物理學家正在揭開「時間箭頭」的奧祕

【2022年08月31日訊】(記者高文森編譯報導)人們都知道時間從來都只有一個方向:從過去到未來。物理學家最近的一項在確定粒子和細胞如何產生大規模動態方面的新研究取得了進展,正在揭開被稱為「時間箭頭」的這個謎團。

從過去到未來的時間流,這種被稱為 「時間箭頭」(Arrow of time)的現象究竟是如何從粒子和細胞之間的微觀相互作用中產生的,卻一個迷。

6月24日發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)的一份研究對此進行了探討,並有了一些發現,這可能對包括物理學、神經科學和生物學在內的廣泛學科產生重要影響。

人們對時間的認知,包括任何生命,總是從小長到大,從年輕到年老,這是固定不變的規律。物理學家從更基礎的層面對時間進行了定義,雖然也是在描述這樣的規律,但是聽起來抽象得多。他們把時間的方向性叫做「時間箭頭」(arrow of time),認為是熱力學第二定律衍生出的規律:即任何一個物質系統隨著時間的流逝,無序度總是在增加。系統的無序程度越高,越難回到其以前有序的狀態,「時間箭頭」就越顯著。

因此物理學家總結說,「這個宇宙內物質總是朝向無序的方向發展的特性,是人們感受到時間只朝一個方向流逝的根本原因。」

這份研究的主要作者之一紐約市立大學(CUNY)理論科學研究中心的博士後研究員克里斯托弗‧林恩(Christopher Lynn)說,他們研究組從兩個問題著手探討這個領域。「如果我們考察任何一個特定的系統,我們能夠量化其時間的方向性嗎?我們能夠找出該系統微觀層面時間的方向性(比如細胞與神經元相互作用的微觀系統)是如何拓展到整個系統的嗎?」

林恩說:「日常生活中所感受到的時間箭頭在微觀世界的體現是什麼樣的?我們的研究為理解這個問題邁出了第一步。」

為了解答前面提出的兩個問題,研究人員先探索如何通過觀察系統內特定的組成區塊、以及它們之間的互動分解時間箭頭。這份研究所觀察的特定組成區塊是視網膜內的神經元細胞。他們發現,在一個特定的時間點,時間箭頭可以被分解成由不同區塊產生的不同的片段。這些區塊有的單獨工作,有的兩個、三個一組,另外一些則有著更複雜的組合模式。

定義好如何分解時間箭頭的概念後,研究人員對已有的一套試驗數據進行分析。這項試驗記錄了一隻火蜥蜴(salamander)視網膜細胞對不同視頻的反應。一個視頻展示的是一個單一的物體在屏幕上無規律的移動;另一個視頻展示的是自然界裡會看到的更真實複雜的景象。

研究稱,「分析顯示在兩個視頻的試驗中,時間箭頭都是從兩個一組的神經元區塊中產生,沒有見到更複雜的區塊結構。」

另一個發現更令研究人員感到驚訝:觀看隨機移動物體視頻的視網膜所體現的時間的方向性更高。林恩說:「這項發現對生物體內部如何與外在世界保持一致的認知提出了挑戰。神經科學領域的研究者可能會對這些發現很感興趣。」

這份研究的另一位主要研究者、物理學和生物學教授大衛·施瓦布(David Schwab)說:「把時間箭頭進行分解的理論,是一個巧妙而且具有普遍意義的理論框架,為探索很多具有多維度空間、沒有達到平衡狀態的系統,提供了一個創新的思路。」◇

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