Entropi

Apa artinya es batu, waktu, dan Semesta

Salah satu mata pelajaran favorit saya ketika saya belajar Fisika adalah konsep entropi, dan bagaimana hal itu berhubungan dengan hampir semua hal, dari es batu ke seluruh Semesta. Tapi mari kita mulai dari awal:

Apa itu entropi?

Entropi dapat dianggap sebagai jumlah keacakan, atau dengan kata lain, tidak adanya informasi. Secara fisik, entropi adalah kuantitas yang sebanding dengan jumlah "konfigurasi mikroskopis" yang konsisten dengan "keadaan makroskopis" yang diamati. Secara sederhana, ini berarti bahwa entropi mengukur jumlah kombinasi di mana Anda dapat mengatur ulang atom dan molekul dari "benda" seperti mengamati struktur yang sama dari benda itu.

Sandcastle adalah sistem dengan entropi rendah. Inilah salah satu yang sedang dalam proses peningkatan entropi. (sumber)

Berikut ini sebuah contoh: Pertimbangkan sebuah es batu dalam segelas air. Es batu akan meleleh, sampai yang tersisa hanyalah air dalam gelas. Seluruh "sistem" fisik (terdiri dari air dan es) memiliki jumlah molekul yang terbatas. Ada sejumlah kombinasi molekul yang sesuai dengan konfigurasi sistem awal (air ditambah es). Namun, ada jumlah yang jauh lebih besar dari kombinasi molekul yang sesuai dengan konfigurasi sistem akhir (semua air). Ini sama dengan mengatakan bahwa keadaan akhir memiliki entropi yang lebih tinggi daripada keadaan awal.

Cara lain untuk berpikir tentang entropi adalah dalam hal kemungkinan atau probabilitas. Pertimbangkan meninggalkan gelas air dengan es batu di sebuah ruangan dan kemudian memeriksanya kembali pada waktu yang dipilih secara acak antara sekarang dan, katakanlah, satu tahun dari sekarang. Kemungkinan Anda akan menemukan segelas air dengan es yang tidak meleleh pada waktu yang acak itu sangat kecil. Ini cara untuk berpikir tentang entropi: Keadaan dengan air ditambah es adalah keadaan dengan entropi terendah karena itu adalah konfigurasi yang tidak mungkin dalam garis waktu keseluruhan.

Salah satu wawasan mendasar dari Fisika adalah bahwa apa yang terjadi dengan sistem es batu / air terjadi pada setiap sistem fisik - entropi akan selalu meningkat. Ini dikenal sebagai Hukum Kedua Termodinamika.

Entropi dan waktu

Entropi adalah jumlah yang sangat penting karena menentukan panah waktu. Pertimbangkan dua video, satu di mana es batu perlahan meleleh dalam segelas air, dan yang lainnya di mana terjadi sebaliknya, es batu perlahan-lahan muncul dalam segelas air. Kita tahu, karena kita hidup di Semesta tempat Hukum Kedua Termodinamika berpegang, bahwa hanya video pertama yang sesuai dengan dunia nyata. Dengan kata lain, entropi memberi kita cara untuk membedakan masa lalu dari masa depan.

Bandingkan properti waktu ini dengan tiga dimensi spasial kami: dimensi spasial kami tidak memiliki panah yang terkait dengannya. Anda bisa berjalan ke satu arah, dan Anda bisa berjalan kembali. Di sisi lain, sulit untuk membayangkan alam semesta di mana waktu berjalan di kedua arah: masa lalu dan sekarang, kelahiran dan kematian akan dipertukarkan. Di alam semesta seperti itu, kita tidak bisa membedakan antara video es batu yang mencair diputar ke depan dan ke belakang, dan tidak akan ada yang namanya Hukum Kedua Termodinamika.

Entropi dan Semesta

Inilah primer pendek tentang sejarah Semesta. Tak lama setelah Big Bang (sekitar 14 miliar tahun yang lalu), Semesta berada dalam konfigurasi yang tampak hampir persis sama di mana-mana, konfigurasi yang kami sebut homogen. "Hampir" dalam kasus ini berarti ada sedikit fluktuasi dalam distribusi materi, yang akhirnya menyebabkan materi tersebut menggumpal bersama (karena Gravitasi) dan membentuk struktur yang kita lihat sekarang, dari planet ke bintang dan galaksi. Kami menyebut bayi-Semesta ini juga Semesta purba. Sebaliknya, Semesta saat ini sangat tidak homogen: Berada di permukaan bumi adalah pengalaman yang sangat berbeda dibandingkan berada di luar angkasa, di permukaan matahari, atau dekat lubang hitam.

Galaksi Bima Sakti kita, seperti yang terlihat dari Bumi. Untungnya, kita jauh dari keadaan maksimum entropi Semesta. (sumber)

Sekarang inilah hal yang menarik: Alam semesta purba adalah konfigurasi Alam Semesta dengan entropi keseluruhan terendah. Mengapa demikian? Pikirkan lagi tentang contoh air / es batu. Gumpalan gravitasi. Jika Anda memilih waktu acak untuk mengamati Alam Semesta, jauh lebih mungkin untuk menemukannya dengan beberapa rumpun yang terbentuk secara acak, daripada dalam keadaan di mana semuanya didistribusikan secara homogen. Menemukan Semesta dalam keadaan homogenitas yang hampir sempurna adalah seperti menemukan pensil yang seimbang di ujungnya. Itu tidak stabil.

Bagaimana dengan entropi Semesta di masa depan yang sangat jauh? Pada skala waktu yang jauh lebih lama dari umur Alam Semesta saat ini, semua bintang pada akhirnya akan terbakar, semua planet akan meninggalkan orbitnya dan akan dikonsumsi oleh benda-benda yang lebih besar, dan galaksi akan tidak ada lagi. Pada skala waktu yang lebih lama, semua lubang hitam, yang akan menyerap sebagian besar materi, akan menguap sepenuhnya. Setelah ini, Semesta akan mencapai apa yang disebut keseimbangan termodinamika, konfigurasi stabil tanpa pembentukan bintang atau planet baru, konfigurasi yang juga dikenal sebagai kematian panas Semesta. Ini adalah keadaan entropi maksimum, dan diperkirakan terjadi setelah setidaknya satu tahun googol.

Jadi lain kali Anda memiliki es air pikirkan hal ini: keadaan alam semesta yang paling mungkin, pada skala waktu googol tahun, adalah keadaan entropi maksimum, kematian panas. Kita, planet kita, tata surya kita, Galaxy kita, hanyalah sebuah anomali di jalur Semesta dari entropi minimum ke maksimum.

Kesimpulan: Entropi dan Kehidupan

Meja dalam keadaan entropi maksimum. (sumber)

Izinkan saya menyimpulkan dengan analogi antara konsep entropi dan kehidupan: secara default, segala sesuatu dalam hidup kita cenderung menjadi berantakan, atau keadaan entropi tinggi, kecuali kita memasukkan energi dan perhatian ke dalamnya. Dalam arti tertentu, meja yang berantakan di atas adalah hasil dari Hukum Kedua Termodinamika. Suatu titik dapat dibuat bahwa hal-hal yang memberikan makna dan tujuan hidup paling tepat adalah hal-hal yang secara lokal mengurangi entropi, dan karenanya bertentangan dengan kecenderungan alam semesta terhadap kekacauan.