Dalam lima menit
Boltzmann brain adalah eksperimen pikiran tentang sebuah otak yang muncul begitu saja karena kebetulan semata, lengkap dengan ingatan tentang kehidupan yang tidak pernah dijalaninya, lalu menghilang. Gagasan ini penting karena kosmolog memakainya sebagai ujian. Jika suatu teori tentang alam semesta meramalkan bahwa otak-otak kebetulan ini jauh lebih banyak daripada pengamat biasa seperti Anda dan saya, berarti ada yang salah dengan teori itu.
Logikanya berjalan dalam empat langkah. Pertama, fisika membolehkan fluktuasi acak yang langka: jika waktunya cukup panjang, susunan partikel yang sangat tidak mungkin pun akhirnya akan muncul. Kedua, fluktuasi yang hanya membentuk satu otak jauh lebih "murah" daripada fluktuasi yang membentuk seluruh galaksi, apalagi seluruh alam semesta. Ketiga, jika alam semesta bertahan selama waktu yang tak terbayangkan lamanya, fluktuasi yang murah akan terjadi jauh lebih sering daripada yang mahal. Keempat, itu berarti sebagian besar pengamat yang sadar hanyalah kecelakaan sesaat, dan dunia yang tampak mereka ingat hanyalah ilusi.
Tidak ada yang mengatakan bahwa Anda adalah Boltzmann brain. Justru sebaliknya: karena kesimpulan itu terlihat absurd, fisikawan menganggap model apa pun yang berujung ke sana patut dicurigai. Gagasan ini satu keluarga dengan teka-teki otak dalam tabung dan hipotesis simulasi, tetapi sumbernya adalah termodinamika, bukan penipu atau komputer.
Asal gagasan: Boltzmann dan entropi
Namanya diambil dari Ludwig Boltzmann (1844–1906), fisikawan Austria yang mengaitkan entropi dengan probabilitas. Dalam gambarannya, entropi menghitung berapa banyak susunan mikroskopis yang tampak sama dari luar. Keadaan rapi berentropi rendah hanya bisa disusun dengan sedikit cara. Keadaan berantakan berentropi tinggi bisa disusun dengan sangat banyak cara. Itulah sebabnya panas mengalir dari yang panas ke yang dingin, dan telur dadar yang sudah diaduk tidak pernah kembali utuh: hasil yang tidak teratur jauh lebih mungkin terjadi.
Hal ini memunculkan pertanyaan sulit. Jika hukum fisika bekerja sama baik maju maupun mundur dalam waktu, mengapa alam semesta awal begitu teratur? Masa lalu kita berentropi sangat rendah, dan itulah alasan waktu tampak punya arah. Pada 1890-an Boltzmann mencari jawabannya, dan salah satu pilihan yang ia pertimbangkan adalah bahwa alam semesta secara keseluruhan berada dalam keadaan paling tidak teratur, sementara yang kita lihat hanyalah fluktuasi langka darinya, seperti tumpukan pasir yang sesaat jatuh membentuk pola rapi.
Kelemahannya, fluktuasi tidak semuanya sama langkanya. Peluangnya turun sangat cepat seiring bertambahnya keteraturan yang diciptakan. Jadi makin kecil fluktuasi yang diperlukan untuk menjelaskan apa yang kita lihat, makin besar kemungkinannya, dan di sinilah masalah dimulai. Perlu dicatat bahwa Boltzmann sendiri tidak berbicara tentang otak. Pengamat kebetulan itu muncul belakangan, dari orang lain yang menerapkan logikanya.
Mengapa satu otak mengalahkan seluruh alam semesta
Astronom Inggris Arthur Eddington mengajukan keberatan ini pada 1931, dan fisikawan Amerika Richard Feynman membuatnya dikenal luas lewat kuliah fisikanya pada 1960-an. Jika alam semesta kita yang teratur adalah sebuah fluktuasi, ia akan jauh lebih besar daripada yang kita butuhkan. Seorang pengamat hanya memerlukan otak, sedikit lingkungan di sekitarnya, dan seperangkat ingatan. Fluktuasi yang hanya membentuk itu jauh lebih mungkin daripada yang membentuk seratus miliar galaksi.
Feynman menambahkan ujian yang cerdas. Jika keteraturan di sekitar kita hanyalah fluktuasi, hal berikutnya yang kita amati seharusnya paling mungkin tidak teratur, karena fluktuasi cukup rapi di tempat kita kebetulan melihat saja. Namun setiap kali kita menggali batuan tua, membaca catatan lama, atau mengarahkan teleskop ke bintang-bintang jauh, kita menemukan keteraturan yang sama seperti yang kita duga. Itu sangat melemahkan gagasan bahwa alam semesta adalah fluktuasi, dan justru menunjuk ke alam semesta yang bermula dari keadaan berentropi sangat rendah.
Versi modern: energi gelap dan masa depan yang sangat panjang
Argumen lama ini kembali dalam bentuk baru setelah 1998, ketika para astronom menemukan bahwa pengembangan alam semesta semakin cepat. Penjelasan paling sederhana adalah energi gelap berupa kerapatan energi tetap pada ruang hampa, yaitu konstanta kosmologis. Jika memang konstan, masa depan yang jauh tampak sebagai ruang dingin yang nyaris kosong bernama ruang de Sitter. Ruang seperti itu punya horizon, dan horizon memberinya suhu yang samar namun stabil dan tak pernah hilang.
Pada 2002 fisikawan Lisa Dyson, Matthew Kleban, dan Leonard Susskind menerbitkan makalah tentang konsekuensi yang meresahkan dari masa depan semacam itu. Ruang yang bertahan selamanya dan terus berpendar termal memiliki waktu tak terbatas untuk fluktuasi langka. Cepat atau lambat, apa pun yang mungkin secara fisika akan muncul, termasuk pengamat. Dalam tahun-tahun berikutnya kosmolog lain, seperti Andreas Albrecht dan Lorenzo Sorbo, mengembangkan argumen ini lebih jauh, dan julukan Boltzmann brain pun menyebar.
Kekhawatirannya adalah hitungan sederhana. Pengamat biasa seperti kita, yang berevolusi di planet-planet yang mengitari bintang, hanya bisa ada dalam rentang terbatas sejarah kosmos, selama bintang-bintang bersinar. Pengamat kebetulan bisa terus muncul tanpa akhir. Jika alam semesta bertahan selamanya, kelompok kedua melampaui kelompok pertama tanpa batas, dan pengamat yang tipikal adalah Boltzmann brain. Teori yang meramalkan hal itu bertentangan dengan pengalaman sehari-hari kita.
Sains yang sebenarnya: apa yang mapan dan apa yang spekulasi
Sebagian hal sudah kokoh. Mekanika statistik bekerja, dan fluktuasi acak kecil telah diukur dalam sistem laboratorium yang sangat kecil. Alam semesta memang mengembang makin cepat, dan energi gelap menyusun sekitar dua pertiga anggaran energinya menurut pengukuran seperti yang dilakukan satelit Planck.
Sisanya masih terbuka. Tidak ada yang tahu apakah energi gelap akan tetap konstan selamanya, atau apakah vakum itu sendiri bisa berubah jauh sebelum ada otak yang sempat muncul lewat fluktuasi. Tidak ada yang tahu apakah otak yang terbentuk secara acak benar-benar akan sadar, dan menghitung pengamat di alam semesta yang mungkin tak terhingga adalah masalah sulit yang belum terpecahkan, sering disebut masalah ukuran (measure problem).
Fisikawan Sean Carroll memberi tanggapan yang terkenal pada 2017 dalam makalah berjudul Why Boltzmann brains are bad. Argumennya soal penalaran. Jika suatu teori mengatakan Anda kemungkinan besar adalah Boltzmann brain, Anda tidak bisa memercayai ingatan dan pengamatan yang membawa Anda pada teori itu. Teori tersebut merusak buktinya sendiri, yang ia sebut ketidakstabilan kognitif. Pelajaran praktisnya tetap sama: model kosmologi yang baik tidak boleh menjadikan pengamat kebetulan sebagai hal yang tipikal. Karena itu, mereka penting sebagai batasan bagi teori, bukan sebagai klaim tentang kenyataan.
Di mana gagasan ini muncul dalam fiksi
Cerita tentang Boltzmann brain dalam arti sempit sangat sedikit, tetapi banyak yang menyentuh pertanyaan-pertanyaan sebelahnya. Novel Greg Egan, Permutation City (1994), bertanya apa yang dibutuhkan sebuah pikiran agar tetap ada, dan bermain dengan gagasan bahwa pola pengalaman dapat tersebar di ruang dan waktu. Philip K. Dick membangun seluruh novel, seperti Ubik (1969), di atas perasaan bahwa dunia di sekitar tokohnya mungkin tidak seperti kelihatannya. Di dunia film, The Matrix (1999) adalah versi populer dari pikiran yang ditipu. Boltzmann brain menambahkan kelokan yang tidak dimiliki semuanya: tidak perlu tokoh jahat atau mesin, hanya kebetulan dan waktu yang sangat lama. Untuk kisah lebih luas tentang bagaimana fiksi ilmiah menggarap pertanyaan semacam ini, lihat sejarah fiksi ilmiah.
Kesalahpahaman umum
- "Fisikawan mengira kita adalah Boltzmann brain." Tidak. Argumen ini dipakai untuk menyingkirkan model kosmologi, bukan untuk menggambarkan kita.
- "Boltzmann yang mengusulkannya." Ia mengusulkan bahwa fluktuasi mungkin menjelaskan keteraturan yang kita lihat. Versi otaknya muncul belakangan.
- "Ini hipotesis simulasi dengan kata lain." Hipotesis simulasi memerlukan pembuat, yaitu sebuah komputer. Boltzmann brain hanya memerlukan gerak acak selama waktu yang sangat panjang.
- "Otak itu akan menjalani hidup penuh." Boltzmann brain adalah kecelakaan singkat. Ingatannya palsu, dan ia akan lenyap hampir seketika.
- "Kalau mungkin, pasti terjadi." Hal itu terjadi hanya jika alam semesta bertahan cukup lama dan fisikanya mengizinkan. Keduanya masih pertanyaan terbuka.
Bacaan selanjutnya
- Hipotesis simulasi: argumen bahwa dunia kita mungkin hanyalah perangkat lunak, dan bedanya dengan pikiran yang muncul karena kebetulan.
- Otak dalam tabung: eksperimen pikiran yang lebih tua tentang ditipu mengenai dunia.
- Sejarah fiksi ilmiah: tempat gagasan-gagasan ini dalam kisah panjang genre tersebut.
