Astronom abad ke-17 Johannes Kepler adalah orang pertama yang terpesona oleh struktur dari butiran salju. Mengapa strukturnya bisa simetris? Bagaimana salah satu sisi bisa mengetahui seperti apa sisi lainnya berkembang?
Kepler mengira bahwa fenomena tersebut disebabkan oleh apa yang sekarang kita sebut dengan “medan morfogenetik” – bahwa segala sesuatu di alam ini saling terhubung dalam sebuah medan untuk membentuk struktur dirinya. Tentunya sains mengabaikan pemikiran ini.
Tetapi pertanyaan mengapa butiran salju dan struktur lainnya dengan bentuk yang simetris tidak pernah bisa dipahami hingga saat ini.
Sains modern kemudian menunjukkan pada kita betapa pentingnya pertanyaan ini: lihatlah semua galaksi-galaksi yang berbentuk spiral nun jauh di sana. Berjarak sekitar setengah juta tahun cahaya dari bumi, tetapi tetap mempertahankan bentik simetrinya. Bagaimana bisa? dalam sebuah studi terbaru, yang dipublikasikan di jurnal Scientific Report, kami akan berikan penjelasannya.
Credit: Public Domain
Kami telah menunjukkan bahwa informasi dan “entropi” – pengukuran dari kekacauan sebuah sistem ternyata saling berhubungan (“info entropi”) dengan cara yang sejalan dengan medan listrik dan magnetik (“elektromagnetik”). Aliran listrik menghasilkan medan magnet dan perubahan medan magnet menghasilkan aliran listrik. Informasi dan entropi saling memengaruhi dengan cara yang sama.
Entropi adalah sebuah konsep dasar dalam fisika. Sebagai contoh, karena entropi tidak akan pernah berkurang (kekacauan nilainya selalu bertambah) anda bisa mengubah sebuah telur menjadi telur orak arik tetapi tidak bisa melakukan sebaliknya. Jika anda mengubah informasi di sekitar anda, maka anda juga harus menambahkan nilai entropinya.
Keterangan: Gelombang listrik dengan medan listrik (E) dan medan magnet (B).
Kami menunjukkan bahwa entropi dan informasi bisa berlaku sebagai sebuah medan yang saling berhubungan terhadap geometri. Bayangkan dua untai DNA berbentuk spiral ganda saling melingkar. Gelombang cahaya juga mempunyai struktur yang sama, di mana kedua untainya adalah medan listrik dan magnetik. Kami bisa menunjukkan dalam sebuah persamaan matematika, hubungan antara informasi dan entropi bisa divisualisasikan dengan rumus geometri yang sama.
Kami ingin mengetahui apakah teori kami bisa digunakan untuk memprediksi sesuatu di dunia nyata, dan memutuskan untuk menghitung berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk merubah suatu bentuk DNA menjadi bentuk lainnya.
Perhitungan tersebut telah dilakukan secara tepat sekitar 16 tahun yang lalu. Para peneliti menarik sebuah rangkaian molekul DNA yang berbentuk lurus (rangkaian molekul DNA biasanya berbentuk melingkar), dan memutarnya sebanyak 4.800 kali sambil menahan ujungnya dengan penjebak optik (optical tweezer).
Molekul DNA akan saling membalik satu sama lain, seperti pada gambar di atas. Para peneliti kemudian menghitung perbedaan energi antara kedua bentuk tersebut.
Tetapi teori kami juga bisa memperhitungkan perbedaan energi tersebut. Kami tahu bahwa entropi dari setiap versi dari molekul DNA, dan energi tersebut adalah produk dari entropi dan temperatur. Hasil yang kami dapat sangat tepat, yang berarti teori kami bisa dipertahankan.
Galaksi spiral sesungguhnya berbentuk spiral ganda, seperti halnya untaian DNA helix ganda, secara matematika mereka mempunyai bentuk geometri yang sama.
Galaksi spiral
Teori kami menunjukkan secara tepat mengapa kedua lengan dari galaksi spiral simetris, hal ini karena medan info-entropi memberikan kenaikan energi (seperti medan lainnya). Bintang-bintang di galaksi dikoreografikan oleh sebuah energi entropi sehingga akan berjajar dan berpasangan membentuk spiral untuk memaksimalkan entropi.
Tetapi kami menginginkan adanya angka yang pasti, maka kami memutuskan untuk mencoba mengkalkulasikan massa dari galaksi kita berdasarkan teori kami. Kami tahu berapa berat dari galaksi Bima Sakti berdasarkan kecepatan bintang-bintang yang berada di ujung galaksi, yaitu sekiitar 1,3 triliyun dari massa matahari.
Dan anehnya, ternyata jumlah ini jauh lebih besar dari massa keseluruhan bintang yang terlihat di galaksi. Untuk bisa menjelaskan ketidaksesuaian ini dan mengapa bintang-bintang tersebut bergerak sangat cepat dari yang dibayangkan, para astronom memasukkan faktor “materi gelap”, sebuah massa yang tidak terlihat dan tersembunyi di dalam galaksi, menambah energi gravitasi dan ‘menahan’ bintang-bintang tetap pada lintasannya.
Kami perlu mengetahui nilai entropi dari galaksi untuk perhitungan kami. Dan kami mendapatkannya dari fisikawan Roger Penrose yang menunjukkan bahwa entropi tersebut didominasi oleh entropi dari pusat lubang hitam supermasif.
Kami telah mengetahui massa dari lubang hitam (4,3 juta kali massa matahari), dan apabila kita telah mengetahui berapa massa dari lubang hitam, berkat persamaan yang ditemukan oleh fisikawan Stephen Hawking, yang mengkalkulasikan entropi dari lubang hitam tersebut. Hawking menemukan bagaimana cara mengkalkulasikan “temperatur” dari permukaannya (Event horizon).
Dan jika anda bisa memasukkan “temperatur” pada permukaan event Horizon, di mana di sana tidak ada satupun materi yang memiliki temperatur, mengapa tidak memasukkan temperatur pada sebuah galaksi? Kami berdebat dalam artikel ilmiah kami bahwa hal ini masih masuk akal (menggunakan prinsip holografik). Jadi kami menggunakan persamaan info entropi untuk mengkalkulasikan temperatur holografis galaksi.
Langkah selanjutnya semakin mudah. Kita tahu bahwa energi yang ada pada galaksi didapatkan melalui hasil dari entropi dan temperatur. Selanjutnya kita semua tahu bahwa dengan mengetahui energi dari sebuah objek, kita bisa mengetahui massanya, berkat rumus Einstein yang terkenal, E=mc2.
Hasil yang didapat kali ini memang tidaklah persis benar, tetapi bisa mendekati hasil yang menyederhanakan model galaksi kita. Info-geometri entropi dari galaksi tidak hanya bisa menjelaskan bagaimana energi entropi bisa menghasilkan suatu bentuk simetri yang indah dan mempertahankannya, tetapi juga berlaku pada semua massa yang ada di dalamnya.
Ini berarti bahwa kita tidak memerlukan faktor materi gelap sama sekali. Menurut model kami, entropi galaksi memberikan peningkatan dalam jumlah yang besar sebagai tambahan energi yang memodifikasi objek dinamis di galaksi, membuat bintang-bintang pada ujung galaksi bergerak lebih cepat dari yang seharusnya.
Hal ini bisa menjelaskan tentang keberadaan materi gelap, dimana energi bukan terwujud dalam bentuk massa, tetapi kehadirannya juga bisa dibuktikan oleh pengamatan secara astronomi – hal ini bisa menjelaskan mengapa pencarian materi gelap selama ini tidak menemukan apapun.
Tetapi, banyak penelitian yang mendukung keberadaan dari materi gelap ini. Teori kami memberikan penjelasan alternatif masalah ini, dan tidak membutuhkan bukti fisik. Tentunya, riset yang lebih detail tetap diperlukan untuk memastikan bahwa kompleksitas dari suatu pengamatan juga bisa dituangkan dalam sebuah model.
Kami berfikir, bahwa mungkin teori Kepler tentang “medan morfogenetik” itu benar adanya, dan sebenarnya adalah efek dari jalinan antara informasi dan entropi. Setelah empat abad berlalu, sepertinya teori Kepler akhirnya diakui oleh ilmuwan masa kini.
Chris Jeynes (Universoty of Surrey) dan Michael Parker (University of Essex)
