Một nghiên cứu mới của các nhà vật lý lý thuyết đã đạt được tiến bộ trong việc xác định cách các hạt và tế bào kích hoạt các động lực học quy mô lớn mà chúng ta trải qua theo thời gian.

Đặc điểm trung tâm của cách chúng ta trải nghiệm thế giới là dòng thời gian từ quá khứ đến tương lai. Nhưng nó là một bí ẩn chính xác làm thế nào hiện tượng này, được gọi là mũi tên của thời gian, phát sinh từ các tương tác vi mô giữa các hạt và tế bào. Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Lý thuyết (ITS) thuộc Đại học Thành phố New York đang giúp giải câu đố này bằng cách công bố nghiên cứu mới trên tạp chí. tin nhắn đánh giá vật lý. Những phát hiện có thể có ý nghĩa quan trọng đối với một loạt các ngành, bao gồm vật lý, khoa học thần kinh và sinh học.

Về cơ bản, mũi tên thời gian bắt nguồn từ định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Đây là nguyên lý mà sự sắp xếp vi mô của các hệ thống vật chất có xu hướng gia tăng tính ngẫu nhiên, chuyển từ trật tự sang hỗn loạn. Và hệ thống càng rối loạn thì việc trở lại trạng thái trật tự càng khó và mũi tên thời gian càng trở nên mạnh mẽ hơn. Tóm lại, xu hướng hỗn loạn của vũ trụ là lý do chính khiến chúng ta cảm thấy thời gian trôi theo một hướng.

“Hai câu hỏi mà nhóm của chúng tôi đặt ra là, nếu chúng tôi xem xét một hệ thống cụ thể, liệu chúng tôi có thể xác định độ mạnh của mũi tên của nó theo thời gian hay không và liệu chúng tôi có thể xác định nó xuất hiện như thế nào từ tỷ lệ chính xác và vị trí của các ô và các tế bào thần kinh tương tác với toàn bộ hệ thống? ”Christopher Lane, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ, trong chương trình ITS và là tác giả đầu tiên của bài báo nghiên cứu cho biết. “Phát hiện của chúng tôi cung cấp bước đầu tiên để hiểu cách mũi tên thời gian mà chúng ta trải qua trong cuộc sống hàng ngày xuất hiện từ những chi tiết siêu nhỏ này.”

Để bắt đầu trả lời những câu hỏi này, các nhà vật lý đã khám phá ra cách mũi tên thời gian có thể phân rã bằng cách quan sát một số bộ phận của hệ thống và sự tương tác giữa chúng. Ví dụ, các phân đoạn có thể là các tế bào thần kinh chạy trong võng mạc. Nhìn vào một khoảnh khắc, họ đã chỉ ra rằng mũi tên thời gian có thể được chia thành các phần khác nhau: những phần được tạo ra bởi các bộ phận hoạt động riêng lẻ, theo cặp, bộ ba hoặc trong các cấu hình phức tạp hơn.

Được trang bị phương pháp phân tích mũi tên thời gian này, các nhà khoa học đã phân tích các thí nghiệm hiện tại về phản ứng của tế bào thần kinh trong võng mạc của kỳ giông với các bộ phim khác nhau. Trong một bộ phim, một vật thể di chuyển ngẫu nhiên trên màn hình trong khi một bộ phim khác mô tả toàn bộ sự phức tạp của các cảnh được tìm thấy trong tự nhiên. Trên cả hai bộ phim, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng mũi tên thời gian xuất hiện từ những tương tác đơn giản giữa các cặp tế bào thần kinh – những cụm không lớn, phức tạp. Đáng ngạc nhiên, các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy võng mạc hiển thị mũi tên thời gian mạnh hơn khi xem chuyển động ngẫu nhiên so với phong cảnh. Lin cho biết khám phá mới nhất này đặt ra câu hỏi về cách nhận thức bên trong của chúng ta về mũi tên thời gian tương ứng với thế giới bên ngoài.

Lin nói: “Những phát hiện này có thể được các nhà nghiên cứu khoa học thần kinh đặc biệt quan tâm. “Ví dụ, nó có thể dẫn đến câu trả lời về việc liệu mũi tên thời gian có hoạt động khác nhau trong các bộ não thần kinh điển hình hay không.”

David Schwab, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Sự phân hủy phản xạ cục bộ của Chris – còn được gọi là mũi tên của thời gian – là một khuôn khổ chung tao nhã có thể cung cấp một cái nhìn mới để khám phá nhiều hệ thống chiều cao không cân bằng”, David Schwab, tác giả chính của nghiên cứu và là giáo sư. . Vật lý và Sinh học tại Trung tâm Sau đại học.

Tham khảo: “Phân tích mũi tên cục bộ về thời gian trong các hệ thống tương tác” của Christopher W. Lin, Carolyn M. Holmes, William Bialik và David J. Schwab, tin nhắn đánh giá vật lý.

Các tác giả theo thứ tự: Christopher W. Lin, Tiến sĩ, Nghiên cứu sinh Sau Tiến sĩ, Trung tâm Sau đại học Đại học Thành phố New York; Carolyn M. Holmes, nghiên cứu sinh, Princeton; William Bialik, Tiến sĩ, Giáo sư Vật lý, Trung tâm Sau đại học Đại học Thành phố New York; và David J. Schwab, Tiến sĩ, Giáo sư Vật lý và Sinh học, Trung tâm Sau đại học Đại học Thành phố New York

Nguồn tài trợ: Quỹ Khoa học Quốc gia, Viện Y tế Quốc gia, Quỹ James S McDonnell, Quỹ Simons, Quỹ Alfred P Sloan.