Teori Informasi dan Cara Alam Semesta Bekerja

Ketika membicarakan alam semesta, kita biasanya memikirkan galaksi, bintang, planet, atom, energi, ruang, dan waktu. Semua itu merupakan bagian penting dari cara manusia memahami realitas fisik.

Namun, perkembangan fisika modern menghadirkan sebuah gagasan yang menarik: informasi mungkin mempunyai peran yang jauh lebih penting dalam memahami alam semesta daripada yang selama ini kita bayangkan.

Gagasan ini berawal dari perkembangan teori informasi, mekanika statistik, dan fisika kuantum. Dalam teori informasi, kita mempelajari bagaimana informasi dapat diukur, disimpan, dikirim, dan diproses. Dalam fisika, informasi ternyata juga berkaitan dengan keadaan sistem, pengukuran, entropi, dan proses komputasi.

Salah satu konsep yang terkenal adalah “it from bit” yang dikemukakan oleh fisikawan John Archibald Wheeler. Gagasan tersebut mengajak para ilmuwan dan filsuf untuk mempertanyakan apakah realitas fisik pada tingkat paling dasar memiliki hubungan dengan informasi. Namun, “it from bit” merupakan gagasan konseptual, bukan fakta yang telah membuktikan bahwa alam semesta secara harfiah terbuat dari bit komputer.

Lalu, bagaimana sebenarnya teori informasi membantu kita memahami cara alam semesta bekerja?

Apa Itu Teori Informasi?

Teori informasi merupakan cabang ilmu matematika dan ilmu komputer yang mempelajari informasi secara kuantitatif.

Salah satu tokoh paling penting dalam bidang ini adalah Claude Shannon. Pada tahun 1948, Shannon memperkenalkan kerangka matematis yang menjadi dasar teori informasi modern.

Salah satu konsep utamanya adalah entropi Shannon.

Secara sederhana, entropi Shannon mengukur ketidakpastian yang terdapat pada suatu variabel acak. Jika terdapat banyak kemungkinan hasil dan peluangnya relatif seimbang, ketidakpastiannya lebih besar. Sebaliknya, jika hasilnya hampir pasti diketahui, ketidakpastiannya lebih kecil.

Rumus sederhananya dapat ditulis:

H(X) = −Σ p(x) log₂ p(x)

Hasil pengukuran tersebut biasanya dinyatakan dalam satuan bit ketika logaritma menggunakan basis 2.

Konsep ini awalnya dikembangkan untuk memahami komunikasi, tetapi kemudian mempunyai hubungan yang sangat erat dengan fisika.

Mengapa Informasi Penting dalam Fisika?

Informasi mungkin terlihat seperti sesuatu yang abstrak.

Misalnya, angka “25” hanyalah simbol jika berdiri sendiri. Namun, angka tersebut dapat menjadi informasi ketika kita mengetahui bahwa angka itu menunjukkan suhu suatu ruangan.

Dalam dunia fisik, informasi harus diwujudkan melalui suatu keadaan fisik.

Data komputer dapat direpresentasikan melalui keadaan elektronik atau magnetik. Informasi kuantum dapat diwujudkan melalui keadaan sistem kuantum. Pesan yang dikirim melalui komunikasi juga membutuhkan media fisik.

Inilah salah satu alasan mengapa hubungan informasi dan fisika menjadi sangat penting.

Rolf Landauer dari IBM menekankan bahwa informasi yang digunakan dalam sistem nyata selalu memiliki representasi fisik.

Dengan kata lain, informasi tidak dapat diproses oleh alam tanpa melibatkan sesuatu yang bersifat fisik.

Informasi dan Materi Tidak Harus Dipertentangkan

Pertanyaan “informasi atau materi, mana yang lebih fundamental?” sebenarnya mungkin terlalu sederhana.

Informasi dan materi mempunyai peran yang berbeda.

Materi dan medan merupakan bagian dari deskripsi fisik alam semesta. Sementara itu, informasi dapat digunakan untuk menggambarkan keadaan sistem, ketidakpastian, korelasi, serta kemampuan suatu sistem menyimpan dan memproses keadaan tertentu.

Sebuah komputer dapat menyimpan informasi, tetapi informasi tersebut harus direpresentasikan oleh keadaan fisik komputer.

Demikian pula, sebuah atom dapat mempunyai keadaan tertentu yang kemudian digunakan untuk membawa informasi.

Jadi, membicarakan informasi tidak berarti kita harus menganggap materi menjadi tidak penting.

Dari Bit ke Alam Semesta

Satu bit merupakan unit informasi yang sangat sederhana.

Secara klasik, sebuah bit dapat mempunyai dua kemungkinan keadaan, misalnya:

0 atau 1.

Dua keadaan tersebut dapat digunakan untuk menyatakan berbagai macam informasi.

Tetapi alam semesta tidak hanya terdiri dari sistem biner sederhana.

Sistem fisik dapat mempunyai jumlah keadaan yang jauh lebih besar. Dalam mekanika kuantum, keadaan sistem bahkan memiliki karakteristik yang tidak dapat dijelaskan dengan konsep bit klasik saja.

Unit dasar informasi kuantum disebut qubit.

Qubit digunakan untuk menggambarkan informasi yang disimpan dalam keadaan sistem kuantum. Teori informasi kuantum kemudian mempelajari bagaimana informasi kuantum dapat disimpan, dikirim, dan diproses.

Apa Itu Qubit?

Qubit sering dianggap sebagai versi kuantum dari bit.

Bit klasik dapat berada dalam keadaan 0 atau 1.

Sementara itu, keadaan qubit dijelaskan menggunakan keadaan kuantum yang memungkinkan superposisi dari dua keadaan dasar.

Namun, penting untuk memahami bahwa superposisi tidak berarti kita dapat membaca “0 dan 1 sekaligus” secara sederhana.

Ketika dilakukan pengukuran, hasil yang diperoleh mengikuti aturan probabilitas kuantum.

Karena karakteristik tersebut, informasi kuantum memiliki sifat yang berbeda dari informasi klasik.

Hubungan Informasi dengan Pengukuran

Pengukuran merupakan bagian penting dalam fisika kuantum.

Ketika kita melakukan pengukuran terhadap sistem kuantum, kita memperoleh informasi mengenai sistem tersebut.

Misalnya, sebuah pengukuran dapat memberi tahu keadaan tertentu dari sebuah partikel atau sistem kuantum.

Namun, proses pengukuran kuantum tidak dapat selalu dipahami seperti membaca sebuah benda yang sudah mempunyai seluruh sifat klasik yang tinggal dilihat.

Teori kuantum memberikan batasan mengenai informasi apa yang dapat diperoleh dari suatu keadaan dan bagaimana informasi tersebut dapat digunakan.

Inilah salah satu alasan teori informasi kuantum berkembang menjadi bidang penelitian tersendiri.

Entanglement: Ketika Informasi Menjadi Nonklasik

Salah satu fenomena paling menarik dalam fisika kuantum adalah quantum entanglement atau keterikatan kuantum.

Dalam keadaan terentang, beberapa sistem kuantum mempunyai korelasi yang tidak dapat direpresentasikan secara sederhana sebagai kumpulan keadaan independen.

Entanglement sekarang tidak hanya dipelajari sebagai fenomena fundamental, tetapi juga dipandang sebagai sumber daya untuk berbagai tugas dalam informasi kuantum, termasuk komputasi dan kriptografi kuantum.

Hal ini memperlihatkan bahwa informasi dapat menjadi bagian penting dalam memahami bagaimana sistem kuantum berhubungan satu sama lain.

Entropi dan Informasi

Hubungan antara informasi dan fisika menjadi semakin jelas ketika kita membandingkan entropi Shannon dengan entropi dalam mekanika statistik.

Entropi Shannon mempunyai bentuk matematis:

H = −Σ pᵢ log pᵢ

Sedangkan bentuk entropi Gibbs dapat ditulis sebagai:

S = −k Σ pᵢ ln pᵢ

Keduanya memiliki struktur matematika yang sangat mirip.

Kemiripan tersebut menjadi salah satu jembatan antara teori informasi dan mekanika statistik.

Namun, kita harus berhati-hati. Kemiripan rumus tidak otomatis berarti kedua konsep mempunyai makna yang identik dalam semua keadaan. Literatur ilmiah masih membahas bagaimana hubungan antara entropi informasi dan entropi termodinamika harus ditafsirkan.

Informasi dan Hukum Kedua Termodinamika

Termodinamika memberi kita gambaran mengenai bagaimana sistem fisik berubah.

Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan arah proses dan perubahan entropi.

Ketika informasi dimasukkan ke dalam pembahasan termodinamika, muncul pertanyaan menarik:

Apakah informasi dapat diproses tanpa batas tanpa konsekuensi fisik?

Penelitian mengenai termodinamika komputasi menunjukkan bahwa jawabannya tidak sesederhana itu.

Salah satu konsep paling terkenal adalah prinsip Landauer, yang menghubungkan penghapusan informasi secara logis tidak reversibel dengan biaya termodinamika minimum dalam kondisi tertentu.

Prinsip Landauer

Bayangkan sebuah komputer mempunyai bit yang dapat berada pada keadaan 0 atau 1.

Jika sebuah operasi secara tidak reversibel menghapus perbedaan antara kedua keadaan tersebut dengan meresetnya menjadi satu keadaan tertentu, maka proses tersebut mempunyai konsekuensi termodinamika.

Batas ideal yang terkenal untuk penghapusan satu bit adalah:

E ≥ kT ln 2

Keterangan:

• E = batas energi terkait proses;

• k = konstanta Boltzmann;

• T = temperatur absolut.

Penting untuk ditekankan bahwa angka tersebut bukan berarti setiap operasi komputer secara nyata selalu menghabiskan energi sebesar itu.

Prinsip tersebut merupakan batas fundamental untuk jenis operasi tertentu dalam kondisi ideal.

Apakah Informasi Dapat Dihapus dari Alam Semesta?

Pertanyaan ini terdengar filosofis, tetapi mempunyai hubungan dengan fisika.

Ketika informasi dihapus dari satu bagian sistem, proses fisiknya tidak berarti bahwa seluruh konsekuensi informasi tersebut menghilang begitu saja tanpa jejak.

Dalam kerangka termodinamika informasi, penghapusan informasi mempunyai konsekuensi pada keadaan fisik sistem dan lingkungan.

Inilah salah satu alasan mengapa penelitian tentang informasi menjadi relevan dalam pembahasan hukum termodinamika.

Namun, pernyataan populer bahwa “informasi tidak pernah bisa dihancurkan” perlu diberi konteks. Dalam fisika, istilah “informasi” dapat memiliki definisi berbeda, dan pembahasan mengenai konservasi informasi dalam konteks yang berbeda—misalnya mekanika kuantum dan lubang hitam—merupakan persoalan yang lebih kompleks.

Alam Semesta sebagai Sistem Informasi

Jika informasi mempunyai hubungan yang sangat erat dengan keadaan fisik, muncul pertanyaan berikutnya:

Bisakah alam semesta dipandang sebagai sistem informasi?

Dalam arti tertentu, kita memang dapat menggunakan teori informasi untuk mempelajari berbagai aspek alam.

Kita dapat mengukur informasi pada sistem fisik.

Kita dapat membahas entropi.

Kita dapat mempelajari korelasi antara bagian-bagian sistem.

Kita juga dapat menggunakan informasi kuantum untuk mempelajari sistem kuantum.

Namun, hal tersebut tidak otomatis berarti bahwa alam semesta adalah komputer.

Menyatakan bahwa alam semesta “dapat dideskripsikan dengan bahasa informasi” berbeda dengan menyatakan bahwa alam semesta “secara harfiah adalah komputer”.

Gagasan “It from Bit”

John Archibald Wheeler memperkenalkan gagasan “it from bit” untuk menggambarkan kemungkinan bahwa realitas fisik mempunyai dasar yang sangat erat dengan informasi.

Dalam gambaran tersebut, sesuatu yang bersifat fisik atau “it” berkaitan dengan hasil dari pertanyaan-pertanyaan biner atau “bit”.

Gagasan Wheeler sangat berpengaruh dalam diskusi tentang informasi dan fondasi fisika. Namun, ia lebih tepat dipahami sebagai gagasan konseptual atau program filosofis mengenai dasar realitas, bukan sebagai teori eksperimental yang telah terbukti.

Apakah Alam Semesta Terdiri dari Bit?

Jawaban singkatnya adalah:

Belum ada bukti ilmiah yang menunjukkan bahwa seluruh alam semesta secara harfiah tersusun dari bit klasik.

Ini merupakan perbedaan penting.

Kita dapat menggunakan konsep bit untuk menggambarkan informasi tertentu mengenai sistem fisik.

Namun, dari fakta tersebut tidak otomatis mengikuti bahwa partikel, ruang, waktu, dan seluruh realitas sebenarnya hanyalah kumpulan bit.

Beberapa pendekatan dalam fisika memang mengeksplorasi hubungan antara informasi dan struktur fundamental alam, tetapi status berbagai gagasan tersebut berbeda-beda.

Sebagian merupakan teori yang mapan, sebagian merupakan interpretasi, dan sebagian lainnya masih menjadi hipotesis penelitian.

Mengapa Informasi Menjadi Penting dalam Fisika Modern?

Ada beberapa alasan mengapa informasi menjadi sangat menarik bagi fisikawan.

Pertama, sistem fisik dapat menyimpan informasi.

Kedua, sistem fisik dapat mengirim informasi.

Ketiga, sistem fisik dapat memproses informasi.

Keempat, terdapat batas fisik terhadap beberapa proses informasi.

Kelima, teori kuantum menunjukkan bahwa informasi mempunyai karakteristik yang tidak dapat dijelaskan sepenuhnya menggunakan konsep klasik.

Gabungan berbagai fakta tersebut membuat informasi menjadi alat penting dalam mempelajari alam.

Informasi dalam Teori Kuantum

Teori informasi kuantum mencoba memahami bagaimana informasi bekerja ketika pembawanya adalah sistem kuantum.

Hal ini menghasilkan berbagai konsep seperti:

• qubit;

• entanglement;

• quantum channel;

• quantum entropy;

• quantum error correction;

• quantum cryptography;

• dan quantum computing.

Dalam konteks ini, informasi bukan hanya tambahan dari luar teori fisika.

Informasi menjadi bagian dari cara kita memahami apa yang dapat dilakukan oleh sistem kuantum.

Informasi dan Komputer Kuantum

Komputer klasik menggunakan bit.

Komputer kuantum menggunakan qubit.

Perbedaan ini memungkinkan algoritma tertentu memanfaatkan karakteristik mekanika kuantum untuk melakukan tugas yang memiliki struktur berbeda dari komputasi klasik.

Namun, komputer kuantum tidak berarti semua masalah dapat diselesaikan secara instan.

Keunggulannya hanya muncul pada jenis persoalan dan algoritma tertentu.

Hal ini menunjukkan bahwa informasi tidak hanya berkaitan dengan jumlah data, tetapi juga dengan struktur fisik pembawa informasi dan aturan yang mengatur pemrosesannya.

Informasi dan Struktur Alam

Salah satu pertanyaan terbesar adalah apakah informasi hanya merupakan cara manusia mendeskripsikan alam atau benar-benar merupakan bagian fundamental dari alam itu sendiri.

Jika informasi hanya merupakan deskripsi, maka kita dapat mengatakan:

Alam mempunyai keadaan fisik, kemudian manusia menggunakan informasi untuk menggambarkan keadaan tersebut.

Jika informasi bersifat fundamental, gambaran tersebut dapat dibalik:

Struktur informasi mungkin menjadi salah satu dasar dari keadaan fisik yang kita amati.

Sampai sekarang, pertanyaan tersebut belum mempunyai jawaban final.

Mengapa Kita Harus Berhati-hati?

Topik informasi dan alam semesta sering menjadi bahan artikel populer karena terdengar sangat menarik.

Namun, terdapat risiko ketika gagasan spekulatif dipresentasikan sebagai fakta.

Misalnya, pernyataan:

“Alam semesta sudah terbukti sebagai komputer raksasa.”

merupakan klaim yang jauh lebih kuat daripada apa yang dapat disimpulkan dari teori informasi.

Begitu juga pernyataan:

“Semua materi hanyalah informasi.”

tidak boleh disajikan sebagai fakta ilmiah tanpa penjelasan mengenai interpretasi dan batas bukti yang tersedia.

Artikel sains yang baik harus membedakan antara fakta yang telah didukung eksperimen, model teoritis, interpretasi, dan spekulasi.

Informasi Tidak Sama dengan Pengetahuan

Ada perbedaan antara informasi dan pengetahuan.

Informasi dapat berupa data atau struktur yang dapat digunakan untuk membedakan kemungkinan.

Pengetahuan biasanya melibatkan pemahaman atau interpretasi terhadap informasi tersebut.

Dalam fisika, informasi sering digunakan dalam arti yang lebih teknis daripada penggunaan sehari-hari.

Karena itu, ketika ilmuwan mengatakan bahwa sebuah sistem “mengandung informasi”, mereka tidak selalu bermaksud bahwa sistem tersebut mempunyai pengetahuan seperti manusia.

Contoh Sederhana dalam Kehidupan Sehari-hari

Bayangkan sebuah termometer digital.

Sensor termometer berinteraksi dengan lingkungan dan menghasilkan keadaan fisik tertentu.

Perangkat elektronik kemudian mengolah keadaan tersebut dan menampilkan angka pada layar.

Bagi manusia, angka tersebut adalah informasi mengenai temperatur.

Namun, proses tersebut melibatkan rangkaian kejadian fisik dari awal sampai akhir.

Contoh sederhana ini menunjukkan bahwa informasi dapat dipahami sebagai sesuatu yang memiliki perwujudan fisik.

Dari Komputer ke Alam Semesta

Komputer memberikan analogi yang mudah untuk memahami gagasan tersebut.

Dalam komputer:

keadaan fisik → informasi → pengolahan → keadaan fisik baru

Sistem alam juga mengalami perubahan keadaan fisik.

Namun, kita tidak boleh langsung menyimpulkan bahwa alam semesta menjalankan program komputer seperti laptop.

Perbandingan tersebut hanya membantu kita memahami bahwa perubahan keadaan fisik dapat membawa perubahan pada informasi yang tersedia mengenai sistem.

Apakah Informasi Bisa Menjelaskan Segalanya?

Kemungkinan tersebut masih merupakan pertanyaan terbuka.

Teori informasi sangat kuat untuk menjelaskan aspek tertentu dari komunikasi dan ketidakpastian.

Teori informasi kuantum sangat berguna untuk mempelajari kemampuan sistem kuantum dalam menyimpan dan memproses informasi.

Namun, tidak berarti semua fenomena alam sudah dapat direduksi menjadi satu persamaan informasi sederhana.

Alam semesta sangat kompleks dan fisika memiliki banyak teori yang bekerja pada tingkat dan kondisi yang berbeda.

Hubungan dengan Lubang Hitam

Salah satu persoalan paling menarik dalam hubungan informasi dan fisika muncul pada penelitian mengenai lubang hitam.

Dalam fisika teoritis, muncul pertanyaan mengenai apa yang terjadi terhadap informasi yang berkaitan dengan materi ketika masuk ke dalam lubang hitam.

Persoalan ini dikenal sebagai black hole information problem.

Masalah tersebut mempertemukan relativitas umum, mekanika kuantum, termodinamika, dan teori informasi.

Karena belum ada penyelesaian yang diterima secara universal dalam seluruh aspek persoalannya, topik ini masih menjadi salah satu bidang penelitian aktif dalam fisika teoretis.

Informasi sebagai Jembatan Antara Teori

Salah satu hal menarik dari konsep informasi adalah kemampuannya menjadi bahasa yang menghubungkan beberapa bidang.

Termodinamika berbicara mengenai energi dan entropi.

Mekanika statistik berbicara mengenai probabilitas keadaan mikroskopis.

Teori informasi berbicara mengenai ketidakpastian dan komunikasi.

Fisika kuantum berbicara mengenai keadaan dan pengukuran.

Informasi muncul dalam berbagai pembahasan tersebut dengan bentuk yang berbeda.

Karena itu, informasi dapat menjadi jembatan konseptual antara bidang-bidang ilmu yang sebelumnya tampak terpisah.

Apa yang Sebenarnya Kita Ketahui?

Jika seluruh pembahasan diringkas, ada beberapa hal yang relatif kuat secara ilmiah.

Kita mengetahui bahwa teori informasi menyediakan ukuran matematis mengenai ketidakpastian.

Kita mengetahui bahwa informasi yang diwujudkan dalam sistem fisik mempunyai keterbatasan fisik.

Kita mengetahui bahwa informasi kuantum mempunyai karakteristik berbeda dari informasi klasik.

Kita juga mengetahui bahwa hubungan antara informasi dan termodinamika menghasilkan prediksi serta batas yang dapat dipelajari secara eksperimental.

Yang belum kita ketahui secara pasti adalah apakah informasi merupakan bahan dasar ontologis dari seluruh realitas.

Masa Depan Teori Informasi dan Fisika

Penelitian di bidang informasi kuantum terus berkembang.

Komputer kuantum, komunikasi kuantum, kriptografi kuantum, termodinamika informasi, dan penelitian mengenai fondasi mekanika kuantum terus memperluas hubungan antara informasi dan fisika.

Di tingkat yang lebih fundamental, para ilmuwan juga terus menyelidiki hubungan antara informasi, ruang-waktu, gravitasi, dan lubang hitam.

Jika suatu hari ditemukan teori yang mampu menjelaskan hubungan tersebut secara konsisten dan dapat diuji, pemahaman manusia tentang alam semesta mungkin berubah secara signifikan.

Kesimpulan

Teori informasi memberikan cara yang sangat kuat untuk memahami bagaimana informasi dapat diukur, dikirim, disimpan, dan diproses. Ketika konsep tersebut bertemu dengan fisika, muncul pertanyaan yang jauh lebih mendalam mengenai hubungan antara informasi dan realitas.

Informasi bukan sekadar kumpulan angka yang berada di dalam komputer. Dalam sistem fisik, informasi harus direpresentasikan melalui keadaan nyata. Prinsip Landauer menunjukkan bahwa proses pengolahan informasi tertentu mempunyai konsekuensi termodinamika.

Fisika kuantum bahkan menunjukkan bahwa informasi mempunyai sifat yang berbeda ketika dibawa oleh sistem kuantum. Qubit dan entanglement menjadi contoh bahwa konsep informasi dapat menjadi bagian penting dalam memahami fenomena fisik.

Sementara itu, gagasan “it from bit” dari John Archibald Wheeler menawarkan kemungkinan yang lebih berani: mungkin informasi mempunyai hubungan yang sangat mendasar dengan realitas fisik. Akan tetapi, gagasan tersebut belum membuktikan bahwa alam semesta secara harfiah adalah komputer atau bahwa materi hanyalah kumpulan bit.

Dengan demikian, pertanyaan tentang teori informasi dan cara alam semesta bekerja masih terbuka.

Mungkin informasi hanyalah salah satu cara paling efektif untuk menggambarkan alam.

Mungkin informasi juga memiliki peran yang lebih fundamental daripada yang kita pahami saat ini.

Justru karena belum ada jawaban final, hubungan antara informasi, materi, energi, ruang, waktu, dan realitas menjadi salah satu pertanyaan paling menarik dalam ilmu pengetahuan modern.

Referensi

1. Shannon, C. E. (1948). A Mathematical Theory of Communication. Bell System Technical Journal. Karya dasar teori informasi modern.
2. Landauer, R. (1961). Irreversibility and Heat Generation in the Computing Process. IBM Journal of Research and Development.
3. Landauer, R. (1999). Information is a Physical Entity. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. ScienceDirect
4. Stanford Encyclopedia of Philosophy — Information Processing and Thermodynamic Entropy. Membahas hubungan informasi, mekanika statistik, termodinamika, dan prinsip Landauer. Ensiklopedia Filsafat Stanford
5. Stanford Encyclopedia of Philosophy — Quantum Entanglement and Information. Membahas entanglement, Shannon entropy, qubit, dan teori informasi kuantum. Ensiklopedia Filsafat Stanford
6. Ben-Naim, A. (2022). Information, Entropy, Life, and the Universe. Entropy, 24(11), 1636. Artikel ini membahas secara kritis hubungan antara informasi, entropi, kehidupan, dan alam semesta. MDPI
7. Wheeler, J. A. (1990). Information, Physics, Quantum: The Search for Links. Dalam Complexity, Entropy, and the Physics of Information. Gagasan ini berkaitan dengan konsep “it from bit”. Pembahasan historis dan filosofisnya tersedia dalam literatur akademik.