פיזיקאים פותרים את תעלומת חץ הזמן

מדענים פותרים את תעלומת חץ הזמן עם השלכות חשובות על הפיזיקה, מדעי המוח והביולוגיה.

מחקר חדש של פיזיקאים תיאורטיים התקדם לקראת זיהוי האופן שבו חלקיקים ותאים יוצרים דינמיקה בקנה מידה גדול שאנו חווים כחלוף הזמן.

מאפיין מרכזי של האופן בו אנו חווים את העולם הוא זרימת הזמן מהעבר לעתיד. אבל זו תעלומה בדיוק כיצד התופעה הזו, המכונה חץ הזמן, נובעת מהאינטראקציות המיקרוסקופיות בין חלקיקים ותאים. חוקרים ביוזמת CUNY Graduate Center for the Theoretical Sciences (ITS) עוזרים לפענח את החידה הזו עם פרסום מאמר חדש בכתב העת מכתבי סקירה פיזית. לממצאים עשויים להיות השלכות חשובות במגוון רחב של דיסציפלינות, כולל פיזיקה, מדעי המוח וביולוגיה.

ביסודו של דבר, חץ הזמן עולה מהחוק השני של התרמודינמיקה. זהו העיקרון שמסדרים מיקרוסקופיים של מערכות פיזיקליות נוטים לעלות באקראיות, לעבור מסדר לאי-סדר. ככל שמערכת הופכת לא מסודרת יותר, כך קשה לה יותר למצוא את דרכה חזרה למצב מסודר, וחץ הזמן חזק יותר. בקיצור, נטיית היקום לאי-סדר היא הסיבה הבסיסית לכך שאנו חווים את הזמן זורם בכיוון אחד.

“שתי השאלות שהיו לצוות שלנו היו, אם נסתכל על מערכת מסוימת, האם נוכל לכמת את עוצמת חץ הזמן שלה, והאם נוכל לברר כיצד הוא יוצא מסולם המיקרו, שבו תאים ו נוירונים מקיימים אינטראקציה, לכל המערכת?” אמר כריסטופר לין, פוסט דוקטורנט בתוכנית ITS והמחבר הראשון של העיתון. “הממצאים שלנו מספקים את הצעד הראשון לקראת הבנת האופן שבו חץ הזמן שאנו חווים בחיי היומיום עולה מתוך הפרטים המיקרוסקופיים יותר הללו.”

כדי להתחיל לענות על שאלות אלו, בדקו הפיזיקאים כיצד ניתן לפרק את חץ הזמן על ידי התבוננות בחלקים ספציפיים של מערכת ובאינטראקציות ביניהם. לדוגמה, החלקים יכולים להיות הנוירונים שמתפקדים בתוך רשתית. בהסתכלות על רגע אחד, הם הראו שניתן לפרק את חץ הזמן לפיסות שונות: אלה המיוצרים על ידי חלקים שעובדים בנפרד, בזוגות, בשלישיות או בתצורות מסובכות יותר.

חמושים בשיטה זו של פירוק חץ הזמן, המדענים ניתחו ניסויים קיימים על תגובת הנוירונים ברשתית הסלמנדרה לסרטים שונים. בסרט אחד חפץ בודד נע באקראי על פני המסך בעוד סרט אחר הציג את המורכבות המלאה של סצינות שנמצאות בטבע. על פני שני הסרטים, הצוות גילה שחץ הזמן צץ מאינטראקציות פשוטות בין זוגות של נוירונים – לא קבוצות גדולות ומסובכות. באופן מפתיע, החוקרים גם הבחינו שהרשתית הראתה חץ זמן חזק יותר בעת צפייה בתנועה אקראית מאשר בסצנה טבעית. לין אמרה שהממצא האחרון הזה מעלה שאלות לגבי האופן שבו התפיסה הפנימית שלנו של חץ הזמן מתיישרת עם העולם החיצוני.

“תוצאות אלו עשויות לעניין במיוחד חוקרי מדעי המוח,” אמרה לין. “הם יכולים, למשל, להוביל לתשובות לגבי האם חץ הזמן מתפקד בצורה שונה במוחות שהם נוירו-אוטיפיים.”

“פירוק הבלתי הפיך המקומי של כריס – המכונה גם חץ הזמן – הוא מסגרת כללית אלגנטית שעשויה לספק פרספקטיבה חדשה לחקר מערכות רבות של מימדים גבוהים ללא שיווי משקל”, אמר דיוויד שוואב, החוקר הראשי של המחקר ופרופסור. לפיזיקה וביולוגיה במרכז לתארים מתקדמים.

התייחסות: “פירוק חץ הזמן המקומי במערכות מתקשרות” מאת כריסטופר וו. לין, קרוליין מ. הולמס, וויליאם ביאלק ודיוויד ג’יי שוואב, מקובל, מכתבי סקירה פיזית.

מחברים לפי הסדר: כריסטופר וו. לין, Ph.D, עמית פוסט-דוקטורט, CUNY Graduate Center; קרוליין מ. הולמס, דוקטורנטית, פרינסטון; ויליאם ביאלק, Ph.D, פרופסור לפיזיקה, מרכז CUNY לתואר שני; ו-David J. Schwab, Ph.D., פרופסור לפיזיקה וביולוגיה, CUNY Graduate Center

מקורות מימון: National Science Foundation, National Institutes of Health, James S McDonnell Foundation, Simons Foundation ו-Alfred P Sloan Foundation.

Leave a Comment