Forskere avslører mysteriet med tidens pil med viktige implikasjoner for fysikk, nevrovitenskap og biologi.
En ny studie av teoretiske fysikere har gjort fremskritt mot å identifisere hvordan partikler og celler gir opphav til storskala dynamikk som vi opplever som tidens gang.
Et sentralt trekk ved hvordan vi opplever verden er tidens flyt fra fortiden til fremtiden. Men det er et mysterium akkurat hvordan dette fenomenet, kjent som tidens pil, oppstår fra mikroskopiske interaksjoner mellom partikler og celler. Forskere ved CUNY Graduate Center Initiative for the Theoretical Sciences (ITS) hjelper til med å avdekke denne gåten med publiseringen av en ny artikkel i tidsskriftet Fysiske gjennomgangsbrev. Funnene kan ha viktige implikasjoner i et bredt spekter av disipliner, inkludert fysikk, nevrovitenskap og biologi.
I bunn og grunn kommer tidens pil ut av termodynamikkens andre lov. Dette er prinsippet om at mikroskopiske arrangementer av fysiske systemer har en tendens til å øke i tilfeldighet, og beveger seg fra orden til uorden. Jo mer uordnet et system blir, jo vanskeligere er det for det å finne tilbake til en ordnet tilstand, og jo sterkere er tidens pil. Kort sagt, universets tilbøyelighet til uorden er den grunnleggende årsaken til at vi opplever at tiden flyter i én retning.
“De to spørsmålene vårt team hadde var, hvis vi så på et bestemt system, ville vi være i stand til å kvantifisere styrken til tidens pil, og ville vi være i stand til å sortere ut hvordan det kommer ut fra mikroskalaen, hvor celler og nevroner samhandler med hele systemet?» sa Christopher Lynn, en postdoktor med ITS-programmet og avisens første forfatter. “Våre funn gir det første skrittet mot å forstå hvordan pilen av tid som vi opplever i dagliglivet kommer fra disse mer mikroskopiske detaljene.”
For å begynne å svare på disse spørsmålene, utforsket fysikerne hvordan tidens pil kunne dekomponeres ved å observere spesifikke deler av et system og interaksjonene mellom dem. For eksempel kan delene være nevronene som fungerer i netthinnen. Ved å se på et enkelt øyeblikk, viste de at tidens pil kan brytes ned i forskjellige deler: de som produseres av deler som arbeider individuelt, i par, i trillinger eller i mer kompliserte konfigurasjoner.
Bevæpnet med denne metoden for å bryte ned tidens pil, analyserte forskerne eksisterende eksperimenter på responsen til nevroner i en salamander-netthinne på forskjellige filmer. I en film beveget et enkelt objekt seg tilfeldig over skjermen mens en annen skildret hele kompleksiteten til scener som finnes i naturen. På tvers av begge filmene oppdaget teamet at tidens pil dukket opp fra de enkle interaksjonene mellom par av nevroner – ikke store, kompliserte grupper. Overraskende nok observerte forskerne også at netthinnen viste en sterkere tidspil når de så tilfeldig bevegelse enn en naturlig scene. Lynn sa at dette siste funnet reiser spørsmål om hvordan vår indre oppfatning av tidens pil blir på linje med den ytre verden.
“Disse resultatene kan være av spesiell interesse for nevrovitenskapelige forskere,” sa Lynn. “De kan for eksempel føre til svar om hvorvidt tidens pil fungerer annerledes i hjerner som er nevroatypiske.”
“Chris’ dekomponering av lokal irreversibilitet – også kjent som tidens pil – er et elegant, generelt rammeverk som kan gi et nytt perspektiv for å utforske mange høydimensjonale, ikke-likevektssystemer,” sa David Schwab, studiens hovedetterforsker og professor i fysikk og biologi ved Graduate Center.
Referanse: “Decomposing the local arrow of time in interacting systems” av Christopher W. Lynn, Caroline M. Holmes, William Bialek og David J. Schwab, Accepted, Fysiske gjennomgangsbrev.
Forfattere i rekkefølge: Christopher W. Lynn, Ph.D, postdoktor, CUNY Graduate Center; Caroline M. Holmes, Ph.D-student, Princeton; William Bialek, Ph.D, fysikkprofessor, CUNY Graduate Center; og David J. Schwab, Ph.D., professor i fysikk og biologi, CUNY Graduate Center
Finansieringskilder: National Science Foundation, National Institutes of Health, James S McDonnell Foundation, Simons Foundation og Alfred P Sloan Foundation.