Apa perbedaan antara lampau dan masa depan?

Pertanyaan mengapa kita bisa bergerak maju dalam waktu tetapi tidak bisa kembali ke belakang bukan hanya pertanyaan filosofis – menurut fisika yang kita kenal, waktu seharusnya tidak memiliki arah.

Dalam kehidupan sehari-hari kita, perbedaan antara masa lalu dan masa depan sangat jelas: masa lalu adalah apa yang sudah terjadi dan masa depan adalah apa yang akan terjadi selanjutnya. Ide ini terdengar begitu mendasar sehingga sedikit aneh untuk membicarakannya. Sebenarnya, tanpa adanya konsep ini, para ilmuwan tidak akan dapat berbicara tentang kausalitas – ide yang didasarkan pada asumsi bahwa penyebab terjadi sebelum waktu dalam hubungan dengan hasilnya.

Kebanyakan dari kita tidak akan berpikir dua kali tentang keberadaan masa lalu dan masa depan. Namun, di dunia kita ada orang yang meragukan kausalitas, di kepala mereka adalah filsuf dan fisikawan. Sebenarnya, salah satu masalah besar yang menunggu penyelesaian dalam fisika adalah kesulitan menjelaskan dengan tepat mengapa perbedaan antara masa lalu dan masa depan begitu jelas bagi kita?

Cara termudah untuk memahami masalah ini adalah dengan contoh: rekam diri Anda sendiri melempar bola ke udara dan menangkapnya, atau cukup bayangkan hal itu dalam pikiran Anda. Sekarang putar ulang video tersebut dari akhir ke awal. Apakah ada perbedaan antara kedua video tersebut? Bisakah Anda membedakan tanpa mengetahui sebelumnya mana yang diputar mundur dan mana yang diputar maju?

Lebih banyak artikel di situs Institut Davidson untuk Pendidikan Ilmiah:

Alasannya sulit untuk membedakan arah waktu di sini adalah karena sebagian besar hukum fisika tidak memerlukan perbedaan ini. Hukum Newton, yang menggambarkan gerakan bola, menjelaskan bagaimana bola akan bergerak dari tangan Anda ke udara dan kembali. Namun jika kita membalikkan arah waktu, hukum tersebut akan menggambarkan hal yang sama persis! Hal ini juga akan terjadi pada contoh yang lebih kompleks. Misalnya, menurut hukum Newton, tabrakan antara dua bola billiard sama masuk akal dan fisika-nya, apakah kita melihatnya maju atau mundur dalam waktu.

Fakta bahwa hukum fisika tidak membedakan antara arah waktu tercermin dengan jelas dalam persamaan matematika yang menggambarkannya. Meskipun demikian, tampaknya ada batasan untuk ide ke-dua-arah-an waktu: ketika kita menjatuhkan telur ke lantai, ia pecah, tetapi kita belum pernah melihat potongan telur yang menyatu kembali menjadi telur utuh. Seperti yang diketahui oleh The Magic (si penyihir) dari karakter telur imajiner dalam lagu anak-anak Inggris terkenal, "All the King’s men and all the King's men couldn't put Humpty together again". Jika hukum fisika tidak membedakan antara arah waktu, bagaimana kita menjelaskan fakta bahwa sebenarnya sangat mudah membedakannya dalam kasus seperti ini?

Masalah ini menarik perhatian fisikawan di akhir abad ke-19, dan menjadi fokus pekerjaan Ludwig Boltzmann (Bolzmann), salah satu pendiri fisika statistik. Boltzmann mencari cap fisik tertentu yang dapat membedakan antara proses yang bergerak maju dalam waktu dengan proses lainnya yang bergerak mundur. Besaran fisik yang dia temukan adalah sesuatu yang dapat tetap sama atau bertambah seiring waktu, namun tidak pernah berkurang.  .

Entropi adalah sifat statistik dari semua partikel dalam sistem fisika yang kita amati. Dengan sedikit kasar, bisa dikatakan bahwa entropi menjawab pertanyaan "Seberapa mungkin kita menemukan sistem dalam keadaan ini?" atau "Berapa banyak cara berbeda sistem dapat berada dalam keadaan ini?"

Masih pada masa Boltzmann, ada yang meragukan gagasan tentang entropi. Para penentang menunjukkan bahwa masih belum jelas bagaimana sekumpulan hukum yang tidak membedakan arah waktu dapat menghasilkan hukum yang membedakannya, dan tampaknya beberapa asumsi fisika yang menjadi dasarnya digunakan secara implisit dalam membedakan antara masa lalu dan masa depan. Meskipun demikian, konsep entropi telah menjadi fondasi penting dalam fisika modern, dan menjadi alat utama untuk menganalisis sistem banyak partikel dan proses kompleks.

Perpindahan berikut terjadi pada awal abad ke-20, dengan kelahiran Teori Kuantum. Dalam teori ini, keadaan partikel dijelaskan secara probabilitas oleh "Fungsi Gelombang" – besaran matematika yang menggambarkan peluang menemukan partikel di mana pun. Fungsi Gelombang berubah seiring waktu dan ruang sesuai dengan seperangkat aturan yang dikenal, yang juga netral terhadap pengamatan antara masa lalu dan masa depan. Misalnya, jika kita menerangi elektron, ia dapat menyerap foton – partikel cahaya – dan menerima energi darinya. Jika kita dapat memfilmkan eksperimen ini dan memutar film tersebut mundur, kita akan melihat elektron melepaskan foton dan kehilangan energi. Ini adalah proses fisik yang nyata dan diatur oleh hukum, yang berasal dari fakta bahwa Teori Kuantum juga membolehkan kita untuk membalik arah waktu.

Meskipun demikian, dalam teori kuantum ada fenomena yang tidak dapat dibalikkan oleh waktu: kolaps fungsi gelombang. Ketika kita melakukan pengukuran kuantum, yaitu memeriksa sifat tertentu dari partikel, hasil pengukuran tersebut memperbarui fungsi gelombang: bisa jadi suatu partikel mungkin bisa berada di berbagai tempat, tetapi setelah saya mengukur dan melihat bahwa ia berada di sini, saya tahu bahwa ada peluang seratus persen ia akan berada di sini dan nol persen di tempat lain. Untuk mengembalikan waktu ke belakang, kita tidak hanya perlu melupakan informasi ini, tetapi juga harus melakukannya dengan cara yang benar sehingga memulihkan fungsi gelombang yang sebelumnya dimiliki partikel, tetapi tidak jelas bagaimana hal itu mungkin terjadi. Jika partikel berada di sini, bagaimana bisa tiba-tiba ia bisa berada di tempat lain juga? Sebagian besar upaya matematika untuk melakukan ini mengarah pada masalah matematika dan fisika.

Jika demikian, tampaknya kita telah menemukan hukum kuantum yang membedakan antara masa lalu dan masa depan. Sayangnya, banyak fisikawan berpendapat bahwa kita belum menyelesaikan masalah tersebut, tetapi hanya memfokuskan kembali pada masalah itu. Saat ini, kita tidak memiliki cara yang baik secara matematis dan fisik untuk memahami fenomena runtuhnya fungsi gelombang. Ada bahkan fisikawan yang meragukan keberadaan runtuhnya fungsi gelombang, dan mencoba menjelaskan fenomena kuantum dengan cara yang sama sekali tidak terjadi.

Oleh karena itu, studi yang dilakukan saat ini mencoba menjelaskan bagaimana cara membuat diferensiasi antara masa lalu dan masa depan menggunakan hukum-hukum dasar teori kuantum. Salah satu arah penelitian ini mengeksplorasi proposisi bahwa ketika partikel kuantum berinteraksi dengan lingkungan dan menukar energi dengannya, diferensiasi antara arah waktu terbentuk. Entropi partikel kuantum tunggal dapat diukur berdasarkan probabilitas bahwa ia berada dalam keadaan tertentu: partikel dengan entropi rendah akan diukur dalam keadaan tersebut, sementara partikel dengan entropi tinggi mungkin diukur dalam berbagai keadaan yang berbeda. Artikel yang dipublikasikan pada Januari lalu di jurnal Scientific Reports , Tim peneliti dari Universitas Surrey di Inggris menunjukkan bahwa ini bukan apa yang terjadi dalam sistem kuantum sederhana yang mereka teliti. Penelitian tersebut menunjukkan bahwa seiring berlalunya waktu, partikel kuantum yang dimulai dalam keadaan tertentu dan dengan entropi rendah, dapat mengubah sifatnya sehingga tidak lagi ditemukan dalam keadaan tertentu, dan entropinya akan bertambah. Sayangnya, hasil penelitian menunjukkan bahwa hal yang sama juga terjadi ketika melihat ke belakang dalam waktu, entropi juga meningkat. Karena itu, tampaknya deskripsi umum tentang partikel kuantum yang mentransfer energi ke lingkungannya tidak cukup untuk membuat perbedaan antara masa lalu dan masa depan.

Jika demikian, pencarian untuk mekanisme yang menjelaskan arah panah waktu berlanjut. Upaya penelitian terfokus terutama pada sistem partikel yang banyak, karena pendekatan umumnya adalah bahwa sistem sederhana dari partikel tunggal, yang tidak memiliki hubungan kausal dengan lingkungannya, benar-benar akan tampak sama baik ke depan maupun ke belakang dalam waktu. Pertanyaannya, kemudian, adalah apa yang berubah ketika kita memperbesar sistem? Ketika kita mengerti hal itu, mungkin kita akhirnya dapat menyelesaikan antara fenomena yang kita lihat yang membedakan arah waktu, dengan deskripsi fisika kita yang tidak melakukannya.

Amir Pando, Institut Davidson untuk Pendidikan Sains, sayap pendidikan dari Institut Weizmann untuk Ilmu Pengetahuan