Masa lalu telah berlalu, masa depan belum datang, dan hanya masa kini yang bersama kita di saat yang sama. Tapi kenapa urutan acaranya seperti ini? Mengapa teh yang tumpah besok tidak meninggalkan noda di karpet kemarin?
Setiap saat di mana kita menemukan diri kita membawa kita dari masa lalu ke masa kini, dan kemudian ke masa depan. Waktu selalu bergerak ke satu arah. Itu tidak pernah berhenti atau bergerak mundur. Bagi kami, panah waktu selalu mengarah ke depan. Namun, jika kita melihat hukum fisika - dari posisi Newton ke Einstein, dari Maxwell ke Bohr, dari Dirac ke Feynman - mereka terlihat simetris terhadap waktu. Dengan kata lain, persamaan yang mengatur realitas tidak memiliki preferensi untuk arah waktu. Keputusan yang menggambarkan perilaku sistem apa pun yang mematuhi hukum fisika seperti yang kita pahami sama efektifnya untuk waktu yang bergerak ke masa lalu dan waktu yang diarahkan ke masa depan. Tetapi pengalaman memberi tahu kita bahwa waktu hanya bergerak ke satu arah - maju. Jadi dari mana datangnya panah waktu?
Banyak yang percaya bahwa ada hubungan antara panah waktu dan entropi. Sementara kebanyakan orang biasanya menyamakan entropi dengan "gangguan", ini adalah deskripsi yang malas dan tidak sepenuhnya akurat. Sebaliknya, entropi harus dianggap sebagai ukuran berapa banyak energi panas yang berpotensi diubah menjadi kerja mekanis yang berguna. Jika Anda memiliki banyak energi yang berpotensi menyelesaikan pekerjaan, maka ini adalah sistem dengan entropi rendah, sedangkan jika Anda memiliki sedikit, maka sistem Anda memiliki entropi tinggi. Hukum kedua termodinamika adalah hubungan penting dalam fisika, yang menyatakan bahwa entropi sistem tertutup tidak dapat berubah atau meningkat seiring waktu, yaitu, tidak dapat berkurang. Dengan kata lain, seiring waktu, entropi seluruh Semesta akan meningkat. Ini adalah satu-satunya hukum fisika yang memiliki arah waktu yang disukai.
Jadi, apakah ini berarti kita memandang waktu seperti ini karena hukum kedua termodinamika? Apakah ini terkait dengan hubungan mendasar antara panah waktu dan entropi? Beberapa fisikawan percaya bahwa inilah masalahnya. Sebuah proyek 2016 di saluran YouTube MinutePhysics dan penulis beberapa buku sains populer oleh fisikawan Sean Carroll, wawancara yang dapat Anda baca dalam edisi # 39 dari Naked Science, mencoba menjawab pertanyaan mengapa waktu tidak bergerak mundur. Akibatnya, fisikawan sampai pada kesimpulan bahwa ini disebabkan oleh entropi.
Entropi memang menjelaskan panah waktu dalam kasus banyak fenomena, termasuk mengapa campuran kopi dan susu tidak terpisah, dan telur yang pecah tidak pernah dikumpulkan kembali ke dalam cangkangnya. Dalam semua kasus ini dan kasus serupa, keadaan awal entropi rendah (dengan lebih banyak energi untuk dikerjakan) bergerak menuju keadaan entropi lebih tinggi (dan lebih sedikit energi yang tersedia) dari waktu ke waktu. Ada banyak contoh proses ini di alam, termasuk ruangan yang dipenuhi molekul: satu sisi diisi dengan molekul dingin yang bergerak lambat, dan sisi lainnya penuh dengan molekul panas dan bergerak cepat. Anda hanya perlu menunggu, dan ruangan akan dipenuhi dengan partikel campuran dengan energi rata-rata, yang menunjukkan peningkatan besar dalam entropi dan reaksi yang tidak dapat diubah.
Tetapi tidak dapat dikatakan bahwa itu benar-benar tidak dapat diubah. Anda lihat, banyak orang lupa bahwa ketika datang ke hukum kedua termodinamika dan peningkatan entropi, ini merujuk secara eksklusif ke sistem tertutup atau sistem yang tidak ada energi yang ditambahkan dari luar dan tidak ada perubahan yang dibuat untuk menambah atau mengurangi entropi. Kembali pada tahun 1870, fisikawan James Clerk Maxwell mengusulkan cara untuk membalikkan reaksi ini: diperlukan entitas eksternal yang akan membuka pemisahan antara dua sisi ruangan, memungkinkan molekul "dingin" untuk menyeberang ke satu sisi dan "panas" yang satu ke yang lain. Ide ini disebut "setan Maxwell", dan memungkinkan Anda untuk menurunkan entropi sistem.
Tentu saja, tidak mungkin melanggar hukum kedua termodinamika menggunakan metode ini. Faktanya adalah bahwa "setan" perlu mengeluarkan sejumlah besar energi untuk memisahkan partikel dengan cara ini. Sistem di bawah pengaruh "setan" terbuka. Jika Anda menambahkan entropi dan "setan" itu sendiri ke sistem umum partikel, ternyata entropi total akhirnya meningkat. Tapi di sini ada detail penting: bahkan jika Anda tinggal di dalam kotak dan tidak memperhatikan keberadaan "setan" - dengan kata lain, jika Anda tinggal di "alam semesta saku" dengan entropi yang meningkat - waktu masih akan terus berjalan. Anda. Panah termodinamika waktu tidak menentukan arah di mana kita melihat berlalunya waktu.
Jadi dari mana datangnya panah waktu, yang berkorelasi dengan persepsi kita tentang waktu? Tidak dikenal. Namun, diketahui bahwa ini jelas bukan panah termodinamika waktu. Pengukuran entropi Semesta menunjukkan hanya satu kemungkinan penurunan dalam seluruh sejarah kosmik: akhir inflasi kosmik dan transisinya ke Ledakan Besar Panas (jangan dikelirukan dengan Ledakan Besar - ini adalah dua keadaan Semesta yang berbeda; Big Bang Panas adalah periode perkembangan Semesta, pada tahap terakhir di mana kita hidup). Sebagian besar ilmuwan berpendapat bahwa masa depan yang dingin dan kosong menunggu Semesta setelah semua bintangnya terbakar, lubang hitam hancur, dan energi gelap akan menyebarkan galaksi gravitasi yang tidak terkait ke jarak yang sangat jauh dan tak terbayangkan. Keadaan termodinamika dari entropi maksimum ini dikenal sebagai kematian panas alam semesta. Anehnya, keadaan dari mana Semesta berevolusi - keadaan inflasi kosmik - memiliki sifat yang sama, tetapi dengan tingkat ekspansi yang lebih tinggi selama era inflasi, dibandingkan dengan yang akan mengarah ke era saat ini, di mana energi gelap mendominasi.
Bagaimana inflasi berakhir? Bagaimana energi vakum Semesta - yang melekat pada ruang kosong itu sendiri - menjadi sup panas partikel, antipartikel, dan radiasi? Dan apakah Semesta berubah dari keadaan dengan entropi yang sangat tinggi selama inflasi kosmik ke keadaan dengan entropi yang lebih rendah selama Ledakan Besar, atau apakah entropi lebih rendah selama inflasi karena kemampuan yang dihasilkan dari Semesta untuk melakukan pekerjaan mekanis? Untuk saat ini, para ilmuwan hanya memiliki teori yang - mudah-mudahan - suatu hari nanti akan mengarah pada jawaban yang tepat untuk pertanyaan-pertanyaan ini. Petunjuk eksperimental atau observasional yang mungkin merupakan petunjuk belum diperoleh.
Kami memahami panah waktu dalam termodinamika - dan ini adalah pemahaman yang sangat berharga dan sangat penting. Tetapi jika Anda ingin tahu mengapa kemarin tetap di masa lalu yang tidak berubah berulang kali, besok datang keesokan harinya, dan masa kini adalah tempat Anda tinggal sekarang, maka termodinamika tidak dapat menjawab pertanyaan ini. Dan sejauh ini, pada kenyataannya, tidak ada yang bisa.