Natuurkundigen onthullen het mysterie van de pijl van de tijd

Een nieuwe studie door theoretische natuurkundigen heeft vooruitgang geboekt bij het bepalen hoe deeltjes en cellen de grootschalige dynamiek veroorzaken die we in de loop van de tijd ervaren.

Het centrale kenmerk van hoe we de wereld ervaren, is de stroom van tijd van het verleden naar de toekomst. Maar het is een raadsel hoe dit fenomeen, bekend als de pijl van de tijd, ontstaat door microscopische interacties tussen deeltjes en cellen. Onderzoekers van het Graduate Center for Theoretical Sciences (ITS)-initiatief van de City University of New York helpen deze puzzel op te lossen door nieuw onderzoek in het tijdschrift te publiceren. fysieke beoordelingsberichten. De bevindingen kunnen belangrijke implicaties hebben voor een breed scala aan disciplines, waaronder natuurkunde, neurowetenschappen en biologie.

In wezen komt de pijl van de tijd voort uit de tweede wet van de thermodynamica. Dit is het principe dat de microscopische rangschikkingen van fysieke systemen de neiging hebben om in willekeur toe te nemen, van orde naar chaos. En hoe meer wanordelijk het systeem was, hoe moeilijker het was om terug te keren naar een ordelijke staat, en hoe sterker de pijl van de tijd werd. Kortom, de neiging van het universum naar chaos is de voornaamste reden waarom we de tijd in één richting voelen stromen.

“De twee vragen die ons team stelde, waren: als we naar een bepaald systeem kijken, zullen we in staat zijn om de sterkte van zijn pijl voor de tijd te bepalen, en zullen we in staat zijn om te bepalen hoe het eruit ziet op de exacte schaal en waar de cellen en neuronen interageren met het hele systeem?”, zegt Christopher Lane, postdoctoraal fellow in het ITS-programma en eerste auteur van het onderzoekspaper. “Onze bevindingen bieden de eerste stap om te begrijpen hoe de pijl van de tijd die we in het dagelijks leven ervaren, voortkomt uit deze microscopische details.”

Om deze vragen te beantwoorden, hebben natuurkundigen ontdekt hoe de pijl van de tijd kan vervallen door bepaalde delen van het systeem en de interacties daartussen te observeren. Segmenten kunnen bijvoorbeeld neuronen zijn die in het netvlies lopen. Als ze naar één moment keken, lieten ze zien dat de pijl van de tijd in verschillende delen kan worden verdeeld: die worden geproduceerd door delen die afzonderlijk, in paren, in drietallen of in meer complexe configuraties werken.

Gewapend met deze methode om de pijl van de tijd te analyseren, analyseerden de wetenschappers huidige experimenten over de reactie van neuronen in het netvlies van de salamander op verschillende films. In één film bewoog één object willekeurig over het scherm, terwijl een andere film de volledige complexiteit van scènes in de natuur weergaf. In beide films ontdekte het team dat de pijl van de tijd voortkwam uit eenvoudige interacties tussen paren neuronen – geen grote, complexe clusters. Verrassend genoeg zagen de onderzoekers ook dat het netvlies een sterkere tijdspijl vertoonde bij het bekijken van willekeurige bewegingen in vergelijking met een landschap. Lin zei dat deze laatste ontdekking vragen oproept over hoe onze interne perceptie van de pijl van de tijd overeenkomt met de buitenwereld.

“Deze bevindingen kunnen van bijzonder belang zijn voor neurowetenschappelijke onderzoekers,” zei Lin. “Het zou bijvoorbeeld kunnen leiden tot antwoorden over de vraag of de pijl van de tijd anders werkt in typische neurotische hersenen.”

“Chris’ ontleding van lokale reflectie – ook bekend als de pijl van de tijd – is een elegant algemeen raamwerk dat een nieuw perspectief kan bieden voor het verkennen van veel niet-evenwichtige hoogdimensionale systemen”, zegt David Schwab, hoofdauteur van het onderzoek en professor . Natuurkunde en Biologie aan het Graduate Center.

Referentie: “Local Arrow Analysis of Time in Interacting Systems” door Christopher W. Lin, Carolyn M. Holmes, William Bialik en David J. Schwab, fysieke beoordelingsberichten.

Auteurs in volgorde: Christopher W. Lin, Ph.D., postdoctoraal onderzoeker, City University of New York Graduate Center; Carolyn M. Holmes, promovendus, Princeton; William Bialik, Ph.D., hoogleraar natuurkunde, City University of New York Graduate Center; en David J. Schwab, Ph.D., hoogleraar natuurkunde en biologie, City University of New York Graduate Center

Financieringsbronnen: National Science Foundation, National Institutes of Health, James S McDonnell Foundation, Simons Foundation, Alfred P Sloan Foundation.