De stroom van tijd van het verleden naar de toekomst is een centraal kenmerk van hoe we de wereld ervaren. Maar precies hoe dit fenomeen, bekend als de pijl van de tijd, ontstaat uit de microscopische interacties tussen deeltjes en cellen is een mysterie - een mysterie dat onderzoekers van het CUNY Graduate Center Initiative for the Theoretical Sciences (ITS) helpen ontrafelen met de publicatie van een nieuw artikel in het tijdschrift Physical Review Letters . De bevindingen kunnen belangrijke implicaties hebben in verschillende disciplines, waaronder natuurkunde, neurowetenschappen en biologie.

Fundamenteel komt de pijl van de tijd voort uit de tweede wet van de thermodynamica:het principe dat microscopische rangschikkingen van fysieke systemen de neiging hebben om in willekeur toe te nemen, van orde naar wanorde. Hoe meer wanordelijk een systeem wordt, hoe moeilijker het voor het is om zijn weg terug te vinden naar een geordende staat, en hoe sterker de pijl van de tijd. Kortom, de neiging van het universum tot wanorde is de fundamentele reden waarom we ervaren dat de tijd in één richting stroomt.

"De twee vragen die ons team had, waren:als we naar een bepaald systeem zouden kijken, zouden we dan in staat zijn om de kracht van de pijl van de tijd te kwantificeren, en zouden we in staat zijn om uit te zoeken hoe het uit de microschaal tevoorschijn komt, waar cellen en neuronen interageren, met het hele systeem?" zei Christopher Lynn, de eerste auteur van de krant en een postdoctoraal onderzoeker bij het ITS-programma. "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 meer microscopische details."

Om deze vragen te beantwoorden, onderzochten de onderzoekers hoe de pijl van de tijd kon worden ontleed door specifieke delen van een systeem en de interacties daartussen te observeren. De onderdelen kunnen bijvoorbeeld de neuronen zijn die in een netvlies functioneren. Door naar één enkel moment te kijken, toonden ze aan dat de pijl van de tijd in verschillende stukken kan worden opgesplitst:die geproduceerd door delen die afzonderlijk, in paren, in drietallen of in meer gecompliceerde configuraties werken.

Gewapend met deze manier om de pijl van de tijd te ontbinden, analyseerden de onderzoekers bestaande experimenten over de reactie van neuronen in een salamander-netvlies op verschillende films. In de ene film bewoog een enkel object willekeurig over het scherm, terwijl een andere de volledige complexiteit van scènes in de natuur uitbeeldde. In beide films ontdekten onderzoekers dat de pijl van de tijd voortkwam uit de eenvoudige interacties tussen paren neuronen - geen grote, gecompliceerde groepen. Verrassend genoeg merkte het team ook op dat het netvlies een sterkere tijdpijl vertoonde bij het kijken naar willekeurige bewegingen dan een natuurlijke scène. Lynn zei dat deze laatste bevinding vragen oproept over hoe onze interne perceptie van de pijl van de tijd wordt uitgelijnd met de externe wereld.

"Deze resultaten kunnen van bijzonder belang zijn voor neurowetenschappelijke onderzoekers," zei Lynn. "Ze kunnen bijvoorbeeld leiden tot antwoorden over de vraag of de pijl van de tijd anders functioneert in hersenen die neuroatypisch zijn."

"Chris' ontleding van lokale onomkeerbaarheid - ook bekend als de pijl van de tijd - is een elegant, algemeen raamwerk dat een nieuw perspectief kan bieden voor het verkennen van veel hoogdimensionale, niet-evenwichtssystemen", zegt David Schwab, een professor in natuurkunde en biologie aan het Graduate Center en de hoofdonderzoeker van het onderzoek. + Verder verkennen

Karakterisering van de 'pijl van de tijd' in open kwantumsystemen