Belajar Menjelaskan Sesuatu yang Rumit dan Abstrak

mamanwijaya.com, @mamanwjy

.

Belakangan ini kita sering membaca berita tentang peta penyebaran virus corona berikut prakiraan peningkatan angka-angkanya. Orang yang meramalkannya menyatakan bahwa peta tersebut berdasarkan perhitungan yang rumit, tapi ilmiah.

Saya kira itu benar. Benar berdasarkan perhitungan-perhitungan. Tetapi hasilnya tentu tidak bisa dikatakan 100% benar. Ya, mendekati benar-lah. 

Seperti halnya hasil Pemilu, yang dihitung cepat dengan tidak menghitung satu persatu dari keseluruhan pemilih, dengan teknik yang bagus hasilnya bisa mendekati hasil hitung real.

Saya tidak akan menjelaskan rumus-rumusnya. Selain karena saya tidak terlalu bisa, juga kan sudah dikatakan, itu rumit. Banyak orang yang tidak suka dengan kerumitan (Saya tidak mau orang tidak menyukai saya karena saya dianggap rumit).

Saya hanya ingin menyatakan bahwa sesuatu yang rumit itu berawal dari yang sederhana.

Begini. Zaman dahulu, sebelum ada angka-angka seperti sekarang, bilangan itu hanya ada “satu”, “dua”, dan “banyak”. Banyak itu berapa? Wallahualam.

Orang Mesir Kuno, untuk mengetahui berapa karung gandum yang ada di gudang, caranya adalah ketika dia memasukkan setiap satu karung gandum ke gudang, dia meletakkan satu butir batu kerikil di baskom. Begitulah seterusnya sampai selesai. Sebaliknya, bila setiap satu karung gandung dikeluarkan dari gudang, batupun dikeluarkan dari baskom.

Bila suatu ketika dia ditanya berapa jumlah karung gandum yang ada di gudang itu, jawabannya adalah sama dengan jumlah batu yang ada di baskom. Sederhana kan?

Ya, sederhana, itu kalau ukuran karungnya sejenis. Bagaimana kalau yang dimasukkan ke gudang itu ada tiga jenis karung, yaitu kecil, sedang, dan besar? Berarti kita perlu tiga baskom yang akan memuat tiga ukuran kerikil batu.

Sekarang, kalau gudangnya ada sepuluh di setiap kota, dan kotanya ada 15, bagaimana? Prinsipnya sama. Kita membuat kode-kode yang mewakili. Dengan cara itu maka pergerakan karung gandum di gudang dapat diamati dari pergerakan batu pada baskom.

Proses pembuatan kode-kode yang mewakili hal tertentu itu zaman sekarang disebut coding. Coding sudah mulai diajarkan di sekolah menengah, sebab pemahaman prinsip tentang jalan pikiran seperti itu penting. Soal hitung-menghitung bisa kita serahkan pada mesin hitung.

Saat ini penerapan Coding sudah sangat maju. Tentang apa saja yang mau dibuat kode-kodenya, bisa dibikin. Pergerakan nilai rupiah, misalnya, bisa diamati di layar monitor (bukan di baskom).

Jadi, pergerakan virus juga bisa diamati.

Berikutnya, saya ingin mengajak pembaca mencoba memahami hal rumit lainnya, yaitu konsep fisika. Kita pilih konsep yang sangat rumit, yang lebih rumit dari yang biasanya rumit, yaitu konsep entropi.

Apakah kita akan bisa memahaminya dengan mudah tanpa rumus yang membingungkan dan ilustrais gambar yang kompleks?

Dalam beberapa hal krusial, kemampuan menyederhanakan masalah itu lebih bermanfaat dibanding upaya menyelesaikannya (yang belum tenta akan selesai). Orang bijak ‘bilang’, “Jalan keluar terbaik dari permasalahan yang tidak selesai adalah dengan cara menyederhanakannya“.

Kembali ke entropi. Pada pelajaran fisika, siswa mengenal hukum ke nol Termodinakina (disebut hukum ke nol karena saking mudahnya?). Lalu beranjak ke hukum I Terkodinamika. Ini lebih rumit. Setelah itu muncul hukum II Termodinakima. Yang ini lebih rumit lagi. Nah, entropi ada di dalam hukum II. Bayangkan betapa rumitnya itu entropi!

Walaupun entropi itu abstrak serta rumusnya panjang dan njelimet, tapi justru entropi itu sebenarnya akrab sekali dengan kehidupan manusia sehari-hari.

Jadi, apa itu entropi?

“Kamar ini berantakan sekali.” Mungkin kita sering mengatakan hal itu kepada anak-anak di rumah. Lalu, kemudian menyuruh anak membereskannya sampai kamar menjadi rapih dan teratur. Berantakan itu tidak teratur, rapih itu teratur. Ini sangat menarik.

Para ilmuwan fisika juga tertarik kepada keteraturan dan ketidakteraturan, baik yang tampak oleh mata, maupun yang tidak tampak seperti ketidakteraturan susunan atom dan molekul. Para ilmuwan itu selanjutnya menyebut ketidakteraturan ini sebagai entropi.

Entropi didefinisikan sebagai jumlah ketidakteraturan yang terjadi selama suatu perubahan dalam suatu sistem.

Entropi digunakan untuk dua hal: (1) meramalkan arah peristiwa alam; dan (2) meramalkan apakah suatu proses fisika atau kimia tertentu akan mungkin terjadi.

Bila suatu proses itu ternyata tidak mungkin terjadi, data tambahan dapat memberi tahu para ilmuwan langkah apa yang dapat dilakukan untuk menjadikan proses itu agar menjadi mungkin. 

Misalnya, mungkinkah mengubah grafit menjadi intan pada suhu 25^o celcius dan pada tekanan 1 atmosfer? Data entropi, digabungkan dengan data lain, memberi tahu kita bahwa kita tidak mungkin membuat intan dari grafit dalam kondisi seperti itu. Akan tetapi, perhitungan lebih jauh menunjukkan bahwa perubahan semacam itu secara teoritis mungkin terjadi bila tekanan dinaikkan menjadi 15.000 atmosfer.

Ramalan semacam itu sangat berharga karena dapat menghindarkan kita dari mencoba mengerjakan sesuatu yang tidak mungkin. Akan tetapi, mengetahui bahwa suatu proses secara teoritis itu mungkin berlangsung bukan berarti kita dapat menjalankan proses itu juga.

Para ilmuwan berusaha lebih dari 100 tahun untuk membuat intan dengan kualitas permata tulen dari grafit. Baru akhir-akhir inilah mereka berhasil, yaitu dengan menggunakan tekanan mendekati 70.500 atmosfer dan pada suhu di atas 1.370^o celcius.

.

Kuantitas Entropi

Benarkah entropi suatu benda itu cenderung naik? Atom-atom atau molekul-molekuk suatu benda selalu dalam keadaan bergerak, kecuali pada suhu nol mutlak.

Gerakkannya itu membuat mereka menjadi campur-aduk. Jika bukan karena sekedar kebetulan saja, sekali bergerak maka tidak mungkin bagi mereka untuk kembali ke dalam susunan yang teratur.

Gambarannya sebagai berikut.

Bila kita punya 2 keping uang logam lalu dilempar ke lantai, berapa kemungkinan muka yang sama dari dua keping uang itu akan menghadap ke atas? Kemungkinannya 1 dari 2.

Kalau uang logamnya 3? Kemungkinannya 1 dari 4.

Kalua uang logamnya 4? Kemungkinannya 1 dari 8.            

Sekarang kalau uang logamnya 1 Milyar?

Kita punya deret bilangan 2, 4, 8, dan kalau diteruskan itu akan ketemu 16, 32, 64, dan seterusnya, sehingga yang 1 Milyar itu (nol-nya ada 9) dapat dihitung juga kemungkinannya. Tapi tidak usah cape-cape menghitung sendiri, bisa kita gunakan mesin hitung itu tadi. Yang terpenting buat kita adalah bahwa kemungkinan tersebut semakin kecil.

Kita beralih ke atom. Bagian benda terkecil yang masih dapat dilihat dengan mikroskop optik mengandung lebih-kurang 10¹⁸ buah atom (nol-nya ada 18). Bila uang yang dilempar tadi sejumlah atom tersebut, maka berapakah kemungkinan agar muka uang yang sama menghadap ke atas semuanya seperti semula?

Kemungkinannya amatlah kecil. Mereka akan lebih mudah membentuk susunan baru yang tidak teratur, sehingga ketidakteraturannya bertambah. Dengan kata lain, entropi benda selalu meningkat.

Poin-nya: entropi suatu benda selalu meningkat. So What?

.

Entropi: “Time’s Arrow”

Bila entropi cenderung meningkat, bagaimana hubungannya dengan peristiwa alam?  Konsep entropi dan hukum II termodinamika memberikan implikasi yang menarik: adanya indikasi bahwa “waktu” berjalan hanya ke satu arah, yaitu ke arah masa depan. 

Banyak peristiwa alam yang membuktikan keadaan yang tidak bolak-balik tersebut. Kita tidak pernah menyaksikan air yang dituangkan ke dalam gelas lalu secara spontan membeku menjadi es oleh karena panas yang ada di dalam air diserap oleh gelas. Yang terjadi biasanya sebaliknya, yaitu es yang ditungkan ke dalam gelas itu mencair.

Contoh lain yang lebih radikal adalah “tidak mungkin beberapa bahan bangunan tiba-tiba tersusun menjadi sebuah jembatan (entropinya mengecil). Yang lebih memungkinkan adalah jembatan itu roboh menjadi bagian-bagian yang tidak teratur (entropinya meningkat)”.

.

Sejauh pengamatan para ilmuwan sampai dengan saat ini diketahui bahwa segala sesuatu yang ada di alam ini dapat bertambah atau berkurang, kecuali entropi dan waktu. Entropi dapat berkurang sementara, tetapi hanya pada bagian yang terbatas, dan itu pun diikuti pula oleh kenaikan entropi di bagian lainnya. Totalnya tetap meningkat. Seperti pernah dikatakan oleh seorang ahli astronomi Inggris, Sir Arthur S. Eddington, “entropi itu adalah panah waktu”.

.

Unavailability of Energy: Heat Death

Menurut hukum I Termodinamika, energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, ia hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Lalu, berkaitan dengan hukum II, bentuk energi apapun dapat diubah seluruhnya menjadi bentuk energi panas. Namun apabila energi panas diubah menjadi bentuk energi lain, tidak pernah dapat diubah seluruhnya, selalu masih ada yang tertinggal dalam bentuk energi panas.

Ibarat sebuah bola yang jatuh dari ketinggian tertentu, misalnya 2 meter, energi potensial bola berubah menjadi energi kinetik, yaitu sebagai usaha. Just before hitting the ground, all the kinetic energy of the ball could have been used to do work. But once the ball’s mechanical kinetic energy becomes internal energy, this is no longer possible (Giancoli, 1991:403).

Dalam hal ini ada energi mekanik yang berubah menjadi energi panas. Walaupun semua enegri yang telah dilepaskan oleh bola dikumpulkan kembali, tidak mungkin akan mampu mengangkat bola tersebut ke tempat semula sebelum jatuh pada ketinggian 2 meter, melainkan kurang dari 2 meter. Sebab, energi mekanik bola yang telah menjadi panas, tidak mungkin seluruhnya dapat diubah kembali  menjadi energi mekanik.

Pada kejadian tersebut sebenarnya tampak jelas tidak ada energi yang hilang. Oleh karena itu banyak orang yang mecoba membuat peralatan mekanik yang diharapkan mampu bergerak terus menerus memanfaatkan energi yang tidak dapat hilang tersebut. 

Bahkan pada tahun 1947 telah ada orang yang membuatnya (Lafferty, 1998:26). Bola-bola padat dijatuhkan melalui roda besar sehingga roda berputar. Putaran roda diteruskan untuk memutar sekrup, sekaligus sekrup tersebut mengangkat kembali bola ke atas roda untuk mengulangi proses tadi terus menerus.

Namun pada kenyataannya, peralatan tersebut tidak berjalan sebagaimana yang diharapkan. Lama kelamaan gerakannya semakin lambat dan akhirnya berhenti sama sekali.

Ilustrasi tersebut di atas menunjukkan bahwa walaupun energi tidak dapat hilang, tetapi ada sebagian energi yang berubah menjadi usaha yang kurang berguna. As time goes on, energy is degraded.  Para ahli menyebutnya sebagai heat death of the universe.

Hal itu memberikan pemahaman pada kita bahwa the universe is finite (ini jawaban untuk “so what” di atas, tambahan bahan merenung dalam WFH).***

.

DAFTAR PUSTAKA

• Challoner, Jack. (1999). Jendela Iptek, Jilid 5, Energi. Jakarta : Balai Pustaka.
• Giancoli, Douglas C. (1991). Physics, Principles with Applications Third edition. New Jersey : Prentice-Hall International Inc.
• Lafferty, Peter. (1999). Jendela Iptek, Jilid 3, Gaya dan Geraki. Jakarta : Balai Pustaka.
• Williams, John E. (1981). Modern Physics. London : Holt, Rinehart and Winston, Publisher.

.

Twiter: @mamanwjy

.

Bagi teman-teman yang mempunyai tulisan atau karya yang bisa bermanfaat buat para pembaca dan ingin dipublikasikan di website ini, bahan bisa kirim ke email: mamanwjy@gmail.com. Terima kasih.