Ученые разгадали загадку “стрелы времени”

Когда в нашем мире происходят события, люди воспринимают их как линейную последовательность, для которой мы придумали понятия прошлого, настоящего и будущего, что обобщает одно из самых загадочных понятий во всей физике: время.

Мы склонны считать само собой разумеющимся, что время – это обычная часть нашей повседневной жизни. Мы можем определить время суток, например, или найти время, чтобы выпить кофе с другом. Тем не менее, несмотря на наше знакомство с ним, нам все еще трудно объяснить, что же такое время на самом деле.

В своей эпохальной книге “Краткая история времени” покойный физик Стивен Хокинг задал фундаментальный вопрос о человеческом восприятии того, что мы называем временем: почему мы можем помнить прошлое, но не будущее? Другими словами, что порождает наше восприятие линейного хода времени, которое идет только в одном направлении?

Представление о существовании своего рода “стрелы времени”, как назвал ее Хокинг, на самом деле состоит из трех компонентов. Первая – это то, что Хокинг определяет как психологическое время. Оно связано с человеческим восприятием времени и нашей способностью воспринимать настоящее и вспоминать прошлое. Второй компонент – энтропийное время, которое имеет дело с универсальным стремлением природных состояний к хаосу (вспомните пример с упавшим на пол яйцом, которое может легко разбиться, но которое нам будет крайне трудно собрать заново). Третий компонент включает космологическое время, которое связано с расширением Вселенной в ее нынешнем инфляционном состоянии и, согласно некоторым моделям, снова перейдет в дефляционное состояние, в котором события во времени, как мы его воспринимаем, могут даже пойти в обратном порядке.

Теперь новое исследование группы физиков может пролить дополнительный свет на затянувшуюся загадку “стрелы времени”. В нем рассматриваются различные способы, которыми клетки и частицы могут быть источником различных явлений, порождающих человеческое понятие времени.

Опираясь в основном на понятие Хокинга об энтропийном времени и тенденции к неупорядоченным состояниям в природе, исследование, проведенное учеными из Инициативы теоретических наук Центра CUNY Graduate Center (ITS), рассмотрело способы, которыми “стрела времени” возникает из микроскопических процессов, происходящих на микроскопическом уровне.

Кристофер Линн, постдокторант программы ITS и ведущий автор исследования, говорит, что он и его команда начали с пары фундаментальных вопросов: будет ли сила “стрелы времени” измерима в рамках любой данной системы, и смогут ли они обнаружить точку ее возникновения, начиная с микромасштаба, “где взаимодействуют клетки и нейроны, и заканчивая всей системой?”.

стрелы времени

По словам Линна, именно это и удалось сделать его команде, сначала изучив, как “стрела времени” может быть “разложена” с помощью уникального процесса разбиения наблюдений на различные отдельные части системы и изучения взаимодействий, происходящих между ними.

По словам исследовательской группы, они смогли наблюдать различные отдельные части “стрелы времени” в течение одного момента, которые состояли из частей, работающих либо по отдельности, парами или тройками, либо гораздо более сложными способами с несколькими наборами взаимодействий.

В своем экспериментальном исследовании ученые наблюдали за работой нейронов в сетчатке глаза саламандры. В частности, они обратились к более ранним работам, в которых изучалась реакция нейронов на различные виды фильмов – от одиночных объектов, движущихся по экрану, до сложных сцен природы.

Основываясь на таких наблюдениях, команда обнаружила, что стрела времени, по-видимому, возникает из-за относительно простых взаимодействий, происходящих между парами нейронов, а не из-за сложных систем, включающих большее их количество. Наиболее интригующим для исследователей было то, что их наблюдения показали, что “стрела времени” была наиболее значительной в ответ на случайное движение объектов в природе.

Линн и его команда считают, что значение этого наблюдения указывает на новые вопросы о том, как наше индивидуальное внутреннее восприятие хода времени соотносится с событиями в окружающем нас мире, и этот элемент может представлять большой интерес для нейронауки.

Линн говорит, что такие наблюдения могут “привести к ответам на вопрос о том, функционирует ли “стрела времени” по-другому в нейроатипичном мозгу”.

Дэвид Шваб, профессор физики и биологии в ITS Graduate Center и главный исследователь исследования, сказал, что исследование Линна и его команды по “разложению локальной необратимости – также известной как “стрела времени” – представляет собой элегантную структуру, которая может открыть новую перспективу для изучения многих высокоразмерных неравновесных систем”.

“Наши результаты – это первый шаг к пониманию того, как “стрела времени”, которую мы наблюдаем в повседневной жизни, возникает из этих микроскопических деталей”, – заключил Линн в своем заявлении.

Читайте также: Наш “здравый” взгляд на время может быть ложным