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微观世界时间是什么样子?科学家初步探讨

2022年8月30日7:33 未解之谜网

时间的方向性在微观世界如何体现,这是科学家希望探索的课题。(Shutterstock)

人们都知道时间从来都只有一个方向:从过去到未来。这是从宏观世界看到的效果。一些科学家想探查时间流动的方向性在微观世界中是如何展现的。

6月24日发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)的一份研究对此进行了探讨,并有了一些发现,并对物理学、神经科学及生物学有重要的意义。

人们对时间的认知,包括任何生命,总是从小长到大,从年轻到年老,这是固定不变的规律。物理学家从更基础的层面对时间进行了定义,虽然也是在描述这样的规律,但是听起来抽象得多。他们把时间的方向性叫做“时间箭头”(arrow of time),认为是热力学第二定律衍生出的规律:即任何一个物质系统随着时间的流逝,无序度总是在增加。系统的无序程度越高,越难回到其以前有序的状态,“时间箭头”就越显著。

因此物理学家总结说,“这个宇宙内物质总是朝向无序的方向发展的特性,是人们感受到时间只朝一个方向流逝的根本原因。”

这份研究的主要作者之一纽约市立大学(CUNY)理论科学研究中心的博士后研究员克里斯托弗‧林恩(Christopher Lynn)说,他们研究组从两个问题着手探讨这个领域。“如果我们考察任何一个特定的系统,我们能够量化其时间的方向性吗?我们能够找出该系统微观层面时间的方向性(比如细胞与神经元相互作用的微观系统)是如何拓展到整个系统的吗?”

林恩说:“日常生活中所感受到的时间箭头在微观世界的体现是什么样的?我们的研究为理解这个问题迈出了第一步。”

为了解答前面提出的两个问题,研究人员先探索如何通过观察系统内特定的组成区块、以及它们之间的互动分解时间箭头。这份研究所观察的特定组成区块是视网膜内的神经元细胞。他们发现,在一个特定的时间点,时间箭头可以被分解成由不同区块产生的不同的片段。这些区块有的单独工作,有的两个、三个一组,另外一些则有着更复杂的组合模式。

定义好如何分解时间箭头的概念后,研究人员对已有的一套试验数据进行分析。这项试验记录了一只火蜥蜴(salamander)视网膜细胞对不同视频的反应。一个视频展示的是一个单一的物体在屏幕上无规律的移动;另一个视频展示的是自然界里会看到的更真实复杂的景象。

研究称,“分析显示在两个视频的试验中,时间箭头都是从两个一组的神经元区块中产生,没有见到更复杂的区块结构。”

另一个发现更令研究人员感到惊讶:观看随机移动物体视频的视网膜所体现的时间的方向性更高。林恩说:“这项发现对生物体内部如何与外在世界保持一致的认知提出了挑战。神经科学领域的研究者可能会对这些发现很感兴趣。”

这份研究的另一位主要研究者、物理学和生物学教授大卫·施瓦布(David Schwab)说:“把时间箭头进行分解的理论,是一个巧妙而且具有普遍意义的理论框架,为探索很多具有多维度空间、没有达到平衡状态的系统,提供了一个创新的思路。”

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