Fisikawan memecahkan misteri panah waktu

Sebuah studi baru oleh fisikawan teoretis telah membuat kemajuan dalam mengidentifikasi bagaimana partikel dan sel memunculkan dinamika skala besar yang kita alami dari waktu ke waktu.

Fitur utama dari bagaimana kita mengalami dunia adalah aliran waktu dari masa lalu ke masa depan. Namun, merupakan misteri bagaimana tepatnya fenomena yang dikenal sebagai panah waktu ini muncul dari interaksi mikroskopis antara partikel dan sel. Para peneliti di CUNY Graduate Center Initiative for the Theoretical Sciences (ITS) membantu memecahkan misteri ini dengan menerbitkan artikel baru di jurnal Surat Verifikasi Fisik. Temuan ini dapat memiliki implikasi penting untuk berbagai disiplin ilmu, termasuk fisika, ilmu saraf, dan biologi.

Pada dasarnya, panah waktu dihasilkan dari hukum kedua termodinamika. Ini adalah prinsip bahwa pengaturan mikroskopis sistem fisik cenderung meningkat dalam keacakan, bergerak dari keteraturan ke ketidakteraturan. Semakin tidak teratur suatu sistem, semakin sulit untuk kembali ke keadaan teratur, dan semakin kuat panah waktu. Singkatnya, kecenderungan alam semesta untuk tidak teratur adalah alasan mendasar kita mengalami waktu yang mengalir dalam satu arah.

“Dua pertanyaan yang diajukan tim kami adalah: jika kami melihat sistem tertentu, dapatkah kami mengukur kekuatan panah waktu dan dapatkah kami mengetahui bagaimana ia muncul dari skala mikro di mana sel dan neuron berinteraksi dengan seluruh sistem?” kata Christopher Lynn, peneliti pascadoktoral di program ITS dan penulis pertama karya tersebut. “Hasil kami memberikan langkah pertama dalam memahami bagaimana panah waktu yang kita alami dalam kehidupan sehari-hari muncul dari detail yang lebih mikroskopis ini.”

Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, fisikawan mempelajari bagaimana panah waktu dapat dibedah dengan mengamati bagian-bagian tertentu dari suatu sistem dan interaksi di antara mereka. Misalnya, bagian-bagian itu bisa berupa neuron yang berfungsi di dalam retina. Dengan menggunakan satu momen, mereka menunjukkan bahwa panah waktu dapat dipecah menjadi bagian-bagian yang berbeda: yang dihasilkan oleh bagian-bagian yang bekerja secara individual, berpasangan, dalam rangkap tiga, atau dalam konfigurasi yang lebih rumit.

Berbekal metode penguraian panah waktu ini, para ilmuwan menganalisis eksperimen yang ada tentang respons neuron di retina salamander terhadap film yang berbeda. Dalam satu film, satu objek bergerak secara acak melintasi layar sementara yang lain menggambarkan kompleksitas penuh adegan di alam. Dalam kedua film tersebut, tim menemukan bahwa panah waktu muncul dari interaksi sederhana antara pasangan neuron – bukan dari kelompok besar dan rumit. Anehnya, para peneliti juga mengamati bahwa ketika melihat gerakan acak, retina menunjukkan panah waktu yang lebih kuat daripada pemandangan alam. Lynn mengatakan bahwa temuan terakhir ini menimbulkan pertanyaan tentang bagaimana persepsi internal kita tentang panah waktu selaras dengan dunia luar.

“Hasil ini bisa menjadi perhatian khusus bagi ahli saraf,” kata Lynn. “Mereka bisa, misalnya, mengarah pada jawaban apakah panah waktu bekerja secara berbeda di otak neuroatipikal.”

“Dekomposisi Chris tentang ireversibilitas lokal – juga dikenal sebagai panah waktu – adalah kerangka umum yang elegan yang dapat memberikan perspektif baru untuk mempelajari banyak sistem non-kesetimbangan dimensi tinggi,” kata David Schwab, peneliti utama dan profesor. dari studi fisika dan biologi di pusat pascasarjana.

Referensi: “Decomposing the Local Arrow of Time into Interacting Systems” oleh Christopher W. Lynn, Caroline M. Holmes, William Bialek, dan David J. Schwab Diterima, Surat Verifikasi Fisik.

Urutan Penulis: Christopher W. Lynn, Ph.D, Postdoctoral Fellow, CUNY Graduate Center; Caroline M. Holmes, mahasiswa pascasarjana, Princeton; William Bialek, Ph.D, Profesor Fisika, Pusat Pascasarjana CUNY; dan David J. Schwab, Ph.D., Profesor Fisika dan Biologi, Pusat Pascasarjana CUNY

Sumber Pendanaan: National Science Foundation, National Institutes of Health, James S. McDonnell Foundation, Simons Foundation, dan Alfred P. Sloan Foundation.