Les scientifiques sont en train de percer le mystère de la flèche du temps avec des implications importantes pour la physique, les neurosciences et la biologie.
Une nouvelle étude menée par des physiciens théoriciens a permis d’identifier comment les particules et les cellules donnent lieu à une dynamique à grande échelle que nous ressentons comme le passage du temps.
L’écoulement du temps entre le passé et le futur est une caractéristique centrale de notre expérience du monde. Mais c’est un mystère de savoir comment ce phénomène, connu sous le nom de flèche du temps, résulte des interactions microscopiques entre les particules et les cellules. Les chercheurs de la CUNY Graduate Center Initiative for the Theoretical Sciences (ITS) aident à résoudre cette énigme avec la publication d’un nouvel article dans la revue Lettres d’examen physique. Les résultats pourraient avoir des implications importantes dans un large éventail de disciplines, y compris la physique, les neurosciences et la biologie.
Fondamentalement, la flèche du temps émerge de la deuxième loi de la thermodynamique. C’est le principe selon lequel les arrangements microscopiques des systèmes physiques ont tendance à augmenter de manière aléatoire, passant de l’ordre au désordre. Plus un système devient désordonné, plus il lui est difficile de retrouver son chemin vers un état ordonné, et plus la flèche du temps est forte. En bref, la propension de l’univers au désordre est la raison fondamentale pour laquelle nous faisons l’expérience que le temps s’écoule dans une seule direction.
“Les deux questions que notre équipe se posait étaient les suivantes : si nous examinions un système particulier, serions-nous capables de quantifier la force de sa flèche du temps, et serions-nous capables de déterminer comment il émerge de la micro-échelle, où les cellules et les neurones interagissent, à tout le système ? a déclaré Christopher Lynn, boursier postdoctoral du programme ITS et premier auteur de l’article. “Nos découvertes constituent la première étape pour comprendre comment la flèche du temps que nous vivons dans la vie quotidienne émerge de ces détails plus microscopiques.”
Pour commencer à répondre à ces questions, les physiciens ont exploré comment la flèche du temps pouvait être décomposée en observant des parties spécifiques d’un système et les interactions entre elles. Par exemple, les parties pourraient être les neurones qui fonctionnent dans une rétine. En regardant un seul instant, ils ont montré que la flèche du temps peut être décomposée en différents morceaux : ceux produits par des pièces travaillant individuellement, par paires, par triplets, ou dans des configurations plus compliquées.
Armés de cette méthode de décomposition de la flèche du temps, les scientifiques ont analysé les expériences existantes sur la réponse des neurones d’une rétine de salamandre à différents films. Dans un film, un seul objet se déplaçait au hasard sur l’écran tandis qu’un autre décrivait toute la complexité des scènes trouvées dans la nature. Dans les deux films, l’équipe a découvert que la flèche du temps émergeait des interactions simples entre des paires de neurones, et non de grands groupes compliqués. Étonnamment, les chercheurs ont également observé que la rétine montrait une flèche temporelle plus forte lors de l’observation d’un mouvement aléatoire qu’une scène naturelle. Lynn a déclaré que cette dernière découverte soulève des questions sur la façon dont notre perception interne de la flèche du temps s’aligne sur le monde extérieur.
“Ces résultats peuvent être d’un intérêt particulier pour les chercheurs en neurosciences”, a déclaré Lynn. “Ils pourraient, par exemple, conduire à des réponses sur la question de savoir si la flèche du temps fonctionne différemment dans les cerveaux neuroatypiques.”
“La décomposition de Chris de l’irréversibilité locale – également connue sous le nom de flèche du temps – est un cadre général élégant qui peut fournir une nouvelle perspective pour explorer de nombreux systèmes hors équilibre de grande dimension”, a déclaré David Schwab, chercheur principal de l’étude et professeur. de physique et de biologie au Graduate Center.
Référence : “Décomposition de la flèche locale du temps dans les systèmes en interaction” par Christopher W. Lynn, Caroline M. Holmes, William Bialek et David J. Schwab, accepté, Lettres d’examen physique.
Auteurs dans l’ordre : Christopher W. Lynn, Ph.D, boursier postdoctoral, CUNY Graduate Center ; Caroline M. Holmes, étudiante au doctorat, Princeton ; William Bialek, Ph.D, professeur de physique, CUNY Graduate Center; et David J. Schwab, Ph.D., professeur de physique et de biologie, CUNY Graduate Center
Sources de financement : National Science Foundation, National Institutes of Health, James S McDonnell Foundation, Simons Foundation et Alfred P Sloan Foundation.
