Wissenschaftler lüften das Geheimnis des Zeitpfeils

Der Zeitfluss von der Vergangenheit in die Zukunft ist ein zentrales Merkmal unserer Erfahrung der Welt. Aber wie genau dieses als Zeitpfeil bekannte Phänomen aus den mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Zellen entsteht, ist ein Rätsel – eines, das Forscher der CUNY Graduate Center Initiative for the Theoretical Sciences (ITS) mit der Veröffentlichung zu enträtseln helfen ein neuer Artikel in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfung. Die Ergebnisse könnten wichtige Auswirkungen auf eine Vielzahl von Disziplinen haben, darunter Physik, Neurowissenschaften und Biologie.

Grundsätzlich ergibt sich der Zeitpfeil aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: dem Prinzip, dass mikroskopische Anordnungen physikalischer Systeme dazu neigen, an Zufälligkeit zuzunehmen und sich von Ordnung zu Unordnung zu bewegen. Je ungeordneter ein System wird, desto schwieriger ist es, in einen geordneten Zustand zurückzufinden, und desto stärker ist der Zeitpfeil. Kurz gesagt, die Tendenz des Universums zur Unordnung ist der grundlegende Grund, warum wir erleben, dass Zeit in eine Richtung fließt.

„Die beiden Fragen, die unser Team hatte, waren, wenn wir uns ein bestimmtes System ansehen würden, wären wir in der Lage, die Stärke seines Zeitpfeils zu quantifizieren, und wären wir in der Lage, herauszufinden, wie es aus der Mikroskala hervorgeht, wo Zellen und Neuronen interagieren mit dem gesamten System?“ sagte Christopher Lynn, Erstautor des Papiers und Postdoktorand des ITS-Programms. „Unsere Ergebnisse liefern den ersten Schritt, um zu verstehen, wie der Zeitpfeil, den wir im täglichen Leben erleben, aus diesen mikroskopischeren Details hervorgeht.“

Um mit der Beantwortung dieser Fragen zu beginnen, untersuchten die Forscher, wie der Zeitpfeil zerlegt werden könnte, indem sie bestimmte Teile eines Systems und die Wechselwirkungen zwischen ihnen beobachteten. Die Teile könnten zum Beispiel die Neuronen sein, die innerhalb einer Netzhaut funktionieren. Anhand eines einzelnen Moments zeigten sie, dass der Zeitpfeil in verschiedene Teile zerlegt werden kann: solche, die von Teilen produziert werden, die einzeln, paarweise, in Tripletts oder in komplizierteren Konfigurationen arbeiten

Bewaffnet mit dieser Art, den Zeitpfeil zu zerlegen, analysierten die Forscher bestehende Experimente zur Reaktion von Neuronen in einer Salamander-Retina auf verschiedene Filme. In einem Film bewegte sich ein einzelnes Objekt zufällig über den Bildschirm, während ein anderer die volle Komplexität von Szenen in der Natur darstellte. In beiden Filmen fanden die Forscher heraus, dass der Zeitpfeil aus den einfachen Interaktionen zwischen Neuronenpaaren hervorging – nicht aus großen, komplizierten Gruppen. Überraschenderweise beobachtete das Team auch, dass die Netzhaut beim Betrachten zufälliger Bewegungen einen stärkeren Zeitpfeil zeigte als eine natürliche Szene. Lynn sagte, dass dieser letzte Befund Fragen darüber aufwirft, wie unsere interne Wahrnehmung des Zeitpfeils mit der Außenwelt in Einklang gebracht wird.

„Diese Ergebnisse könnten für Neurowissenschaftler von besonderem Interesse sein“, sagte Lynn. „Sie könnten zum Beispiel zu Antworten darauf führen, ob der Zeitpfeil in neuroatypischen Gehirnen anders funktioniert.“

„Chris‘ Zerlegung der lokalen Irreversibilität – auch als Zeitpfeil bekannt – ist ein eleganter, allgemeiner Rahmen, der eine neue Perspektive für die Erforschung vieler hochdimensionaler Nichtgleichgewichtssysteme bieten könnte“, sagte David Schwab, Professor für Physik und Biologie an dem Graduiertenzentrum und dem Studienleiter.