理論物理學家的一項新研究在確定粒子和細胞如何產生大規模動態方面取得了進展，我們將其視為時間的流逝。我們如何體驗世界的一個核心特徵是時間從過去流向未來。但是，這個被稱為“時間箭頭”（Arrow of time）的現像是如何從粒子和細胞之間的微觀互動中產生的，卻是一個謎。紐約市立大學研究生中心理論科學倡議（ITS）的研究人員在《物理評論快報》雜誌上發表了一篇新的論文，正在幫助揭開這個謎團。

這些發現可能對廣泛的學科產生重要影響，包括物理學、神經科學和生物學。

從根本上說， “時間箭頭”產生於熱力學第二定律。這是物理系統的微觀排列趨向於增加隨機性的原則，從有序到無序。一個系統變得越無序，它就越難找到回到有序狀態的方法，“時間箭頭”也就越強。簡而言之，宇宙的無序傾向是我們體驗到時間朝一個方向流動的根本原因。

“我們團隊的兩個問題是，如果我們觀察一個特定的系統，我們是否能夠量化其時間箭頭的強度，以及我們是否能夠理清它是如何從細胞和神經元相互作用的微觀尺度出現在整個系統中的？”ITS項目的博士後和該論文的第一作者Christopher Lynn說。“我們的發現為理解我們在日常生活中體驗到的時間箭頭是如何從這些更微觀的細節中出現的提供了第一步。”

為了開始回答這些問題，物理學家們探索瞭如何通過觀察一個系統的特定部分和它們之間的相互作用來分解時間箭頭。例如，這些部分可以是在視網膜內運作的神經元。觀察一個單一的時刻，他們表明“時間箭頭”可以被分解成不同的部分：那些由單獨工作的部分、成對工作的部分、三合一工作的部分或更複雜的配置產生的部分。

有了這種分解“時間箭頭”的方法，科學家們分析了關於蠑螈視網膜中的神經元對不同電影的反應的現有實驗。在一部電影中，一個物體在屏幕上隨機移動，而另一部電影則描繪了自然界中的全部複雜場景。在這兩部電影中，研究小組發現，“時間箭頭”出現在成對的神經元之間的簡單互動中，而不是大型的、複雜的群體。令人驚訝的是，研究人員還觀察到，在觀看隨機運動時，視網膜顯示的“時間箭頭”比自然場景更強。Lynn說，這後一個發現提出了關於我們對“時間箭頭”的內部感知如何與外部世界保持一致的問題。

Lynn表示：“這些結果可能會引起神經科學研究人員的特別興趣。例如，它們可能會導致關於時間箭頭在神經類型的大腦中是否有不同功能的答案。”

該研究的主要研究者、研究生中心的物理學和生物學教授David Schwab說：“Chris對局部不可逆性的分解–也被稱為時間箭頭–是一個優雅、通用的框架，可能為探索許多高維、非平衡系統提供一個新視角。”