Oleh Johan Matheus Tuwankotta (Departemen Matematika ITB)
DI rubrik Inspirasi,
Kompas, Sabtu (10/5), Dr Kebamoto menyajikan tulisan yang sangat menarik
tentang teori chaos. Inul dipilih sebagai media yang cantik untuk menyajikan
suatu konsep chaos yang tak kalah cantiknya. Tulisan itu telah menggoda untuk
menyumbang pendapat dalam topik yang luar biasa menarik ini. Namun, kini yang
dibahas adalah kandungan ilmiah dari chaos itu sendiri.
TEORI chaos menarik
perhatian para ilmuwan dunia di tahun 1960-an. Salah satu paper ilmiah yang
menandai "kelahiran" topik ini adalah karya dari Edward Lorenz.
Meskipun demikian, nama-nama seperti B van der Pol, Duffing, dan M He'non tidak
dapat dilupakan dalam proses kelahiran topik ini.
Chaos pertama kali
terobservasi dalam sebuah sistem yang dikenal dengan nama sistem dinamis.
Tidaklah berlebihan jika kelahiran sistem dinamis dikaitkan dengan seorang matematikawan
Perancis, Henri Poincare' pada masa pergantian dari abad ke-19 ke abad ke-20.
Pada era itu,
perhatian matematikawan terpusat pada pencarian solusi dari suatu sistem. Henri
Poincare' adalah yang pertama kali membangun suatu metode untuk menganalisis
sistem tanpa menghitung solusi secara eksplisit dan melahirkan teori modern
tentang persamaan diferensial. Dari tulisan Henri Poincare', dapat disimpulkan
bahwa Poincare' telah mengenal chaos.
Pada permulaan abad
ke-20, yaitu masa hidup B van der Pol, Duffing, maupun E Lorenz, trend yang
berkembang adalah keyakinan bahwa sebuah sistem dapat "berperilaku"
sangat liar, namun suatu saat akhirnya sistem akan kembali pada kondisi
kesetimbangan. Ini bertentangan sama sekali dengan chaos yang telah dilihat oleh
ketiga orang tersebut. Bukan tidak mungkin ada list yang lebih panjang lagi
berisi nama-nama orang yang telah melihat fenomena chaos di sistem yang mereka
miliki, namun tidak berani memublikasikannya.
Edward Lorenz sendiri
mendapat reaksi negatif dari rekannya ketika ia dengan penuh semangat
menjelaskan fenomena itu, "Ed, alam di mana kita hidup tidak berperilaku
seperti yang kau deskripsikan!" Kata seorang profesor Fisika kepada E
Lorenz.
Ada seorang
matematikawan bernama Stephen Smale yang sebenarnya kontra terhadap teori
chaos. Tetapi ketika ia membaca paper E Lorenz, ia mulai berpikir tentang
kemungkinan selain teorinya sendiri. Akhirnya, ia menciptakan Pemetaan Sepatu
Kuda (Horse-shoe map) yang sampai saat ini merupakan bentuk paling sederhana dari
sistem yang memuat skenario menuju chaos.
Chaos dan fraktal
Fraktal bukan chaos.
Fraktal adalah suatu struktur yang memiliki substruktur yang masing-masing
substruktur memiliki substruktur lagi dan seterusnya. Setiap substruktur adalah
replika kecil dari struktur besar yang memuatnya.
Contoh yang paling
sederhana dari fraktal adalah jika kita memegang cermin di hadapan sebuah
cermin. Di dalam cermin yang dipegang ada bayangan orang yang memegang cermin.
Di dalam cermin yang ada di bayangan, ada bayangan si pemegang cermin itu lagi,
dan seterusnya.
Sebuah chaotic
attractor terkadang juga memiliki struktur fraktal seperti itu. Keunikan dari
benda-benda yang memiliki struktur fraktal adalah dimensinya. Secara umum,
solusi dari sebuah sistem dinamis adalah sebuah obyek matematis yang berdimensi
satu (mempunyai ukuran yang sama dengan garis).
Jika solusi itu
merupakan solusi yang chaotic, ia mempunyai dimensi fraktal berupa pecahan.
Misalnya, berdimensi 2,3 yang berarti benda itu lebih tebal daripada bidang (yang
berdimensi 2), tetapi masih lebih kecil daripada ruang (yang berdimensi 3).
Chaos dan bifurkasi
Hampir semua sistem
dinamis yang terkait dengan alam ini memuat satu atau lebih parameter di dalam
sistem itu. Contohnya adalah jika kita bekerja dengan hukum Newton, maka ada
konstanta gravitasi yang besarnya tetap, tetapi tidak kita ketahui nilai
eksaknya.
Pertanyaannya, jika
ada suatu sistem yang bergantung pada parameter tertentu yang tidak diketahui
besarnya, apakah dinamika dari sistem itu terpengaruh oleh perubahan nilai
parameternya? Dapatkah suatu kondisi stabil berubah menjadi tidak stabil jika
nilai parameternya berubah?
Bayangkanlah sistem
tata surya. Ada perputaran benda-benda langit pada orbitnya masing-masing. Ada
banyak sekali parameter yang terlibat dalam sistem yang mendeskripsikan sistem
tata surya. Pertanyaannya adalah apakah sistem itu cukup stabil (dalam artian
tidak terlalu sensitif) terhadap perubahan nilai parameternya?
Jika tidak, ketika
manusia mengirimkan satelit, bisa menjadi gangguan yang terlampau besar dan
memaksa sistem tata surya bergerak menuju kondisi stabil yang baru. Dapat
terjadi orbit Bumi pindah ke orbit lain yang lebih besar dan berakibat turunnya
suhu Bumi dan kematian besar. Inilah pertanyaan yang berusaha dijawab oleh
Henri Poincare'.
Perubahan kestabilan
atau perubahan yang dramatis dalam dinamika suatu sistem akibat berubahnya
nilai parameter dalam sistem dinamakan bifurkasi. Bifurkasi tidak selalu
terkait dengan kekompleks-an. Tetapi, ada beberapa jenis bifurkasi yang
senantiasa terkait dengan bertambahnya kerumitan sistem yang pada akhirnya
mengakibatkan chaos.
Salah satunya adalah
apa yang dikenal dengan period-doubling. Yang terjadi pada bifurkasi ini adalah
sebuah gerakan periodik yang mengalami bifurkasi dan melontarkan gerakan
periodik lain yang periodenya dua kali periode semula. Kemudian masing-masing
gerakan periodik itu mengalami bifurkasi lagi yang sama dan seterusnya.
Masing-masing gerakan
periodik yang terlontar, biasanya tidak stabil. Akibatnya, pada suatu nilai
parameter tertentu ada sangat banyak gerakan periodik yang tak stabil dalam
sistem. Ketika ini terjadi, dinamika sistem sudah sangat kompleks dan chaos
terjadi.
Definisi chaos
Jadi apakah chaos itu?
Chaos bukan fraktal, tetapi chaotic attractor mungkin mempunyai struktur
fraktal. Chaos juga bukan suatu gerakan perulangan murni. Chaos juga tidak
berarti gerakan tak beraturan. Dalam gerakan chaotic, misalnya pada kupu-kupu
Lorenz (Lorenz butterfly), gerakannya berulang, tetapi secara tidak beraturan.
Seperti melempar dadu
100 kali. Berulang? Jelas. Yang keluar bisa satu, dua, tiga, empat, lima, atau
enam. Beraturan? tidak. Tetapi, sama sekali tidak beraturan juga tidak karena
angka satu keluar kira-kira sebanyak 1/6 kali banyaknya pelemparan. Peristiwa
ini dinamakan proses random (acak).
Melempar dadu
mengandung unsur ketidakpastian (atau ke-random-an). Yang ingin saya katakan
adalah dalam proses di mana tidak ada ketidakpastian pun, keluarannya bisa
tidak terprediksi, yaitu jika sistemnya chaotic.
Sistem chaotic juga
mempunyai properti khusus, yaitu bergantung secara sensitif terhadap kondisi
awal. Kesalahan yang kecil dalam waktu singkat akan tersebar di seluruh sistem.
Jadi, dua solusi yang berbeda hanya sedikit di awal akan berbeda sangat jauh
setelah beberapa saat yang relatif singkat.
Jadi, apa itu chaos?
Ternyata saya belum berani menjawab.
Sumber: Kompas (19 Juli 2003)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar