Physiker lüften das Geheimnis des Zeitpfeils

Eine neue Studie von theoretischen Physikern hat Fortschritte bei der Bestimmung gemacht, wie Partikel und Zellen die großräumige Dynamik auslösen, die wir im Laufe der Zeit erleben.

Das zentrale Merkmal unseres Erlebens der Welt ist der Zeitfluss von der Vergangenheit in die Zukunft. Es ist jedoch ein Rätsel, wie genau dieses als Zeitpfeil bekannte Phänomen aus mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Zellen entsteht. Forscher der Initiative Graduate Center for Theoretical Sciences (ITS) der City University of New York tragen zur Lösung dieses Rätsels bei, indem sie neue Forschungsergebnisse in der Zeitschrift veröffentlichen. physische Überprüfungsmeldungen. Die Ergebnisse könnten wichtige Auswirkungen auf eine Vielzahl von Disziplinen haben, darunter Physik, Neurowissenschaften und Biologie.

Der Zeitpfeil stammt im Wesentlichen aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Dies ist das Prinzip, dass die mikroskopischen Anordnungen physikalischer Systeme dazu neigen, an Zufälligkeit zuzunehmen und sich von Ordnung zu Chaos zu bewegen. Und je ungeordneter das System war, desto schwieriger war es, in einen geordneten Zustand zurückzukehren, und desto stärker wurde der Zeitpfeil. Kurz gesagt, die Tendenz des Universums zum Chaos ist der Hauptgrund dafür, dass wir den Fluss der Zeit in eine Richtung spüren.

„Die beiden Fragen, die unser Team stellte, waren: Wenn wir uns ein bestimmtes System ansehen, können wir die Stärke seines Pfeils für die Zeit bestimmen und können wir anhand der genauen Skala bestimmen, wie es aussieht und wo sich die Zellen befinden und Neuronen interagieren mit dem gesamten System?“, sagte Christopher Lane, Postdoktorand im ITS-Programm und Erstautor der Forschungsarbeit. „Unsere Erkenntnisse liefern den ersten Schritt, um zu verstehen, wie aus diesen mikroskopischen Details der Zeitpfeil entsteht, den wir im Alltag erleben.“

Um diese Fragen zu beantworten, fanden Physiker heraus, wie der Zeitpfeil zerfallen kann, indem sie bestimmte Teile des Systems und die Wechselwirkungen zwischen ihnen beobachteten. Beispielsweise können Segmente Neuronen sein, die innerhalb der Netzhaut verlaufen. In einem Moment zeigten sie, dass der Zeitpfeil in verschiedene Teile unterteilt werden kann: solche, die von Teilen produziert werden, die einzeln, paarweise, in Tripletts oder in komplexeren Konfigurationen agieren.

Ausgestattet mit dieser Methode zur Analyse des Zeitpfeils analysierten die Wissenschaftler aktuelle Experimente zur Reaktion von Neuronen in der Netzhaut des Salamanders auf verschiedene Filme. In einem Film bewegte sich ein Objekt willkürlich über den Bildschirm, während ein anderer Film die volle Komplexität von Szenen in der Natur darstellte. In beiden Filmen entdeckte das Team, dass der Zeitpfeil aus einfachen Interaktionen zwischen Neuronenpaaren entstand – nicht aus großen, komplexen Clustern. Überraschenderweise beobachteten die Forscher auch, dass die Netzhaut beim Betrachten zufälliger Bewegungen einen stärkeren Zeitpfeil zeigte als bei einer Landschaft. Lin sagte, diese neueste Entdeckung werfe Fragen darüber auf, wie unsere innere Wahrnehmung des Zeitpfeils mit der Außenwelt übereinstimmt.

„Diese Ergebnisse könnten für Neurowissenschaftler von besonderem Interesse sein“, sagte Lin. „Es könnte zum Beispiel zu Antworten darauf führen, ob der Zeitpfeil in typischen neurotischen Gehirnen anders funktioniert.“

„Chris‘ Zerlegung der lokalen Reflexion – auch als Zeitpfeil bekannt – ist ein eleganter allgemeiner Rahmen, der eine neue Perspektive für die Erforschung vieler hochdimensionaler Nichtgleichgewichtssysteme bieten kann“, sagte David Schwab, Hauptautor der Studie und Professor . Physik und Biologie am Graduiertenzentrum.

Referenz: „Local Arrow Analysis of Time in Interacting Systems“ von Christopher W. Lin, Caroline M. Holmes, William Bialik und David J. Schwab, physische Überprüfungsmeldungen.

Autoren in Reihenfolge: Christopher W. Lin, Ph.D., Postdoctoral Fellow, Graduate Center der City University of New York; Caroline M. Holmes, Doktorandin, Princeton; William Bialik, Ph.D., Professor für Physik, Graduate Center der City University of New York; und David J. Schwab, Ph.D., Professor für Physik und Biologie, Graduate Center der City University of New York

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