Физики разгадывают тайну «стрелы времени»
Стрела времени, впервые упомянутая в 1928 году астрофизиком Артуром Эддингтоном, описывает течение времени из прошлого в будущее. Однако что связывает это явление с микроскопическими взаимодействиями между частицами и клетками, остается загадкой. Физики-теоретики из Центра аспирантуры Городского университета Нью-Йорка теперь предлагают новые идеи.
Время всегда течет в одном и том же направлении - и нам трудно представить себе иное. Но как все частицы и клетки, составляющие материю, порождают эту крупномасштабную динамику? Это загадка, которую физики пытаются разгадать уже несколько десятилетий. Эта "стрела времени" вызывает ряд вопросов из-за характерной для нее асимметрии: прошлое не является строгим отражением будущего, и можно действовать в отношении будущего, но не в отношении прошлого. Время — единственное физическое измерение, которое, по-видимому, характеризуется необратимостью.
Стрела времени вытекает из второго закона термодинамики (также известного как принцип Карно), согласно которому микроскопические механизмы физических систем имеют тенденцию к случайному увеличению от порядка к беспорядку (что приводит к увеличению энтропии системы). Чем более неупорядоченной становится система, тем труднее ей вернуться в исходное (упорядоченное) состояние и тем сильнее становится стрела времени. "Короче говоря, тенденция Вселенной к беспорядку является фундаментальной причиной, по которой мы обнаруживаем, что время течет только в одном направлении", — резюмируют исследователи в своем .
Откуда берется необратимость времени?
Стрела времени является чисто макроскопическим понятием и определяет то, как мы видим мир. Сцену, только что развернувшуюся перед нашими глазами, невозможно повернуть вспять, чтобы результат не казался совершенно нереальным. На атомном уровне, с другой стороны, не существует различия между прошлым и будущим: абсолютно все наблюдаемые нами явления демонстрируют на микроскопическом уровне совершенную симметрию между прошлым и будущим; другими словами, они обратимы. Но тогда откуда берется необратимость времени?
Чтобы пролить свет на теорию "стрелы времени", команда, в которую входит Кристофер Линн, постдокторант программы "Инициатива теоретических наук" в CUNY Graduate Center, попыталась ответить на два конкретных вопроса. Первый — рассмотреть конкретную систему и выяснить, можно ли количественно оценить силу ее стрелы времени. Во-вторых, необходимо было определить, как эта сила возникает на микроскопическом уровне — на уровне взаимодействия клеток и нейронов - и в конечном итоге распространяется на систему в целом.
Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи попытались разбить локальную стрелу времени, рассматривая конкретные части системы и их взаимодействие. "В системе со многими степенями свободы существует член, возникающий из необратимой динамики отдельных переменных, а затем ряд неотрицательных членов, способствующих корреляциям между парами, тройками и комбинациями переменных более высокого порядка", — пишут они в своей статье.
Говоря простым языком, "части", упомянутые здесь, могут быть, например, нейронами в сетчатке глаза (системе). В данный момент стрелу времени можно разбить на несколько элементов: те, которые производятся частями, работающими по отдельности, парами, тройками или в более сложных конфигурациях. Исходя из этого, исследователи проанализировали результаты предыдущих экспериментов по изучению реакции нейронов сетчатки глаза саламандры на просмотр различных фильмов.
Необратимость на основе парной динамики
В одном из фильмов был показан один объект, беспорядочно перемещающийся по экрану. Другой показывал более сложные сцены, обычно встречающиеся в природе. В обоих фильмах исследователи обнаружили, что стрела времени является результатом простых взаимодействий между парами нейронов (а не более сложных нейронных взаимодействий).
Они объясняют, что доказательства локальной стрелы времени накапливаются из поведения отдельных степеней свободы и их взаимодействий. Динамика более высокого порядка вносит неотрицательный вклад, увеличивая локальную необратимость. "Наши результаты — это первый шаг к пониманию того, как стрела времени, которую мы ощущаем в повседневной жизни, возникает из этих более микроскопических деталей", — отмечает команда.
Неожиданно они также обнаружили, что при наблюдении за случайным движением сетчатка глаза показывает более сильную стрелку времени (и, следовательно, более сильную необратимость), чем при наблюдении за более естественной сценой. По словам Линна, этот последний результат поднимает вопрос о том, как наше внутреннее восприятие стрелы времени согласуется с внешним миром. "Эти результаты могут представлять особый интерес для исследователей в области неврологии", — сказал он, добавив, что они могут свидетельствовать о том, что стрела времени работает по-другому в мозге нейроатипичных людей.
Несмотря на такие большие различия в силе локальной стрелы времени в ответ на разные входы, способ построения крупномасштабной необратимости из мелкомасштабной динамики является последовательным — доминирующую роль играют корреляции между парами нейронов. Это появление необратимости из парной динамики открывает путь для будущих исследований того, могут ли и как физические связи между нейронами объединяться для создания коллективной стрелы времени, заключают исследователи.