√ Alam Semesta dan Entropi

Alam Semesta dan Entropi

June 21, 2020

Dunia bagaikan mesin yang bekerja tanpa henti siang dan malam, dibantu oleh energi misterius yang terus menghasilkan daya untuk menggerakkannya. Seolah-olah tidak memiliki batasan atas daya yang dihasilkan, mesin tersebut terus bergerak ntah hingga kapan, menunggu akhir yang tak kunjung datang. Penjabaran secara singkatnya adalah kiamatnya alam semesta.

Namun, dalam sains kiamat tersebut dapat ditinjau secara ilmiah dengan melihat probabilitas semesta, ada yang namanya Big Crunch, Big Freeze, Big Rip, Vacuum Decay dan salah satu akibatnya karena Entropy of the Universe.

Mungkin salah satu cara untuk memahami entropi ini dengan mempelajari Hukum Termodinamika, lebih tepatnya pada Hukum Kedua Termodinamika (Hukum Entropi). Dan mungkin kata 'termodinamika' ini sudah tidak asing bagi kita, apa lagi tentang 'mesin carnot', suhu reservoir, efisiensi mesin, kalor terima-lepas, dll.

Namun, kali ini akan dibahas sedikit lebih jauh tentang hukum termodinamika. Sebagai contoh pertama, andaikan saja kita memiliki 5 ekor domba yang ada dalam sebuah kandang, akan dilepaskan kesebuah hamparan hijau yang luas, semisal dari ke-5 ekor domba tersebut ada 1 yang pergi keselatan, dan yang lainnya berpencar sesuai arah mata angin.

Nah, disini sudah sampai pada pertanyaan. Bisakah kita membawa kembali semua domba yang terpencar tadi?. Absolutely yes, namun anda juga membutuhkan tenaga ekstra untuk membawa kembali seluruh domba yang tersebar.

Illustration by molecule of gas

Kita buat contoh kedua, pada gambar [a] yang menunjukkan bahwa kedua molekul itu terpisah karena sekat atau bisa disebut sistem tertutup. Didalam sistem tertutup ini memungkinkan terjadinya proses pertukaran energi panas dan kerja.

Berlanjut ke gambar bagian [b], terlihat pahwa sekat tersebut dilepas dan hal yang akan terjadi disini adalah gas saling mendekati karena adanya ruang kosong akibat batas sekat tadi.

Bagian [c], molekul mulai berinteraksi dengan mengisi bagian (regangan) yang ada pada celah molekul lainnya.

Bagian [d], seluruh molekul gas sudah menempati regangan antar gas (bercampur), dapat disebut dengan kesetimbangan. Maka, dapat disimpulkan bahwa entropi dapat mengakibatkan perubahan fromorder to disorder.

Pada awalnya, termodinamika ini merupakan disiplin ilmu yang mempelajari tentang heat engine. Ilmu ini menjelaskan usaha (W) untuk mengubah kalor (Q) yang disebabkan perbedaan suhu (T) mutlak menjadi energi mekanik. Sekitar abad ke-18an, para ilmuwan menganggap bahwa kalor merupakan zat yang mengalir.

Mesin Uap

Mundur 1 abad sebelumnya saat mesin uap pertama kali ditemukan, sekitar abad ke-17, pada abad ini penemuan mesin uap tidak terlalu mengesankan ataupun heboh karena dianggap kurang sempurna (boros, mudah rusak).

Kembali ke abad 18, banyak ilmuwan yang mengembangkan tentang mesin uap ini, dan mendapatkan hasil bahwa uap yang berasal dari bahan bakar mesin tidak selalu 'habis' pada proses pengubahan menjadi energi mekanik (gerak), sehingga ada yang namanya efisiensi mesin. Seorang teknisi yang bernama Carnot penasaran terhadap efisiensi sebuah mesin, dan berhasil-lah dia merumuskan hukum termodinamika, hukum ini masih belum dapat memformulasikan hukum kedua termodinamika, melainkan menjadi pijakan awal.

Dalam setiap benda berkemungkinan besar memiliki molekul, dan molekul itu sendiri memiliki kecepatan (lama-lama kecepatannya bertambah) akibat kenaikan suhu. Makin tinggi suhu, maka kecepatannya akan semakin cepat dikarenakan molekul-molekul yang ada pada benda tadi saling bertumbukkan.

Bisa dianalogikan seperti kita bermain kelereng dengan teman kita, anggap saja teman kita menyentil kelereng terlebih dahulu dengan pelan (otomatis kecepatan kelereng tersebut lambat), disusul oleh kita yang menyentilnya dengan keras. Nah, pada saat kita menyentilnya secara tidak sengaja kelereng tadi mengenai kelereng teman kita. Hasilnya, kereleng teman kita tadi memeiliki kecepatan tambahan karena bertumbukan dengan milik kita, dan milik kita-pun kehilangan kecepatan semula.

Sama halnya dengan para molekul, dalam suhu yang tinggi, mereka saling bertumbukan satu-sama lain, yang lambat menjadi cepat dikarenakan sifat kalor yang mengalir dari suhu yang tinggi menuju suhu yang rendah. Dalam hal ini bisa dibedakan menjadi dua; kalor dalam suhu rendah, cenderung lambat sedangkan kalor dalam suhu tinggi cenderung cepat. Sehingga tumbukan antara molekul-molekul tadi bisa menghasilkan energi gerak, contohnya saja pada mesin.

Termodinamika dan entropi

Sekitar abad ke-19, Rudolph Clausius seorang fisikawan dari Jerman yang juga salah satu 'kontributor' dalam perkembangan hukum termodinamika. Pada perkembangannya, ia mencoba untuk mengetahui efisiensi dalam mesin uap.

Seperti yang diketahui bahwa 'tidak mungkin bagi kita untuk megubah kalor sepenuhnya menjadi kerja', disini mulai ada progress dalam pengembangan hukum kedua termodinamika yang disebut entropi.

Konsep entropi ini berguna untuk membantu mengukur total energi yang tidak dapat diubah menjadi energi gerak. Sehingga, muncul pernyataan fundamental sebagai perumusan hukum kedua termodinamika, diantaranya adalah; (i)Kalor tidak spontan mengalir dari suhu yang rendah ke suhu yang tinggi, (ii)Tidak ada mesin yang dapat mengubah kalor secara utuh (menyeluruh) menjadi sebuah usaha, (iii)Setiap sistem terisolasi condong menjadi acak.

Selain itu, entropi ini juga erat kaitannya dengan 'sistem terisolasi' dan berhubungan juga dengan penyebab entropi alam semesta, gimana ya sistem terisolasi itu?.

Thermodynamic Systems - Image @Wikipedia

Sistem terisolasi merupakan sistem yang tidak memungkinkan terjadinya perpindahan kalor dan materi (sistem > lingkungan atau sebaliknya), contoh kecilnya ya Termos itu. Kenapa harus sistem terisolasi? padahal dalam termodinamika sendiri ada 3 macam sistem?.

Jawaban yang meyakinkan sekaligus mendukung hukum termodinamika ini adalah 'karena tidak ada sesuatu yang lain di luar alam semesta'. Jadi, alam semesta bisa dibilang sistem yang tidak berinteraksi dengan benda luar didalamnya (isolated), nggak mungkin dong ya kalau ada sesuatu diluar alam semesta?, kecuali bila ada semesta lain (multiverse). Namun, itu sudah beda pembahasan lagi.

Dalam entropi juga dikenal istilah reversible, sebuah proses termodinamika yang berlangsung bolak-balik (proses ideal) secara adiabatik, dalam definisi lain reversible adalah proses yang muncul tanpa perpindahan panas dan massa antara sistem dan lingkungannya. Mungkin proses reversible ini tidak begitu relevan dengan hukum kedua termodinamika ya, karena sifatnya yang bolak-bolak balik seolah-olah tidak memiliki akhir (kekal) maka dapat dibilang pada proses ini entropinya tetap.

Mengapa tetap?, bisa ditinjau dari kata "bolak-balik". Apakah mungkin proses ini ikut dalam hukum pertama termodinamika tentang hukum kekekalan energi?, Ya.

Ada reversible pasti juga ada kawannya, namanya irreversible!. Proses irreversible ini berkebalikan dengan proses reversible, proses ini spontan dan tidak dapat kembali ke awal. Nah, tanpa disadari kita ini bergerak maju menuju sebuah perubahan.

Contohnya saja kehidupan, bisa dibilang irreversible yang tidak memperbolehkan kita kembali ke masa lalu (keadaan awal). Dengan kata lain, entropi ini menentukan kejadian dengan satu arah saja. Karena terus bergerak maju, dapat diketahui bahwa entropinya juga bertambah/meningkat.

Ketidakberaturan dan Entropi

Dalam entropi, tidak lengkap rasanya bila tidak menyinggung tentang order and disorder atau bisa dibilang keteraturan dan ketidakberaturan 'suatu sistem'. Dalam kosmologi, tepatnya dalam salah satu teori terbentuknya alam semesta yaitu BigBang.

Seperti yang kita tau bahwa, BigBang pada awalanya merupakan suatu padatan yang sangat-sangat panas yang bisa dibilang hampir dalam keadaan thermal equilibrium (hampir mencapai kesetimbangan). Namun, setelah meledak (duarr!!) entropinya menjadi lebih rendah atau low entropy pada masa awal alam semesta terbentuk.

Order to Disorder

Hingga kini, ekspansi alam semesta masih berlanjut searah dengan bertambahnya entropi. Seperti gambar diatas, disorder akan menuntun alam semesta ke dalam keadaan yang bisa dibilang chaos, berantakan, tidak teratur. Mengapa demikian?, bisa diibaratkan yang saya sebutkan tadi ada dalam anak panah (gambar diatas) yang dimaksudkan untuk menjelaskan proses alam semesta yang awalnya satu-padu berubah karena ledakan besar yang mengakibatkan radiasi, materi dan partikel menjadi berantakan (berceceran diruang hampa) sekaligus melahirkan gaya fundamental di alam semesta, yang paling umum dan banyak diketahui adalah gaya gravitasi.

Beberapa juta tahun, ratus rahun, milyar tahun sesudahnya ada yang namanya hidrogen dan helium yang juga merupakan unsur penting dalam pembentukan benda langit misalnya planet, bintang, dll yang dibantu oleh reaksi fusi dan gas (nebula). Selebihnya, alam semesta mulai terlihat indah dengan panorama galaxy dan bintang di angkasa. Namun, keindahan itu masih ada dalam chaos.

Contoh bahwa chaos itu masih ada dalam kehidupan kita, yaitu kehidupan itu sendiri. Kita beranggapan bahwa kehidupan itu sudah aman, damai, terikat oleh peraturan yang menjadikannya lebih teratur.

Nyatanya tidak demikian!. Kehidupan itu sejatinya another kind of chaos, mungkin ilustrasi yang paling pas ada dalam serial anime Naruto (pasti tau lah ya). Ada seorang tokoh antagonis yang menganggap bahwa dunia ini adalah tempat kejam, takdir ada pada tangan para penguasa, dan (menurut saya) adanya hukum rimba. Yang nantinya melahirkan kebencian, kesedihan, serta dendam, dan berujung peperangan. Dan motto yang paling khas dari karakter antagonis ini adalah menciptakan kehidupan yang ideal.

Panah Waktu

Berbicara tentang waktu, terkadang seutas kata yang familiar namun terkadang susah untuk dijelaskan. Disini, kita akan membahas hubungan waktu dengan entropi, kira-kira mereka punya hubungan apa ya?. Waktu, banyak yang mendefiniskannya sebagai suatu perubahan (dapat diidentifikasi panca indra) dan memiliki arah. Disini, kita boleh bilang bahwa waktu itu subjektif.

Arah waktu

"we have many traces of the past, both in our memory and in the external world, but no traces of the future", merupakan kalimat yang pas untuk menggambarkan waktu. Contohnya seperti gambar telur diatas, yang kita ketahui bahwa mula-mula telur itu dalam kondisi yang bagus (bisa dibilang begitu). Lalu, saya ingin membuat telur mata sapi dengan menggunakan telur tadi, otomatis telurnya saya pecahin dong, habis itu digoreng deh.

Perlu diketahui bahwa, telur yang dipecahkan tadi tidak mungkin kembali ke bentuk awal, maksudnya 'apakah mungkin telur yang sudah pecah bisa kembali lagi ke cangkangnya dan memperbaiki kerusakan pada dirinya, sehingga memungkinkan kembali seperti keadaan awal?'.

Jadi, apa yang bisa kita simpulkan?. Dalam termodinamika, arah waktu itu selaras dengan kenaikan entropi—entropi bertambah terhadap waktu. Seperti yang telah saya tulis sebelumnya, kita ini sedang bergerak ke masa depan dengan entropi alam semesta yang terus meningkat!.

Ekspansi dan Kematian Panas Alam Semesta

Tanpa disadari, alam semesta ini berekspansi begitu cepat dan meninggalkan cahaya masa lalu. Memikul harapan dan maju ke masa depan, rapatan akan menjadi renggangan, galaksi-galaksi tetangga kita juga akan mengucapkan selamat tinggal. Peradaban umat manusia yang pilu dan akan benar-benar kesepian. Bagaimana tidak!, yang namanya ekspansi pasti berkaitan dengan 'perluasan'. seiring berjalannya waktu, alam semesta semakin melebar.

Ekspansi Alam Semesta - Image src: Google

Hal ini membuat volume alam semesta bertambah terhadap ruang, tapi dari mana alam semesta mendapat kecepatan untuk melakukan ekspansi?. Itu karena dark energy (energi gelap) yang membuat ekspansi menjadi lebih cepat (dipercepat), energi ini juga masih menyisakan misteri dalam sains, karena masih belum bisa dideteksi menggunakan teknologi masa kini.

Mungkin karena inilah dinamakan dark. Selain dark energy ada juga yang namanya dark matter (materi gelap), di alam semesta yang maha luas ini memang banyak sekali misteri yang belum dipecahkan ataupun ditemukan. Namun, bukan berarti yang tidak terlihat berarti tidak ada ya, contohnya ya dark matter ini yang menyumbang sebagian besar materi yang ada di alam semesta.

Evolution of the Universe

Nah, dari grafik diatas merupakan salah satu contoh dari kemisteriusan dark energy. Bisa dilihat, dari awal mula alam semesta terbentuk, dark energy ini tidak mengalami perubahan (dia tetap). Berbeda dengan materi dan radiasi yang lama-kelamaan menurun dalam jangka waktu tertentu. Kira-kira, maukah anda bergabung dan ikut andil dalam mencari kebenaran alam semesta?.

Masuk kedalam kematian panas alam semesta, akibat dari ekspansi alam semesta itu sendiri adalah bertambahnya jarak antara planet, bintang, galaksi menjadi saling menjauhi. Semakin cepat alam semesta berekspansi, kerapatan materi yang ada di alam semesta juga semakin melemah (renggang). Hingga pada masanya kelak, cahaya dari bintang x,y,z ataupun galaksi a,b,c akan membutuhkan waktu yang sangat lama untuk mencapai kita.

Bisa dibilang, setiap galaksi akan berdiri sendiri secara individu, mengingat alam semesta juga semakin meluas yang ada kita didalamnya memiliki probabilitas kecil untuk bertemu dengan galaksi lain. Kekhawatiran kita tidak hanya berhenti di situ, ini terkait energi panas yang dihasilkan oleh matahari. Mengingat matahari juga memiliki energi yang terbatas (yang nantinya juga mati), secara tidak langsung akan mengarahkan kita ke pertanyaan "apa yang terjadi bila matahari sudah mati?".

Bumi berada dalam suhu rendah yang ekstrim

Bila matahari sudah mati, pastinya dunia (bumi) akan diselimuti oleh suhu dingin yang ekstrim, bahkan membeku. Kenapa?, karena salah satu sumber energi panas yang kita punya adalah matahari. Jika sumbernya aja udah nggak ada, otomatis suhu juga akan menurun, sekali lagi kita akan memasuki zaman es untuk kedua kalinya. Tidak berhenti sampai disitu, tumbuhan dan pepohonan juga akan layu dan akhirnya mati karena tidak bisa melakukan fotosintesis.

Kalau tumbuhan mati, binatang-binatang pun juga mengalami hal yang serupa. Apalagi manusia, yang merupakan Apex predator pasti membutuhkan makanan lebih untuk keberlangsungan hidupnya. Setelah itu, tidak akan ada kehidupan lagi. Semua telah tiada, keberlangsungan ekosistem telah terhapuskan dari alam semesta.

Selanjutnya, alam semesta akan mengalami hal serupa, dimana satu per satu energi panas yang ada di alam semesta akan padam dikarenakan masa bintang sudah habis. Dan jarak yang terlalu jauh antar bintang tadi juga merupakan salah satu faktor penyebab padamnya panas alam semesta, kok bisa?. Bintang yang telah padam akan meledak (Supernova), ledakan tadi akan menghasilkan gas, nah gas inilah yang diperlukan bintang untuk bisa 'terlahir kembali', mengulang reaksi fusi untuk menciptakan bintang yang baru. Nih, kukasih juga grafik timelinenya.

Kembali ke faktor tadi, karena jaraknya yang terpikat jauh dan gas yang dihasilkan supernova tadi masih belum cukup untuk menghasilkan bintang, yang terjadi adalah bintang tidak akan hidup lagi. Bilapun ada bintang yang berhasil hidup lagi, tidak akan cukup untuk memberi panas ke alam semesta, hasilnya tetap sama. Inilah yang dinamakan Big Freeze, salah satu gagasan tentang berakhirnya alam semesta.

Lepas dari itu semua, untuk membuat suatu bintang benar-benar padam, dibutuhkan waktu yang sangat lama. Bahkan, bisa sampai milyaran tahun dan prosesnya tidak seperti Alakazam langsung padam. Seperti yang kita tau bahwa, manusia itu adalah makhluk yang paling ingin tau, sampai-sampai hal yang terkadang diluar perkiraan pun mereka rumuskan dengan sebuah teori. Baik benar ataupun salah, yang pasti teori tersebut akan melahirkan teori baru yang lebih sempurna (pembaharuan). Jadi, jangan pesimis kalau mau belajar sains.

Referensi :