Teori chaos diperlihatkan dalam gambar ini, yang diciptakan dengan paparan cahaya yang panjang di ujung pendulum ganda.
(Gambar: © Wikimedia Commons / Cristian V.)
Akan sangat menyenangkan mengetahui ramalan cuaca tidak hanya satu minggu sebelumnya tetapi satu bulan atau bahkan satu tahun ke depan. Tetapi memprediksi cuaca menghadirkan sejumlah masalah rumit yang tidak akan pernah bisa kita selesaikan sepenuhnya. Alasan mengapa bukan hanya kompleksitas - para ilmuwan secara teratur menangani masalah yang kompleks dengan mudah - itu adalah sesuatu yang jauh lebih mendasar. Itu adalah sesuatu yang ditemukan pada pertengahan abad ke-20: kebenaran bahwa kita hidup di alam semesta yang kacau, dalam banyak hal, benar-benar tidak dapat diprediksi. Tetapi tersembunyi jauh di dalam kekacauan itu adalah pola-pola yang mengejutkan, pola-pola yang, jika kita dapat sepenuhnya memahaminya, mungkin mengarah pada beberapa wahyu yang lebih dalam.
Memahami kekacauan
Salah satu hal indah tentang fisika adalah deterministik. Jika Anda mengetahui semua sifat suatu sistem (di mana "sistem" dapat berarti apa saja dari satu partikel dalam kotak hingga pola cuaca di Bumi atau bahkan evolusi alam semesta itu sendiri) dan Anda tahu hukum fisika, maka Anda dapat memprediksi masa depan dengan sempurna. Anda tahu bagaimana sistem akan berkembang dari satu negara ke negara lain seiring berjalannya waktu. Ini adalah determinisme. Inilah yang memungkinkan fisikawan membuat prediksi tentang bagaimana partikel dan cuaca serta seluruh alam semesta akan berevolusi dari waktu ke waktu.
Namun ternyata, sifat itu bisa bersifat deterministik dan tidak dapat diprediksi. Kami pertama kali mendapat petunjuk tentang hal ini pada tahun 1800-an, ketika raja Swedia menawarkan hadiah kepada siapa saja yang dapat memecahkan apa yang disebut masalah tiga tubuh. Masalah ini berkaitan dengan gerakan prediksi menurut Hukum Isaac Newton. Jika dua benda di tata surya hanya berinteraksi melalui gravitasi, maka hukum Newton memberi tahu Anda dengan tepat bagaimana kedua benda itu akan berperilaku baik di masa depan. Tetapi jika Anda menambahkan tubuh ketiga dan membiarkannya memainkan permainan gravitasi juga, maka tidak ada solusi dan Anda tidak akan dapat memprediksi masa depan sistem itu.
Ahli matematika Prancis Henri Poincaré (bisa dibilang supergenius) memenangkan hadiah tanpa benar-benar menyelesaikan masalah. Alih-alih menyelesaikannya, ia menulis tentang masalah tersebut, menjelaskan semua alasan mengapa itu tidak dapat diselesaikan. Salah satu alasan paling penting yang dia tekankan adalah bagaimana perbedaan kecil di awal sistem akan menyebabkan perbedaan besar di akhir.
Gagasan ini sebagian besar dihentikan, dan fisikawan melanjutkan, dengan asumsi bahwa alam semesta adalah deterministik. Yaitu, mereka melakukannya hingga pertengahan abad ke-20, ketika matematikawan Edward Lorenz sedang mempelajari model sederhana cuaca Bumi pada komputer awal. Ketika dia berhenti dan memulai kembali simulasi, dia berakhir dengan hasil yang sangat berbeda, yang seharusnya tidak menjadi masalah. Dia memasukkan input yang sama persis, dan dia memecahkan masalah pada komputer, dan komputer benar-benar pandai melakukan hal yang persis sama berulang-ulang.
Apa yang dia temukan adalah sensitivitas yang mengejutkan terhadap kondisi awal. Satu kesalahan pembulatan kecil, tidak lebih dari 1 bagian dalam sejuta, akan menyebabkan perilaku cuaca yang sangat berbeda dalam modelnya.
Apa yang pada dasarnya Lorenz temukan adalah kekacauan.
Tersandung dalam gelap
Ini adalah tanda tangan dari sistem kacau, seperti yang pertama kali diidentifikasi oleh Poincaré. Biasanya, ketika Anda memulai sistem dengan perubahan sangat kecil dalam kondisi awal, Anda hanya mendapatkan perubahan sangat kecil dalam output. Tapi ini tidak terjadi dengan cuaca. Satu perubahan kecil (mis., Seekor kupu-kupu mengepakkan sayapnya di Amerika Selatan) dapat menyebabkan perbedaan besar dalam cuaca (seperti pembentukan badai baru di Atlantik).
Sistem kacau ada di mana-mana dan, pada kenyataannya, mendominasi alam semesta. Tempelkan pendulum di ujung pendulum lain, dan Anda memiliki sistem yang sangat sederhana namun sangat kacau. Masalah tiga tubuh yang membingungkan Poincaré adalah sistem yang kacau balau. Populasi spesies dari waktu ke waktu adalah sistem yang kacau. Kekacauan ada di mana-mana.
Kepekaan terhadap kondisi awal ini berarti bahwa dengan sistem yang kacau, tidak mungkin membuat prediksi yang pasti, karena Anda tidak akan pernah tahu persis, tepatnya, ke titik desimal tak terbatas, kondisi sistem. Dan jika Anda tidak aktif sedikit pun, setelah cukup waktu, Anda tidak akan tahu apa yang dilakukan sistem.
Inilah sebabnya mengapa mustahil memprediksi cuaca dengan sempurna.
Rahasia fraktal
Ada sejumlah fitur mengejutkan yang terkubur dalam ketidakpastian dan kekacauan ini. Mereka muncul sebagian besar dalam sesuatu yang disebut ruang fase, peta yang menggambarkan keadaan sistem pada berbagai titik waktu. Jika Anda mengetahui sifat-sifat suatu sistem pada "snapshot" tertentu, Anda dapat mendeskripsikan sebuah titik dalam ruang fase.
Ketika sebuah sistem berevolusi dan mengubah status dan propertinya, Anda dapat mengambil snapshot lain dan menggambarkan titik baru dalam ruang fase, seiring waktu membangun kumpulan poin. Dengan poin yang cukup, Anda dapat melihat bagaimana sistem berperilaku dari waktu ke waktu.
Beberapa sistem menunjukkan suatu pola yang disebut sebagai penarik. Ini berarti bahwa di mana pun Anda memulai sistem, sistem akan berevolusi menjadi kondisi tertentu yang sangat disukai. Misalnya, di mana pun Anda menjatuhkan bola di lembah, bola itu akan berakhir di dasar lembah. Dasar itu adalah penarik sistem ini.
Ketika Lorenz melihat ruang fase dari model cuaca sederhana, ia menemukan seorang penarik. Tapi penarik itu tidak terlihat seperti apa pun yang pernah dilihat sebelumnya. Sistem cuacanya memiliki pola teratur, tetapi keadaan yang sama tidak pernah diulang dua kali. Tidak ada dua titik dalam ruang fase yang tumpang tindih. Pernah.
Kontradiksi
Ada sejumlah fitur mengejutkan yang terkubur dalam ketidakpastian dan kekacauan ini. Pernah.
Ini tampak seperti kontradiksi yang jelas. Ada seorang penarik; mis., sistem lebih memilih serangkaian negara. Namun keadaan yang sama tidak pernah terulang. Satu-satunya cara untuk menggambarkan struktur ini adalah sebagai fraktal.
Jika Anda melihat ruang fase sistem cuaca sederhana Lorenz dan memperbesar bagian kecilnya, Anda akan melihat versi kecil dari ruang fase yang sama persis. Dan jika Anda mengambil porsi yang lebih kecil dari itu dan memperbesar lagi, Anda akan melihat versi lebih kecil dari penarik yang sama persis. Dan seterusnya dan seterusnya hingga tak terbatas. Hal-hal yang terlihat sama semakin dekat Anda melihatnya adalah fraktal.
Jadi sistem cuaca memiliki daya tarik, tetapi aneh. Itu sebabnya mereka secara harfiah disebut penarik aneh. Dan mereka muncul tidak hanya di cuaca tetapi di semua jenis sistem yang kacau.
Kami tidak sepenuhnya memahami sifat penarik aneh, signifikansinya, atau bagaimana menggunakannya untuk bekerja dengan sistem yang kacau dan tidak dapat diprediksi. Ini adalah bidang matematika dan sains yang relatif baru, dan kami masih berusaha menyelimuti kami. Ada kemungkinan bahwa sistem yang kacau ini, dalam beberapa hal, deterministik dan dapat diprediksi. Tapi itu belum dipecahkan, jadi untuk sekarang, kita hanya harus puas dengan ramalan cuaca akhir pekan kita.
- Cara Membatalkan Sementara Semesta Semesta yang Tak Berujung dengan Chloroform
- Tanda-Tanda Kekacauan | Wallpaper Ruang Angkasa
- Kekacauan Panas | Wallpaper Ruang Angkasa
Paul M. Sutter adalah seorang astrofisikawan di Universitas Negeri Ohio, tuan rumah dari "Tanya seorang angkasawan" dan "Radio luar angkasa, "dan penulis"Tempat Anda di Alam Semesta."
Pelajari lebih lanjut dengan mendengarkan episode "Apakah Semesta Benar-Benar Dapat Diprediksi?" di podcast "Ask a Spaceman", tersedia di iTunes dan di web di http://www.askaspaceman.com.
Terima kasih kepada Carlos T., Akanksha B., @TSFoundtainworks, dan Joyce S. atas pertanyaan yang mengarah pada karya ini! Ajukan pertanyaan Anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti Paul @PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter.
