Tak terhitung lagi sudah berapa banyak situasi yang membuat kita berpikir: seandainya kita bisa memprediksi masa depan. Sebuah keluhan klasik yang lagi-lagi muncul ketika situasi tak terduga atau tak diinginkan terjadi. Terlepas dari itu, tak salah jika benar-benar ingin menjawabnya. Dapatkah kita memprediksi masa depan? Fisika menjawab dengan “Determinisme”.
Gambar 1. Determinisme merupakan satu-satunya jawaban yang pernah diajukan Fisika mengenai kemungkinan prediksi masa depan
Di zaman kuno, dunia pasti tampak sangat sewenang-wenang. Bencana seperti banjir, wabah penyakit, gempa bumi, atau gunung berapi pasti terjadi tanpa peringatan atau alasan yang jelas. Orang primitif mengaitkan fenomena alam seperti itu dengan dewa dan dewi, yang berperilaku dengan cara yang berubah-ubah dan aneh. Tidak ada cara untuk meramalkan apa yang akan mereka lakukan, dan satu-satunya harapan adalah memenangkan hati dengan hadiah atau tindakan. Banyak orang yang masih sebagian menganut kepercayaan ini dan mencoba membuat perjanjian dengan keberuntungan. Mereka menawarkan untuk berperilaku lebih baik atau lebih baik jika saja mereka bisa mendapatkan nilai A untuk suatu kursus atau lulus tes mengemudi.
Namun secara bertahap, orang pasti telah memperhatikan keteraturan tertentu dalam perilaku alam. Keteraturan ini paling jelas terlihat dalam gerakan benda-benda langit melintasi langit. Jadi astronomi adalah ilmu pertama yang dikembangkan. Itu diletakkan di atas dasar matematika yang kuat oleh Newton lebih dari 300 tahun yang lalu, dan kami masih menggunakan teorinya tentang gravitasi untuk memprediksi gerakan hampir semua benda langit. Mengikuti contoh astronomi, ditemukan bahwa fenomena alam lain juga mengikuti hukum ilmiah tertentu. Hal ini memunculkan ide determinisme ilmiah, yang tampaknya pertama kali diungkapkan secara terbuka oleh ilmuwan Prancis Pierre-Simon Laplace. Saya ingin mengutip kata-kata sebenarnya Laplace kepada Anda, tetapi Laplace agak seperti Proust karena dia menulis kalimat dengan panjang dan kompleksitas yang tak terkira. Jadi saya telah memutuskan untuk memparafrasekan kutipan tersebut. Sebenarnya apa yang dia katakan adalah jika pada suatu saat kita mengetahui posisi dan kecepatan semua partikel di alam semesta, maka kita akan dapat menghitung perilakunya kapan saja di masa lalu atau masa depan. Mungkin ada cerita apokrif bahwa ketika Laplace ditanya oleh Napoleon bagaimana Tuhan cocok dengan sistem ini, dia menjawab, "Baginda, saya tidak membutuhkan hipotesis itu." Saya tidak berpikir bahwa Laplace mengklaim bahwa Tuhan tidak ada. Hanya saja Tuhan tidak campur tangan untuk melanggar hukum sains. Itu pasti posisi setiap ilmuwan. Hukum ilmiah bukanlah hukum ilmiah jika hanya berlaku ketika makhluk gaib memutuskan untuk membiarkan sesuatu berjalan dan tidak campur tangan.
Gagasan bahwa keadaan alam semesta pada satu waktu menentukan keadaan pada waktu lain telah menjadi prinsip utama sains sejak zaman Laplace. Ini menyiratkan bahwa kita dapat memprediksi masa depan, paling tidak pada prinsipnya. Namun, dalam praktiknya, kemampuan kita untuk memprediksi masa depan sangat dibatasi oleh kompleksitas persamaan, dan fakta bahwa persamaan tersebut sering kali memiliki sifat yang disebut chaos. Seperti yang diketahui oleh mereka yang telah melihat Jurassic Park, ini berarti gangguan kecil di satu tempat dapat menyebabkan perubahan besar di tempat lain. Seekor kupu-kupu yang mengepakkan sayapnya di Australia dapat menyebabkan hujan di Central Park, New York. Masalahnya, ini tidak bisa diulang. Lain kali kupu-kupu mengepakkan sayapnya, sejumlah hal lain akan berbeda, yang juga akan memengaruhi cuaca. Faktor kekacauan inilah yang menyebabkan prakiraan cuaca bisa sangat tidak bisa diandalkan.
Terlepas dari kesulitan praktis ini, determinisme ilmiah tetap menjadi dogma resmi selama abad kesembilan belas. Namun, pada abad ke-20 terdapat dua perkembangan yang menunjukkan bahwa visi Laplace, yaitu prediksi lengkap masa depan, tidak dapat terwujud. Perkembangan pertama adalah apa yang disebut mekanika kuantum. Hal ini diajukan pada tahun 1900 oleh fisikawan Jerman Max Planck sebagai hipotesis ad hoc, untuk memecahkan paradoks yang luar biasa. Menurut gagasan klasik abad kesembilan belas yang berasal dari Laplace, benda panas, seperti sepotong logam merah-panas, seharusnya mengeluarkan radiasi. Itu akan kehilangan energi dalam gelombang radio, infra-merah, cahaya tampak, ultra-violet, sinar-X dan sinar gamma, semuanya pada kecepatan yang sama. Ini tidak hanya berarti bahwa kita semua akan mati karena kanker kulit, tetapi juga bahwa segala sesuatu di alam semesta akan berada pada suhu yang sama, yang jelas tidak demikian.
Namun, Planck menunjukkan bahwa seseorang dapat menghindari bencana ini jika seseorang melepaskan gagasan bahwa jumlah radiasi dapat memiliki nilai berapa saja, dan sebaliknya mengatakan bahwa radiasi hanya datang dalam paket atau kuanta dengan ukuran tertentu. Ini seperti mengatakan bahwa Anda tidak dapat membeli gula di supermarket, itu harus dalam kantong kilogram. Energi dalam paket atau kuanta lebih tinggi untuk ultra-violet dan sinar-X daripada untuk cahaya infra merah atau cahaya tampak. Artinya, kecuali sebuah benda sangat panas, seperti Matahari, ia tidak akan memiliki cukup energi untuk mengeluarkan bahkan satu kuantum ultra-violet atau sinar-X sekalipun. Itulah mengapa kita tidak terkena sengatan matahari dari secangkir kopi.
Planck menganggap gagasan kuanta hanya sebagai trik matematika, dan tidak memiliki realitas fisik, apa pun artinya itu. Namun, fisikawan mulai menemukan perilaku lain yang hanya dapat dijelaskan dalam istilah kuantitas yang memiliki nilai diskrit atau quantised daripada variabel kontinu. Misalnya, ditemukan bahwa partikel elementer berperilaku seperti puncak kecil, berputar di sekitar sumbu. Tetapi jumlah putaran tidak bisa memiliki nilai apa pun. Itu pasti kelipatan dari unit dasar. Karena unit ini sangat kecil, orang tidak akan memperhatikan bahwa puncak normal benar-benar melambat dalam urutan cepat dari langkah-langkah terpisah, bukan sebagai proses berkelanjutan. Tetapi, untuk puncak sekecil atom, sifat diskrit putaran sangat penting.
Butuh beberapa waktu sebelum orang menyadari implikasi dari perilaku kuantum ini untuk determinisme. Baru pada tahun 1927 Werner Heisenberg, fisikawan Jerman lainnya, menunjukkan bahwa Anda tidak dapat mengukur secara bersamaan baik posisi dan kecepatan sebuah partikel dengan tepat. Untuk melihat di mana sebuah partikel berada, seseorang harus menyinari partikel itu. Namun berdasarkan karya Planck seseorang tidak dapat menggunakan sejumlah kecil cahaya secara sembarangan. Seseorang harus menggunakan setidaknya satu kuantum. Ini akan mengganggu partikel dan mengubah kecepatannya dengan cara yang tidak dapat diprediksi. Untuk mengukur posisi partikel secara akurat, Anda harus menggunakan cahaya dengan panjang gelombang pendek, seperti ultra-violet, sinar-X, atau sinar gamma. Tetapi sekali lagi, dengan karya Planck, kuanta bentuk cahaya ini memiliki energi yang lebih tinggi daripada kuanta cahaya tampak. Jadi mereka akan lebih mengganggu kecepatan partikel. Ini adalah situasi yang tidak menguntungkan: semakin akurat Anda mencoba mengukur posisi partikel, semakin kurang akurat Anda dapat mengetahui kecepatannya, dan sebaliknya. Ini diringkas dalam Prinsip Ketidakpastian yang dirumuskan Heisenberg; Ketidakpastian posisi suatu partikel dikalikan dengan ketidakpastian kecepatannya selalu lebih besar dari kuantitas yang disebut konstanta Planck, dibagi dua kali massa partikel.
Visi Laplace tentang determinisme ilmiah melibatkan mengetahui posisi dan kecepatan partikel di alam semesta, pada satu waktu. Jadi itu benar-benar dirusak oleh Prinsip Ketidakpastian Heisenberg. Bagaimana seseorang dapat meramalkan masa depan, ketika seseorang tidak dapat mengukur secara akurat posisi dan kecepatan partikel saat ini? Tidak peduli seberapa kuat komputer yang Anda miliki, jika Anda memasukkan data yang buruk, Anda akan mendapatkan prediksi yang buruk.
Einstein sangat tidak senang dengan keacakan yang tampak di alam ini. Pandangannya diringkas dalam frasa terkenalnya "Tuhan tidak bermain dadu". Dia tampaknya merasa bahwa ketidakpastian itu hanya sementara dan bahwa ada realitas yang mendasarinya, di mana partikel akan memiliki posisi dan kecepatan yang terdefinisi dengan baik dan akan berevolusi sesuai dengan hukum deterministik dalam semangat Laplace. Realitas ini mungkin diketahui oleh Tuhan, tetapi sifat kuantum cahaya akan mencegah kita melihatnya, kecuali melalui kaca yang gelap.
Pandangan Einstein adalah apa yang sekarang disebut teori variabel tersembunyi. Teori variabel tersembunyi mungkin tampak menjadi cara paling jelas untuk memasukkan Prinsip Ketidakpastian ke dalam fisika. Mereka membentuk dasar gambaran mental alam semesta yang dipegang oleh banyak ilmuwan, dan hampir semua filsuf sains. Tapi teori variabel tersembunyi ini salah. Fisikawan Inggris John Bell, merancang tes eksperimental yang dapat memalsukan teori variabel tersembunyi. Ketika percobaan dilakukan dengan hati-hati, hasilnya tidak sesuai dengan variabel tersembunyi. Jadi, tampaknya bahkan Tuhan pun terikat oleh Prinsip Ketidakpastian dan tidak dapat mengetahui posisi dan kecepatan sebuah partikel. Semua bukti menunjukkan bahwa Tuhan adalah penjudi biasa, yang melempar dadu pada setiap kesempatan yang memungkinkan.
Ilmuwan lain jauh lebih siap daripada Einstein untuk memodifikasi pandangan determinisme klasik abad kesembilan belas. Sebuah teori baru, mekanika kuantum, dikemukakan oleh Heisenberg, Erwin Schrödinger dari Austria dan fisikawan Inggris Paul Dirac. Dirac adalah pendahulu saya, tetapi sebagai Profesor Lucasian di Cambridge. Meskipun mekanika kuantum telah ada selama hampir tujuh puluh tahun, ia masih belum dipahami atau dihargai secara umum, bahkan oleh mereka yang menggunakannya untuk melakukan perhitungan. Namun itu harus menjadi perhatian kita semua, karena ini sama sekali berbeda dari gambaran klasik alam semesta fisik, dan realitas itu sendiri. Dalam mekanika kuantum, partikel tidak memiliki posisi dan kecepatan yang ditentukan dengan baik. Sebaliknya, mereka diwakili oleh apa yang disebut fungsi gelombang. Ini adalah angka di setiap titik ruang. Besar kecilnya fungsi gelombang memberikan probabilitas bahwa partikel akan ditemukan pada posisi tersebut. Laju di mana fungsi gelombang bervariasi dari satu titik ke titik lain memberikan kecepatan partikel. Seseorang dapat memiliki fungsi gelombang yang memuncak sangat kuat di wilayah kecil. Ini berarti bahwa ketidakpastian dalam posisi tersebut kecil. Tetapi fungsi gelombang akan bervariasi sangat cepat di dekat puncak, naik di satu sisi dan turun di sisi lain. Dengan demikian ketidakpastian kecepatan akan menjadi besar. Demikian pula, seseorang dapat memiliki fungsi gelombang di mana ketidakpastian dalam kecepatannya kecil tetapi ketidakpastian dalam posisinya besar.
Fungsi gelombang berisi semua yang dapat diketahui tentang partikel, baik posisi maupun kecepatannya. Jika Anda mengetahui fungsi gelombang pada satu waktu, maka nilainya di waktu lain ditentukan oleh apa yang disebut persamaan Schrödinger. Jadi seseorang masih memiliki semacam determinisme, tetapi itu bukan jenis yang dibayangkan Laplace. Alih-alih bisa memprediksi posisi dan kecepatan partikel, yang bisa kita prediksi hanyalah fungsi gelombang. Ini berarti bahwa kita hanya dapat memprediksi setengah dari apa yang kita bisa menurut pandangan klasik abad kesembilan belas.
Meskipun mekanika kuantum mengarah pada ketidakpastian saat kita mencoba memprediksi posisi dan kecepatan, namun mekanika kuantum tetap memungkinkan kita untuk memprediksi, dengan pasti, satu kombinasi posisi dan kecepatan. Namun, tingkat kepastian ini pun tampaknya terancam oleh perkembangan yang lebih baru. Masalah muncul karena gravitasi dapat membelokkan ruang-waktu sedemikian rupa sehingga mungkin ada wilayah ruang yang tidak dapat kita amati.
Daerah seperti itu adalah interior lubang hitam. Itu berarti bahwa kita tidak dapat, bahkan secara prinsip, mengamati partikel-partikel di dalam lubang hitam. Jadi kita tidak bisa mengukur posisi atau kecepatannya sama sekali. Kemudian ada masalah apakah ini memperkenalkan ketidakpastian lebih lanjut di luar yang ditemukan dalam mekanika kuantum.
Singkatnya, pandangan klasik, yang dikemukakan oleh Laplace, adalah bahwa gerakan partikel di masa depan sepenuhnya ditentukan, jika seseorang mengetahui posisi dan kecepatannya pada satu waktu. Pandangan ini harus diubah ketika Heisenberg mengemukakan Prinsip Ketidakpastiannya, yang mengatakan bahwa seseorang tidak dapat mengetahui posisi dan kecepatan secara akurat. Namun, masih mungkin untuk memprediksi satu kombinasi posisi dan kecepatan. Tetapi mungkin bahkan prediktabilitas terbatas ini mungkin hilang jika lubang hitam diperhitungkan. Apakah hukum yang mengatur alam semesta memungkinkan kita untuk memprediksi dengan tepat apa yang akan terjadi pada kita di masa depan? Jawaban singkatnya adalah tidak, dan ya. Prinsipnya, hukum memungkinkan kita memprediksi masa depan. Namun dalam praktiknya seringkali kalkulasi terlalu sulit.
Penutup
Jadi sebanarnya apa Jawaban Fisika kali ini? Apakah kita dapat memprediksi masa depan? Sekali lagi, jawabannya ialah Tidak, sekaligus Bisa.Referensi dan Bacaan lebih lanjut
Hawking. Stephen. 2018. Brief Answer to the Big Questions. New York: Bantam BooksNorton J D 2008 The Dome: An Unexpectedly Simple Failure of Determinism Philos. Sci. 75 786–98
Kožnjak B 2015 Who let the demon out? Laplace and Boscovich on determinism Stud. Hist. Philos. Sci. Part A 51 42–52
Kirchsteiger C 1999 On the use of probabilistic and deterministic methods in risk analysis J. Loss Prev. Process Ind. 12 399–419
Hoefer C 2003 Causal Determinism
Hacking I 1983 Nineteenth Century Cracks in the Concept of Determinism J. Hist. Ideas 44 455–75
Crea E and Polytechnique É CNRS et Dépt. d’Informatique.
Tags:
Fisika Menjawab