I fisici stanno svelando il mistero della freccia del tempo

Un nuovo studio condotto da fisici teorici ha compiuto progressi nell'identificare come le particelle e le cellule diano origine a dinamiche su larga scala che sperimentiamo come il passare del tempo

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Una caratteristica centrale di come viviamo il mondo è il flusso del tempo dal passato al futuro. Ma è proprio un mistero come questo fenomeno, noto come freccia del tempo, nasca dalle interazioni microscopiche tra particelle e cellule. I ricercatori del CUNY Graduate Center Initiative for the Theoretical Sciences (ITS) stanno aiutando a svelare questo enigma con la pubblicazione di un nuovo articolo sulla rivista Physical Review Letters. I risultati potrebbero avere importanti implicazioni in un’ampia gamma di discipline, tra cui fisica, neuroscienze e biologia.

Fondamentalmente, la freccia del tempo emerge dalla seconda legge della termodinamica. Questo è il principio per cui le disposizioni microscopiche dei sistemi fisici tendono ad aumentare nella casualità, passando dall’ordine al disordine. Più un sistema diventa disordinato, più è difficile per esso ritrovare la via del ritorno a uno stato ordinato e più forte è la freccia del tempo. In breve, la propensione dell’universo al disordine è la ragione fondamentale per cui sperimentiamo il tempo che scorre in una direzione.

Le due domande che il nostro team si è posto erano, se avessimo guardato un particolare sistema, saremmo stati in grado di quantificare la forza della sua freccia del tempo e saremmo stati in grado di capire come emerge dalla micro scala, dove cellule e i neuroni interagiscono, con l’intero sistema?” ha detto Christopher Lynn, un borsista post-dottorato con il programma ITS e primo autore del paper. “I nostri risultati forniscono il primo passo verso la comprensione di come la freccia del tempo che sperimentiamo nella vita quotidiana emerga da questi dettagli più microscopici“.

Per iniziare a rispondere a queste domande, i fisici hanno esplorato come la freccia del tempo potrebbe essere scomposta osservando parti specifiche di un sistema e le interazioni tra di esse. Ad esempio, le parti potrebbero essere i neuroni che funzionano all’interno di una retina. Guardando un singolo momento, hanno mostrato che la freccia del tempo può essere scomposta in diversi pezzi: quelli prodotti da parti che lavorano singolarmente, in coppia, in terzine o in configurazioni più complicate.

Armati di questo metodo per scomporre la freccia del tempo, gli scienziati hanno analizzato gli esperimenti esistenti sulla risposta dei neuroni in una retina di salamandra a diversi film. In un film un singolo oggetto si muoveva in modo casuale sullo schermo, mentre un altro ritraeva l’intera complessità delle scene che si trovano in natura. In entrambi i film, il team ha scoperto che la freccia del tempo è emersa dalle semplici interazioni tra coppie di neuroni, non gruppi grandi e complicati.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno anche osservato che la retina mostrava una freccia del tempo più forte quando si osservava un movimento casuale rispetto a una scena naturale. Lynn ha affermato che quest’ultima scoperta solleva interrogativi su come la nostra percezione interna della freccia del tempo si allinea con il mondo esterno.

Questi risultati potrebbero essere di particolare interesse per i ricercatori di neuroscienze“, ha affermato Lynn. “Potrebbero, ad esempio, portare a risposte sul fatto che la freccia del tempo funzioni in modo diverso nei cervelli neuroatipici“.

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La scomposizione di Chris dell’irreversibilità locale, nota anche come la freccia del tempo, è un quadro generale elegante che può fornire una nuova prospettiva per esplorare molti sistemi di non equilibrio ad alta dimensione“, ha affermato David Schwab, ricercatore principale dello studio e professore di Fisica e Biologia presso il Centro di Laurea.

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Riferimento: “Decomposing the local arrow of time in interacting systems” di Christopher W. Lynn, Caroline M. Holmes, William Bialek e David J. Schwab, Accepted, Physical Review Letters.

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