Saya baca buku ini habis baca Notes on Complexity tentang complexity theory, karena ada feeling “kayaknya bukunya bakal nyambung deh”. Dan ternyata memang benar. Buku ini ditulis Steven Strogatz berdasarkan risetnya selama puluhan tahun tentang chaos, synchronization, dan complexity theory.

Sync: How Order Emerges from Chaos in The Universe, Nature, and Daily Life

Steven Strogatz
Hyperion (2003)
338 hal

Ini buku Strogatz ketiga yang saya baca (sebelumnya adalah The Joy of X dan The Calculus of Friendship, dan sekarang saya sedang baca buku Strogatz keempat The Infinite Powers), tapi sebenarnya adalah buku matematika populernya yang pertama, ditulis tahun 2003. Sebelumnya pada tahun 1994 Strogatz sudah menulis sebuah textbook dengan topik yang sama, yaitu “Nonlinear Dynamics and Chaos, With Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering”. Buku Sync kurang lebih merupakan versi populer dari textbook tersebut (kelihatan kan, bedanya style judul textbook dan buku populer? Bisa ditiru nih buat ilmuwan yang mau bikin buku ilmiah populer)

Apa yang membuat Strogatz menulis buku versi populer? Di pengantar buku ini ia bilang alasannya adalah supaya pembaca bisa ikut membayangkan bagaimana rasanya kerja seorang ilmuwan dan peneliti. Bagaimana lika-liku mencari jalan untuk menemukan jawaban suatu pertanyaan, kadang pencarian itu buntu, kadang jawabannya terlihat samar, dan bagaimana euphoria yang dirasakan saat menemukan jawabannya, dan bagaimana evolusi keilmuan seorang mahasiswa menjadi kolega dan lalu mentor.
Menjadi ilmuwan dan peneliti itu bukan sesuatu yang membosankan dan ‘nggak kreatif’. Sebaliknya, kata Strogatz, menjadi ilmuwan butuh kreativitas, intuisi, dan imajinasi. Mungkin selama ini kita saja yang terlalu menyempitkan arti kreatif dan imajinatif menjadi hanya untuk bidang-bidang tertentu (hmmm, jadi ingat buku Paul Lockhart ya, bahwa matematika adalah seni?)

Inti dari studi tentang ‘sync’ ini adalah keteraturan yang muncul spontan dari chaos, tanpa ada ‘dirigen’ yang menyuruh mereka bergerak bersama. Misalnya suatu fenomena yang terjadi di sepanjang sebuah sungai di Malaysia, di mana setiap malam ribuan kunang-kunang berkelap-kelip secara serempak. Atau yang terjadi di dalam superkonduktor, di mana triliunan elektron bergerak serempak dan memungkinkan listrik mengalir tanpa halangan. Contoh lainnya seperti bird murmuration (ketika sekelompok besar burung terbang dan bergerak bersama membentuk pola yang berubah-ubah).

Fenomena seperti ini menjadi misteri untuk para ilmuwan. Mengapa? Karena bukankah hukum termodinamika mengatakan bahwa segala sesuatu di alam semesta ini ‘seharusnya’ bergerak menuju ketidakteraturan, menuju entropi yang lebih besar? Bahkan menurut Strogatz, kecenderungan untuk sinkronisasi adalah salah satu penggerak semesta yang paling luas cakupannya: ia ditemukan di mana-mana, mulai dari atom hingga galaksi. Tapi kok dari ketidakteraturan, chaos, ini, bisa muncul keteraturan? Mulai dari level kuantum hingga galaksi, semua struktur ini entah bagaimana kok bisa mengatur dirinya sendiri? (Kebingungan ini bisa tertangkap misalnya di buku Siddhartha Mukherjee The Song of the Cell).

Studi tentang sinkroni awalnya terpisah-pisah. Biologi, fisika, matematika, astronomi, teknik, juga sosiologi, berkutat dengan misteri sinkroni di bidangnya masing-masing. Di permukaan, fenomena-fenomena ini tampak nggak nyambung. Tapi di level lebih dalam, ternyata ada hubungannya secara prinsip. Hubungannya adalah matematika. Semua fenomena sync tadi adalah variasi perwujudan dari pola matematika yang sama, yaitu self-organization, munculnya keteraturan dari chaos secara spontan.

Meskipun awalnya ilmuwan mengamati fenomena ini dari bidang yang berbeda, lama-lama mereka menuju ke satu titik temu, dalam studi ‘coupled oscillator’ atau pasangan/rangkaian osilator (osilator: suatu benda yang bekerja mengikuti prinsip osilasi, atau gerak bolak-balik yang menuju kesetimbangan). Dua atau lebih osilator dikatakan berpasangan jika terjadi proses yang memungkinkan mereka saling mempengaruhi. Seperti kunang-kunang berkomunikasi lewat cahaya, planet saling mempengaruhi lewat gravitasi, sel-sel jantung berkomunikasi lewat aliran listrik. Alam menggunakan banyak cara untuk menghubungkan bagian-bagiannya. Dan seringkali ‘komunikasi’ ini menghasilkan sinkroni, ketika semua bagiannya bergerak sebagai satu kesatuan.

Buku ini terbagi 3 bagian besar. Bagian I (Living Sync) dan II (Discovering Sync) bercerita tentang sejarah ilmu pengetahuan menemukan dan berusaha memahami fenomena sync ini, dan bagaimana Strogatz bersama mentor dan kolega-koleganya ikut berpartisipasi dalam memecahkan misteri sync secara matematis, dan bagaimana perwujudannya di dunia nyata. Bagian I menceritakan osilator pada makhluk hidup (sel, hewan, manusia), dan bagian II tentang osilator yang bekerja pada benda mati (pendulum, planet, laser, dan elektron). Sementara bagian III (Exploring Sync) membahas tentang riset-riset sync di garda depan, yang masih terus diulik oleh para ilmuwan.

Tahun 1989 Strogatz dan koleganya Rennie Mirollo membuktikan secara matematis bahwa ribuan osilator yang bergerak secara random bisa menghasilkan sinkroni sempurna, dan dalam kondisi tertentu dipastikan akan selalu menghasilkan sinkroni. Paper berjudul “Synchronization of Pulse-Coupled Biological Oscillators” ini juga membahas contoh-contoh aplikasinya pada makhluk hidup seperti kunang-kunang yang berkelap-kelip serempak, jangkrik yang berbunyi bersamaan, sel-sel yang menyala bersama, bahkan para perempuan yang siklus menstruasinya menjadi sinkron ketika hidup berdekatan.

Setelah temuan mereka dimuat di jurnal matematika terapan, para ilmuwan dari banyak disiplin ilmu menyadari pola yang sama di bidang masing-masing. Misalnya voltase listrik pada sel otak yang naik sedikit-sedikit sehingga pada batas tertentu ‘meledak’ dalam bentuk impuls. Begitupula yang terjadi pada gempa bumi, yang dibangun dari tekanan energi dari sana sini yang naik sedikit-sedikit yang lalu ‘meledak’ tiba-tiba ketika mencapai batas tertentu. Batas ini yang disebut ‘phase transition’, batas ketika wujud A berubah jadi B. Tidak disangka studi matematika terhadap fenomena kunang-kunang, menemukan pola tersembunyi yang ternyata berlaku pada berbagai fenomena alam lainnya.

Ada yang menarik pada saat Strogatz melakukan penelitian ini. Yang pertama adalah bagaimana ia mulai tertarik mempelajari sync. Tahun 1981 Strogatz dapat beasiswa di Cambridge, tapi studinya tidak begitu menarik. Suatu hari karena bosan, dia masuk toko buku dekat kampus, dan menemukan buku “The Geometry of Biological Time” dari mathematical biologist Art Winfree. Lucunya, skripsi Strogatz juga judulnya mirip, “An Essay in Geometric Biology”. Karena pertemuan dengan buku inilah, Strogatz lalu riset sync di bawah Winfree, dan lanjut riset sendiri yang berbuah temuannya bersama Mirollo.

Yang kedua yaitu ketika Strogatz sedang mentok-mentoknya, nggak bisa memecahkan suatu aspek dari risetnya, tiba-tiba suatu malam menjelang tidur ia dapat visi, ‘weird image’, “infinitely many different frequencies, like the blend of colors in the rainbow”. Ia langsung ngambil pensil dan kertas untuk memformulasikan visi ini. “Dreamy ideas are often illusions, but this one felt right,” kata Strogatz. Dan benar, ia menemukan jalan memecahkan problem ini, yang ternyata berkaitan dengan Landau damping (suatu fenomena di fisika plasma). Lucunya, di buku Birth of A Theorem, matematikawan Prancis Cedric Villani bertahun-tahun kemudian juga mengalami visi semacam ini ketika sedang mengerjakan problem Landau damping, yang kemudian membawanya mendapatkan Fields Medal tahun 2010.

Ternyata Steven Strogatz juga mengalami mestakung, dan sync sama Villani, hehe.

Buku ini membahas sync secara detail dalam berbagai fenomena: kunang-kunang, gelombang otak, siklus tidur dan jam biologis tubuh (yang ternyata nggak selalu sama lho tiap orang), pendulum, pembangkit listrik, GPS, gerakan bulan dan planet, laser, superkonduktor, insiden berayunnya Millenium Bridge di London, komunikasi rahasia dengan chaotic waves, six-degrees of separation (small world network), dan consciousness.

Buat saya pribadi sepertinya buku ini harus dibaca ulang. Masih agak terlalu memusingkan isinya (buat saya lho ya, mungkin untuk orang matematika lebih mudah diikuti). Bukan karena Strogatz neranginnya nggak enak, tapi justru karena Strogatz sengaja nggak ngasih banyak visual, dan menjelaskan hal-hal teknis ini secara naratif. Narasinya sendiri secara bahasa dan storytelling, bagus banget. Steven Strogatz menurut saya salah satu gifted science communicator, yang sensitif dan empathic dalam berkomunikasi, kaya dalam perbendaharaan kata, sekaligus menguasai teknis.

Di bab penutup Strogatz menulis bahwa sekarang ini era yang seru sebagai ilmuwan, karena seperti sebuah era baru yang mulai terkuak. Setelah berabad-abad ilmu pengetahuan mempelajari semesta secara reduksionis, membaginya menjadi bagian-bagian kecil, sekarang saatnya ‘menyusunnya kembali menjadi keseluruhan’. Inilah era complexity theory. Dan menurut Strogatz, sync adalah salah satu kuncinya.

***

Buku-buku terkait:

Notes On Complexity (Neil Theise)
https://www.facebook.com/bookolatte/posts/pfbid0265Zyyg8KZhW1iRgET5r3NoDQsPtqQ97B4FJZ2sHnKxKrMjg2vPHxyfYYYqpr9nEdl

Birth of A Theorem (Cedric Villani)
https://www.facebook.com/bookolatte/posts/pfbid02dt24AXqzoHpkRRrSRqMFgQUbVHWfSpr7hrzaVabAwDFhbYPRYveFKxd4ohLxnqAsl

The Song of the Cell (Siddhartha Mukherjee)
https://www.facebook.com/bookolatte/posts/pfbid0249X5nW8TDdgGW3ujNjN4FsGPpt2X7678VTeoukPwS68DBnEZ1spSFnNsuAcyuqWxl

The Romance of Reality (Bobby Azarian)
https://www.facebook.com/bookolatte/posts/pfbid02LXKXULhV5yD9DywzmFnMCMaFYrM8mLwMu7wrK9CS43kMm9MgvaMFnsaPVgLyijiBl