26 ноември 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Как се заражда в частиците и клетките "стрелата на времето" (видео)

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 30 август 2022 в 00:01 40030

Стрелата на времето описва преминаването на времето от миналото към бъдещето. Какво обаче свързва този феномен с микроскопичните взаимодействия между частици и клетки?

Ново проучване постигна напредък в определянето на това как частиците и клетките пораждат широкомащабната динамика, която преживяваме като течение на времето.

Констатациите на теоретичните физици от Центъра за следдипломна квалификация CUNY (ITS) на Градския университет в Ню Йорк в наскоро публикувана статия в списание Physical Review Letter могат да имат важни последици за редица дисциплини, включително физика, невронауки и биология.

Времето винаги тече в една и съща посока – и ни е трудно да си представим друго. Но как всички частици и клетки, които изграждат материята, пораждат тази широкомащабна динамика?

Това е загадка, която физиците се опитват да разрешат от десетилетия и повдига редица въпроси заради характерната си асиметрия: миналото не е строго отражение на бъдещето и човек може да действа спрямо бъдещето, но не и спрямо миналото.

Ако в пространството можем да се движим навсякъде, във всяка посока, то във времето се движим само в една посока - от миналото към бъдещето.

Времето е единственото физическо измерение, което изглежда се характеризира с необратимост. Тази невъзможност за връщане назад във времето се нарича "стрела на времето", концепция, разработена през 1927 г. от британския физик Артър Едингтън (Arthur Eddington).

Стрелата на времето произтича от втория закон на термодинамиката, според който микроскопичните механизми на физическите системи са склонни произволно да се развиват от ред към безпорядък, което води до увеличаване на ентропията на системата.

Колкото по-неподредена става системата, толкова по-трудно й е да се върне в първоначалното си подредено състояние и толкова по-силна става стрелата на времето.

„Накратко, тенденцията на Вселената към безпорядък е основната причина, поради която откриваме, че времето тече само в една посока“, заключават в изявление на института изследователите.

Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain

Откъде идва необратимостта на времето?

Стрелата на времето е чисто макроскопично понятие и определя начина, по който виждаме света. Сцената, която току-що се е разиграла пред очите ни, не може да бъде върната назад, без резултатът да изглежда напълно нереален. От друга страна, на атомно ниво няма разлика между минало и бъдеще - абсолютно всички явления, които наблюдаваме, показват на микроскопично ниво съвършена симетрия между минало и бъдеще. С други думи, те са обратими.

Но откъде тогава идва необратимостта на времето?

За да хвърли известна светлина върху теорията за "стрелата на времето", екипът на ITS се опитва да отговори на два конкретни въпроса.

"Двата въпроса, които си задаваше нашият екип, бяха: ако разгледаме дадена система, ще можем ли да определим количествено силата на нейната стрела на времето и ще можем ли да разберем как тя се появява от микромащаба, където клетките и невроните си взаимодействат, до цялата система?", казва Кристофър Лин (Christopher Lynn), постдокторант в програмата ITS и водещ автор на статията. "Нашите открития осигуряват първата стъпка към разбирането на това как стрелата на времето, която усещаме в ежедневието, възниква от тези по-микроскопични детайли."

За да започнат да отговарят на тези въпроси, физиците изследват как стрелата на времето може да бъде разложена, наблюдавайки конкретни части на една система и взаимодействията между тях. Например частите могат да бъдат невроните, които функционират в ретината.

"В система с много степени на свобода съществува член, произтичащ от необратимата динамика на отделните променливи, и след това поредица от неотрицателни членове, допринасящи за корелациите между двойки, тройки и комбинации от променливи от по-висок ред", пишат те в своята статия.

Казано по-просто, в даден момент стрелата на времето може да бъде разделена на няколко елемента: такива, които се произвеждат от части, работещи поотделно, по двойки, по тройки или в по-сложни конфигурации.

Какво е степен на свобода

Под степени на свобода на едно тяло се разбира броя на параметрите, които еднозначно определят положението му в пространството.

Например, ако едно тяло може да се движи само по една линия, без да се завърта, положението му се определя само от един параметър, който определя разстоянието до началната точка.

Положението на тяло в пространството се определя еднозначно от шест параметъра: трите координати на една точка XA, YA и ZA. и трите ъгъла: α , β и γ. Преместването се представя от три транслации u , v и w и три ротации α , β и γ

Степента на свобода на система тела е равна на сумата от степените на свобода на всички тела в системата, намалена с броя на степените на свобода, които отнемат връзките между телата от системата.

Съгласно определението на понятието степен на свобода, ако една система от тела е неподвижна по отношение на околните тела, то нейните степени на свобода са нула.

Необратимост, основана на динамиката на двойки. Декомпозицията на Крис

Въоръжени с този метод за разлагане на стрелата на времето, учените анализират съществуващи експерименти върху реакцията на невроните в ретината на саламандър при гледане на различни филми.

В единия от филмите единичен обект се движи произволно по екрана, а в другия са изобразени по-сложни сцени, които обикновено се срещат в природата.

И в двата филма екипът открива, че стрелата на времето се появява в резултат на прости взаимодействия между двойки неврони, а не на големи и сложни групи. 

Авторите обясняват, че доказателствата за локалната стрела на времето се натрупват от поведението на отделните степени на свобода и техните взаимодействия. Динамиката от по-висок порядък има неотрицателен принос, като увеличава локалната необратимост.

Изследователите изследват текущи експерименти за реакцията на невроните в ретината на саламандър към различни филми. Кредит: Wikimedia Commons/Nephron

Изненадващо, изследователите също така наблюдават, че ретината показва по-силна стрела на времето (и следователно по-силна необратимост) при гледане на произволното движение на единичен обект, отколкото на сложната природна сцена.

Лин отбеляза, че последното откритие повдига въпроси за това как вътрешното ни възприятие на стрелката на времето се съгласува с външния свят.

"Тези резултати могат да представляват особен интерес за изследователите в областта на неврологията", коментира Лин. "Те биха могли например да доведат до отговори на въпроса дали стрелата на времето функционира по различен начин в мозъците, които са невроатипични."

Въпреки толкова големите разлики в силата на локалната стрела на времето в отговор на различните входящи данни, начинът, по който широкомащабната необратимост се изгражда от дребномащабната динамика, е последователен - корелациите между двойки неврони играят доминираща роля.

Тази поява на необратимост от динамиката на двойките проправя пътя за бъдещи изследвания дали и как физическите връзки между невроните могат да се комбинират, за да създадат колективна стрела на времето, заключават изследователите.

"Декомпозицията на Крис на локалната необратимост - известна също като стрела на времето - е елегантна, обща рамка, която може да предостави нова перспектива за изследване на много високоразмерни, неравновесни системи", посочва Дейвид Шваб (David Schwab), главен изследовател на изследването и професор по физика и биология в Центъра за следдипломна квалификация.

Справка: “Decomposing the local arrow of time in interacting systems” by Christopher W. Lynn, Caroline M. Holmes, William Bialek and David J. Schwab, Accepted, Physical Review Letters. https://journals.aps.org/prl/accepted/0a072Y8eD6a1068ee05096a8ee4316350b055c80c 

Източник: Scientists are unravelling the mystery of the arrow of time, CUNY Graduate Center

Предлагаме ви лекцията "Декомпозиране на локалната стрела на времето във взаимодействащи системи", изнесена от Кристофър Лин на Семинара по стохастична термодинамика WOST III:

Свързана информация за загадката на стрелата на времето може да намерите във видеоклипа на Questn в YouTube по-долу:


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.