理论物理学家的一项新研究在确定粒子和细胞如何产生大规模动态方面取得了进展，我们将其视为时间的流逝。我们如何体验世界的一个核心特征是时间从过去流向未来。但是，这个被称为 “时间箭头”（Arrow of time）的现象是如何从粒子和细胞之间的微观互动中产生的，却是一个谜。纽约市立大学研究生中心理论科学倡议（ITS）的研究人员在《物理评论快报》杂志上发表了一篇新的论文，正在帮助揭开这个谜团。
这些发现可能对广泛的学科产生重要影响，包括物理学、神经科学和生物学。
从根本上说， “时间箭头”产生于热力学第二定律。这是物理系统的微观排列趋向于增加随机性的原则，从有序到无序。一个系统变得越无序，它就越难找到回到有序状态的方法，“时间箭头”也就越强。简而言之，宇宙的无序倾向是我们体验到时间朝一个方向流动的根本原因。
“我们团队的两个问题是，如果我们观察一个特定的系统，我们是否能够量化其时间箭头的强度，以及我们是否能够理清它是如何从细胞和神经元相互作用的微观尺度出现在整个系统中的？”ITS项目的博士后和该论文的第一作者 Christopher Lynn说。“我们的发现为理解我们在日常生活中体验到的时间箭头是如何从这些更微观的细节中出现的提供了第一步。”
为了开始回答这些问题，物理学家们探索了如何通过观察一个系统的特定部分和它们之间的相互作用来分解时间箭头。例如，这些部分可以是在视网膜内运作的神经元。观察一个单一的时刻，他们表明“时间箭头”可以被分解成不同的部分：那些由单独工作的部分、成对工作的部分、三合一工作的部分或更复杂的配置产生的部分。
有了这种分解“时间箭头”的方法，科学家们分析了关于蝾螈视网膜中的神经元对不同电影的反应的现有实验。在一部电影中，一个物体在屏幕上随机移动，而另一部电影则描绘了自然界中的全部复杂场景。在这两部电影中，研究小组发现，“时间箭头”出现在成对的神经元之间的简单互动中，而不是大型的、复杂的群体。令人惊讶的是，研究人员还观察到，在观看随机运动时，视网膜显示的“时间箭头”比自然场景更强。Lynn说，这后一个发现提出了关于我们对“时间箭头”的内部感知如何与外部世界保持一致的问题。
Lynn表示：“这些结果可能会引起神经科学研究人员的特别兴趣。例如，它们可能会导致关于时间箭头在神经类型的大脑中是否有不同功能的答案。”
该研究的主要研究者、研究生中心的物理学和生物学教授David Schwab说：“Chris对局部不可逆性的分解–也被称为时间箭头–是一个优雅、通用的框架，可能为探索许多高维、非平衡系统提供一个新视角。”
