Ученые разгадывают тайну стрелы времени

Поток времени от прошлого в будущее является одной из главных особенностей нашего восприятия мира. Но как именно это явление, известное как стрела времени, возникает в результате микроскопических взаимодействий между частицами и клетками?

Эту загадку пытаются разгадать исследователи Инициативы теоретических наук Центра подготовки выпускников CUNY (ITS). Полученные результаты могут иметь важные последствия для ряда дисциплин, включая физику, неврологию и биологию.

Свою новую работу они опубликовали в журнальчике Physical Review Letters (препринт).

По сути, стрела времени вытекает из второго закона термодинамики: принципа, согласно которому микроскопические структуры физических систем имеют тенденцию к увеличению случайности, переходя от порядка к беспорядкам. Чем неупорядоченнее становится система, тем труднее ей найти путь назад в упорядоченное состояние, и тем сильнее стрела времени. Короче говоря, тенденция Вселенной к беспорядку является фундаментальной причиной того, почему мы чувствуем, что время протекает в одном направлении.

«Перед нашей командой стояли два вопроса: если мы рассмотрим конкретную систему, сможем ли мы количественно оценить силу ее стрелы времени, и сможем ли мы понять, как она возникает от микромасштаба, где взаимодействуют клетки и нейроны, до всей системы?» – сказал Кристофер Линн, первый автор статьи и постдокторант программы ITS. «Наши результаты дают первый шаг к пониманию того, как стрела времени, которую мы ощущаем в повседневной жизни, возникает из этих микроскопических деталей».

Чтобы начать отвечать на эти вопросы, исследователи изучили, как можно разложить стрелу времени, наблюдая за конкретными частями системы и взаимодействием между ними. Частями, например, могут быть нейроны, функционирующие в сетчатке глаза. Рассматривая один момент времени, они показали, что стрела времени может быть разложена на разные части: создаваемые отдельно частями, парами, тройками или более сложными конфигурациями.

Вооружившись этим способом разложения стрелы времени, исследователи проанализировали текущие эксперименты по реакции нейронов в сетчатке глаза саламандры на разные видеозаписи. В одном фильме один объект беспорядочно перемещался по экрану, а в другом изображалась вся сложность сцен, встречающихся в природе. В обоих фильмах исследователи обнаружили, что стрела времени возникает в результате простых взаимодействий между парами нейронов, а не более сложными группами. Удивительно, но команда также заметила, что сетчатка глаза показывает более сильную стрелу времени при просмотре случайного движения, чем природная сцена. По словам Линна, этот последний вывод поднимает вопрос о том, как наше внутреннее восприятие стрелы времени согласовывается с внешним миром.

«Эти результаты могут представлять особый интерес для исследователей в области неврологии», - говорит Линн. «Они могут, в частности, привести к ответам на вопрос о том, функционирует ли стрела времени по-другому в мозге, который является нейроатипичным».

«Разложение Крисом локальной необратимости — также известной как стрела времени — является элегантной, общей схемой, которая может обеспечить новую перспективу для изучения многих высокоразмерных неравновесных систем», - отметил профессор физики и биологии в Высшем центре и руководитель исследования Дэвид Шваб.