Потік часу від минулого до майбутнього є однією з головних особливостей нашого сприйняття світу. Але як саме це явище, відоме як стріла часу, виникає внаслідок мікроскопічних взаємодій між частинками та клітинами?

Цю загадку намагаються розгадати дослідники з Ініціативи теоретичних наук Центру підготовки випускників CUNY (ITS). Отримані результати можуть мати важливі наслідки для цілого ряду дисциплін, включаючи фізику, неврологію та біологію.

Свою нову роботу вони опублікували в журналі Physical Review Letters (препринтhttps://arxiv.org/abs/2112.14721v1).

По суті, стріла часу випливає з другого закону термодинаміки: принципу, згідно з яким мікроскопічні структури фізичних систем мають тенденцію до збільшення випадковості, переходячи від порядку до безладдя. Чим невпорядкованішою стає система, тим важче їй знайти шлях назад до впорядкованого стану, і тим сильніша стріла часу. Коротше кажучи, тенденція Всесвіту до безладдя є фундаментальною причиною того, чому ми відчуваємо, що час протікає в одному напрямку.

“Перед нашою командою стояли два питання: якщо ми розглянемо конкретну систему, чи зможемо ми кількісно оцінити силу її стріли часу, і чи зможемо ми зрозуміти, як вона виникає від мікромасштабу, де взаємодіють клітини та нейрони, до всієї системи?” - сказав Крістофер Лінн, перший автор статті та постдокторант програми ITS. “Наші результати дають перший крок до розуміння того, як стріла часу, яку ми відчуваємо у повсякденному житті, виникає з цих мікроскопічніших деталей”.

Щоб почати відповідати на ці питання, дослідники вивчили, як можна розкласти стрілу часу, спостерігаючи за конкретними частинами системи та взаємодією між ними. Частинами, наприклад, можуть бути нейрони, що функціонують у сітківці ока. Розглядаючи один момент часу, вони показали, що стріла часу може бути розкладена на різні частини: ті, що створюються частинами, що працюють окремо, парами, трійками чи складнішими конфігураціями.

Озброївшись цим способом розкладання стріли часу, дослідники проаналізували поточні експерименти з реакції нейронів у сітківці ока саламандри на різні відеозаписи. В одному фільмі один об'єкт безладно переміщався екраном, а в іншому зображалася вся складність сцен, що зустрічаються в природі. В обох фільмах дослідники виявили, що стріла часу виникає в результаті простих взаємодій між парами нейронів, а не більшими складними групами. Дивно, але команда також помітила, що сітківка ока показує сильнішу стрілу часу під час перегляду випадкового руху, ніж природної сцени. За словами Лінна, цей останній висновок порушує питання про те, як наше внутрішнє сприйняття стріли часу узгоджується із зовнішнім світом.

“Ці результати можуть становити особливий інтерес для дослідників у галузі неврології”, - говорить Лінн. “Вони можуть, зокрема, привести до відповідей на питання про те, чи функціонує стріла часу по-іншому в мозку, який є нейроатиповим”.

“Розкладання Крісом локальної незворотності — також відомої як стріла часу — є елегантною, загальною схемою, яка може забезпечити нову перспективу для вивчення багатьох високорозмірних нерівноважних систем”, - зазначив професор фізики та біології у Вищому центрі та очільник дослідження Девід Шваб.