati posisi unik di antara hukum alam”, yang mencerminkan pandangannya bahwa hukum tersebut adalah salah satu prinsip fisika yang paling aman dan mendasar.
Hukum kedua mengatakan bahwa entropi total suatu sistem terisolasi umumnya meningkat seiring waktu. Entropi sering digambarkan sebagai ukuran ketidakteraturan, meskipun entropi lebih akurat mencerminkan bagaimana energi dan informasi didistribusikan dalam suatu sistem.
Prinsip ini merupakan tantangan besar bagi kosmologi. Para ilmuwan umumnya percaya bahwa alam semesta awal dimulai dalam keadaan entropi rendah dan secara bertahap berevolusi menuju entropi yang lebih tinggi. Pada saat yang sama, materi diorganisasikan menjadi struktur yang semakin rumit, mulai dari galaksi dan bintang hingga planet dan organisme hidup.
Menjelaskan bagaimana peningkatan kompleksitas ini dapat hidup berdampingan dengan entropi yang terus meningkat masih menjadi masalah yang belum terpecahkan.
Visi baru tentang gravitasi berdasarkan entropi
Dalam sebuah artikel yang diterbitkan di Pemeriksaan fisikDBianconi mempelajari teka-teki tersebut menggunakan Gravity from Entropy (GfE), sebuah pendekatan yang diusulkan terhadap gravitasi kuantum.
Teori ini menggunakan gagasan mekanika statistik untuk menggambarkan gravitasi sebagai sesuatu yang muncul dari sifat mikroskopis geometri ruang-waktu. Daripada memperlakukan gravitasi hanya sebagai gaya fundamental atau sebagai kelengkungan ruang-waktu, GfE menghubungkannya dengan informasi dan entropi pada tingkat kuantum.
Analisis Bianconi mengungkap perbedaan yang berpotensi penting. Meskipun total entropi alam semesta meningkat seiring berjalannya waktu, jumlah entropi per satuan volume menurun seiring dengan perluasan alam semesta.
Perilaku ini dapat menawarkan cara baru untuk memahami bagaimana struktur terorganisir dapat tumbuh secara lokal tanpa melanggar hukum kedua termodinamika.
Lubang hitam terhubung dengan gravitasi dan panas
Gagasan bahwa gravitasi dan termodinamika saling terkait sudah ada sejak karya perintis Jacob Bekenstein dan Stephen Hawking pada tahun 1970an.
Temuan mereka menunjukkan bahwa lubang hitam memiliki entropi dan dapat memancarkan radiasi termal. Penemuan ini mengubah pemahaman ilmiah tentang lubang hitam dan mengungkap hubungan yang lebih dalam antara ruang-waktu, informasi, gravitasi, dan panas.
Gravitasi dari entropi dibangun di atas hubungan yang lebih luas ini.
Menurut GfE, gravitasi muncul dari ketegangan informasi antara metrik ruang-waktu aktual dan metrik lain yang dihasilkan oleh medan materi dan kelengkungan ruang-waktu. Metrik adalah struktur matematika yang digunakan untuk menggambarkan jarak dan geometri dalam ruang-waktu.
Interpretasi ini diekspresikan melalui Lagrangian GfE, yang ditentukan oleh entropi relatif geometri kuantum (QGRE) antara kedua metrik.
Kemungkinan adanya hubungan dengan energi gelap
Pada energi rendah dan dalam kondisi kelengkungan ruang-waktu yang rendah, persamaan Gravitasi-Entropi mereproduksi Relativitas Umum. Namun, dalam kondisi yang lebih ekstrem, prediksinya mulai berbeda.
Di luar batas lemah ini, persamaan GfE menghasilkan kontribusi energi gelap yang berubah-ubah. Karena istilah ini berkembang secara dinamis, maka berpotensi menghasilkan prediksi yang pada akhirnya dapat diuji oleh para peneliti melalui pengamatan kosmologis.
Studi ini mengkaji efek termodinamika dalam ruang-waktu kosmologis Friedmann-Robertson-Walker, yang merupakan model matematika yang biasa digunakan untuk menggambarkan alam semesta yang mengembang secara seragam dalam skala besar.
Hasilnya menunjukkan bahwa komponen geometri lokal ruangwaktu mematuhi versi hukum pertama termodinamika. Dalam uraian ini, kontribusi energi gelap yang muncul bertindak sebagai energi internal, sedangkan entropi relatif geometri kuantum (QGRE) mewakili entropi lokal per satuan volume.
Besaran yang sesuai dengan suhu dan tekanan efektif juga mengikuti teori secara alami. Bersama-sama, hasil ini menunjukkan bahwa keadaan kuantum yang mendasari gravitasi yang timbul dari entropi mungkin memiliki karakter termal yang melekat.
Ekspansi menyebarkan entropi di ruang angkasa
Studi ini juga menyoroti pentingnya elemen volume lokal yang ditentukan oleh metrik ruangwaktu fisik.
Saat Alam Semesta mengembang, volumenya pun bertambah. Dalam kerangka GfE, peningkatan volume ini menyebabkan peningkatan entropi total, meskipun QGRE lokal dalam setiap unit volume secara bertahap menurun.
Dengan kata lain, Alam Semesta mungkin mengandung lebih banyak entropi secara keseluruhan, sementara entropi menjadi lebih tersebar luas di ruang yang semakin luas. Model termodinamika yang tidak biasa ini dapat membantu memperjelas bagaimana wilayah struktur dan kompleksitas yang terlokalisasi dapat muncul.
Gravitasi dan ruangwaktu dapat bersifat termodinamika
Hasilnya mendukung kemungkinan bahwa gravitasi dan ruangwaktu memiliki landasan informasi dan termodinamika.
Penafsiran seperti itu dapat memberikan cara-cara baru untuk mempelajari hubungan antara gravitasi, teori kuantum, energi gelap, evolusi kosmik, dan munculnya struktur kompleks.
Proposal tersebut masih pada tahap teoritis awal. Namun, para peneliti mengatakan hal ini dapat berkontribusi pada upaya menghubungkan relativitas umum, termodinamika, mekanika kuantum, dan kosmologi ke dalam kerangka yang lebih luas.
“Pekerjaan ini mengungkapkan bagaimana teori gravitasi dari entropi dapat menyelesaikan pertanyaan sulit dalam menyelaraskan hukum kedua termodinamika dengan munculnya kompleksitas di Alam Semesta kita. Hasil ini dapat membuka jalan baru untuk mempelajari masalah lama dalam merekonsiliasi dasar-dasar ireversibilitas kosmologis, munculnya struktur kompleks dan, pada akhirnya, kehidupan, dengan dinamika gravitasi fundamental,” jelas Profesor Bianconi.
