Des physiciens révèlent le mystère de la flèche du temps

Une nouvelle étude menée par des physiciens théoriciens a fait des progrès pour déterminer comment les particules et les cellules déclenchent la dynamique à grande échelle que nous vivons au fil du temps.

La caractéristique centrale de notre expérience du monde est le passage du temps du passé vers le futur. Mais c’est un mystère de savoir exactement comment ce phénomène, connu sous le nom de flèche du temps, découle d’interactions microscopiques entre les particules et les cellules. Des chercheurs de l’initiative Graduate Center for Theoretical Sciences (ITS) de la City University of New York aident à résoudre ce mystère en publiant de nouvelles recherches dans la revue. messages d’examen physique. Les résultats pourraient avoir des implications importantes pour un large éventail de disciplines, y compris la physique, les neurosciences et la biologie.

Essentiellement, la flèche du temps découle de la deuxième loi de la thermodynamique. C’est le principe selon lequel les agencements microscopiques des systèmes physiques ont tendance à devenir aléatoires, passant de l’ordre au chaos. Et plus le système était désordonné, plus il était difficile de revenir à un état ordonné, et plus la flèche du temps devenait forte. En bref, la tendance de l’univers vers le chaos est la principale raison pour laquelle nous sentons le temps s’écouler dans une direction.

« Les deux questions que notre équipe a posées étaient les suivantes : si nous examinons un système particulier, serons-nous en mesure de déterminer la force de sa flèche dans le temps, et serons-nous en mesure de déterminer comment il apparaît à l’échelle exacte et où les cellules et les neurones interagissent avec l’ensemble du système ? » a déclaré Christopher Lane, boursier postdoctoral du programme ITS et premier auteur de l’article de recherche. « Nos découvertes constituent la première étape pour comprendre comment la flèche du temps que nous vivons dans la vie quotidienne émerge de ces détails microscopiques. »

Pour commencer à répondre à ces questions, les physiciens ont compris comment la flèche du temps peut se désintégrer en observant certaines parties du système et les interactions entre elles. Par exemple, les segments peuvent être des neurones qui s’exécutent dans la rétine. En regardant un moment, ils ont montré que la flèche du temps peut être divisée en différentes parties : celles produites par des parties qui agissent individuellement, par paires, par triplets, ou dans des configurations plus complexes.

Armés de cette méthode d’analyse de la flèche du temps, les scientifiques ont analysé les expériences en cours sur la réponse des neurones de la rétine de la salamandre à différents films. Dans un film, un objet se déplaçait au hasard sur l’écran tandis qu’un autre film décrivait toute la complexité des scènes trouvées dans la nature. Dans les deux films, l’équipe a découvert que la flèche du temps résultait d’interactions simples entre des paires de neurones – et non de grands clusters complexes. Étonnamment, les chercheurs ont également observé que la rétine montrait une flèche temporelle plus forte lors de la visualisation d’un mouvement aléatoire par rapport à un paysage. Lin a déclaré que cette dernière découverte soulève des questions sur la façon dont notre perception interne de la flèche du temps correspond au monde extérieur.

« Ces découvertes peuvent être d’un intérêt particulier pour les chercheurs en neurosciences », a déclaré Lin. « Cela pourrait, par exemple, conduire à des réponses quant à savoir si la flèche du temps fonctionne différemment dans les cerveaux névrotiques typiques. »

« La décomposition de Chris de la réflexion locale – également connue sous le nom de flèche du temps – est un cadre général élégant qui peut fournir une nouvelle perspective pour explorer de nombreux systèmes de haute dimension hors équilibre », a déclaré David Schwab, auteur principal de l’étude et professeur. . Physique et Biologie au Graduate Center.

Référence : « Local Arrow Analysis of Time in Interacting Systems » par Christopher W. Lin, Caroline M. Holmes, William Bialik et David J. Schwab, messages d’examen physique.

Auteurs dans l’ordre : Christopher W. Lin, Ph.D., chercheur postdoctoral, City University of New York Graduate Center ; Caroline M. Holmes, doctorante, Princeton ; William Bialik, Ph.D., professeur de physique, City University of New York Graduate Center; et David J. Schwab, Ph.D., professeur de physique et de biologie, City University of New York Graduate Center

Sources de financement : National Science Foundation, National Institutes of Health, James S McDonnell Foundation, Simons Foundation, Alfred P Sloan Foundation.