Los físicos están desentrañando el misterio de la flecha del tiempo

Un nuevo estudio realizado por físicos teóricos ha logrado avances para descubrir cómo las partículas y las células crean la dinámica a gran escala que experimentamos con el tiempo.

Un aspecto central de cómo experimentamos el mundo es el flujo del tiempo del pasado al futuro. Pero cómo este fenómeno, conocido como la flecha del tiempo, surge de las interacciones microscópicas entre partículas y células es un misterio. Los investigadores de la Iniciativa del Centro de Graduados de CUNY para Ciencias Teóricas (ITS) están ayudando a desentrañar este rompecabezas mediante la publicación de un nuevo artículo en la revista. Cartas de revisión física. Los hallazgos podrían tener implicaciones importantes en una variedad de campos, incluida la física, la neurociencia y la biología.

Básicamente, la flecha del tiempo surge de la segunda ley de la termodinámica. Este es el principio por el cual los arreglos microscópicos de los sistemas físicos aumentan en aleatoriedad y pasan del orden al desorden. Cuanto más desordenado se vuelve un sistema, más difícil es encontrar un camino de regreso a un estado ordenado y más fuerte es la flecha del tiempo. En resumen, la tendencia del universo hacia el desorden es la razón fundamental por la que experimentamos que el tiempo fluye en una dirección.

«Las dos preguntas que tenía nuestro grupo eran, si observamos un sistema en particular, ¿podemos cuantificar la fuerza de su flecha del tiempo y determinar cómo se desarrolla a escala celular y microescala? ¿Las neuronas se comunican con todo el sistema? ?» dijo Christopher Lin, becario postdoctoral del programa ITS y primer autor del artículo. «Nuestros hallazgos brindan un primer paso hacia la comprensión de cómo la flecha del tiempo que experimentamos en la vida cotidiana emerge de estos detalles microscópicos».

Para comenzar a responder a estas preguntas, los físicos han investigado cómo se puede deformar la flecha del tiempo al observar partes específicas de un sistema y las interacciones entre ellas. Por ejemplo, las regiones pueden ser neuronas que actúan dentro de la retina. Mirando un momento, demostraron que la flecha del tiempo se puede dividir en diferentes piezas: se producen trabajando las piezas individualmente, en parejas, en trillizos o en estructuras más complejas.

Armados con este método de distorsionar la flecha del tiempo, los científicos examinaron los experimentos existentes sobre la respuesta de las neuronas en la retina de la salamandra a varias películas. En una película, un objeto se movía aleatoriamente por la pantalla, mientras que en otra representaba toda la complejidad de las escenas que se encuentran en la naturaleza. En ambas películas, el equipo descubrió que la flecha del tiempo surgió de conexiones simples entre pares de neuronas, no de grupos grandes y complejos. Sorprendentemente, los investigadores también observaron que la retina mostraba una flecha de tiempo más fuerte al ver un movimiento aleatorio que al ver una escena natural. Este último hallazgo plantea preguntas sobre cómo nuestra percepción interna de la flecha del tiempo está conectada con el mundo externo, dijo Lin.

«Estos resultados pueden ser de particular interés para los neurocientíficos», dijo Lin. «Podrían conducir a respuestas sobre, por ejemplo, si la flecha del tiempo funciona de manera diferente en el cerebro neural».

«La decadencia de la irreversibilidad local, también conocida como la flecha del tiempo, es un marco general elegante que puede proporcionar una nueva perspectiva para explorar muchos sistemas de no equilibrio de alta dimensión», dijo David Schwab, investigador principal y profesor del estudio. . Física y Biología en el Graduate Center.

Nota: Christopher W. LynnCarolyn M. Holmes, William Bialek y David J. «Descomposición de flecha local del tiempo en sistemas que interactúan», adoptado por Schwab et al. Cartas de revisión física.

Autores en sucesión: Christopher W. Lin, PhD, becaria postdoctoral, Centro de Graduados de CUNY; carolina m Holmes, estudiante de doctorado, Princeton; William Bialek, Ph.D, Profesor de Física, Centro de Graduados de CUNY; y david j. Schwab, Ph.D., Profesor de Física y Biología, Centro de Graduados de CUNY

Fuentes de financiación: Fundación Nacional de Ciencias, Institutos Nacionales de Salud, Fundación James S. McDonnell, Fundación Simons y Fundación Alfred B. Sloan.