Новое исследование физиков-теоретиков из CUNY Graduate Center позволило добиться прогресса в определении того, как частицы и клетки вызывают крупномасштабную динамику, которую мы наблюдаем с течением времени.
Течение времени от прошлого к будущему 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, остается загадкой, которую исследователи из Инициативы теоретических наук Центра CUNY Graduate Center (ITS) помогают разгадать, опубликовав новую работу в журнале Physical Review Letters. Полученные результаты могут иметь важные последствия для различных дисциплин, включая физику, неврологию и биологию.
По сути, стрела времени вытекает из второго закона термодинамики: принципа, согласно которому микроскопические структуры физических систем имеют тенденцию становиться все более хаотичными, переходя от порядка к беспорядку. Чем более неупорядоченной становится система, тем труднее ей найти путь обратно к упорядоченному состоянию, и тем сильнее стрела времени. Короче говоря, тенденция Вселенной к беспорядку является фундаментальной причиной того, что мы чувствуем, что время течет в одном направлении.
“У нашей команды было два вопроса: если мы посмотрим на конкретную систему, можем ли мы количественно определить силу ее стрелы времени, и можем ли мы выяснить, как она возникает из микромасштаба, где взаимодействуют клетки и нейроны, во всей системе, — рассказывает Кристофер Линн, первый автор статьи и аспирант программы ITS. – Наши результаты дают первый шаг к пониманию того, как стрела времени, с которой мы сталкиваемся в повседневной жизни, возникает из этих микроскопических деталей”.
Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи изучили, как можно разложить стрелу времени, наблюдая за конкретными частями системы и взаимодействиями между ними. Частями, например, могут быть нейроны, функционирующие в сетчатке глаза. Рассматривая одну точку, они показали, что “стрела времени” может быть разложена на различные части: те, которые производятся частями, работающими по отдельности, в парах, тройках или в более сложных конфигурациях.
Вооружившись этим способом разложения “стрелы времени”, исследователи проанализировали существующие эксперименты по реакции нейронов сетчатки саламандры на различные фильмы. В одном фильме один объект произвольно 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 большими сложными группами.
Команда также заметила, что при наблюдении случайного движения сетчатка глаза показывала более сильную стрелу времени, чем при наблюдении естественной сцены. По словам Линна, это последнее открытие поднимает вопрос о том, как наше внутреннее восприятие стрелы времени согласуется с внешним миром.
“Эти результаты могут представлять особый интерес для исследователей в области неврологии. Они могут, например, привести к ответу на вопрос о том, функционирует ли стрела времени по-другому в нейротипичном мозге”, — отметили исследователи.
