นักวิทยาศาสตร์กำลังไขปริศนาของลูกศรแห่งกาลเวลา

การไหลของเวลาจากอดีตสู่อนาคตเป็นคุณลักษณะสำคัญที่ทำให้เราสัมผัสโลกได้

แต่แน่นอนว่าปรากฏการณ์นี้ ซึ่งเรียกว่าลูกศรแห่งกาลเวลา เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ระหว่างอนุภาคและเซลล์นั้นเป็นเรื่องลึกลับ ซึ่งนักวิจัยจาก CUNY Graduate Center Initiative for the Theoretical Sciences (ITS) กำลังช่วยคลี่คลายกับการตีพิมพ์ของ บทความใหม่ในวารสาร Physical Review Letters ผลการวิจัยอาจมีนัยสำคัญในหลากหลายสาขาวิชา เช่น ฟิสิกส์ ประสาทวิทยาศาสตร์ และชีววิทยา

โดยพื้นฐานแล้ว ลูกศรแห่งเวลาเกิดขึ้นจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์: หลักการที่ว่าการจัดเรียงระบบทางกายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์มีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นในการสุ่ม โดยย้ายจากลำดับไปสู่ความยุ่งเหยิง ยิ่งระบบมีระเบียบมากขึ้นเท่าไร ก็ยิ่งยากขึ้นเท่านั้นที่จะหาทางกลับคืนสู่สภาวะที่เป็นระเบียบ และลูกศรแห่งกาลเวลาก็ยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น กล่าวโดยสรุป แนวโน้มของจักรวาลที่มีต่อความไม่เป็นระเบียบเป็นเหตุผลพื้นฐานที่ทำให้เราประสบกับเวลาที่ไหลไปในทิศทางเดียว

“คำถามสองข้อที่ทีมของเรามีคือ ถ้าเราดูระบบใดระบบหนึ่ง เราจะสามารถหาจุดแข็งของลูกศรแห่งกาลเวลาได้หรือไม่ และเราจะสามารถแยกแยะว่ามันโผล่ออกมาจากไมโครสเกลได้อย่างไร โดยที่เซลล์และ เซลล์ประสาทโต้ตอบกับทั้งระบบ?” คริสโตเฟอร์ ลินน์ ผู้เขียนคนแรกของหนังสือพิมพ์และเพื่อนดุษฎีบัณฑิตในโครงการ ITS กล่าว “การค้นพบของเราเป็นก้าวแรกสู่การทำความเข้าใจว่าลูกศรแห่งเวลาที่เราพบเจอในชีวิตประจำวันนั้นเกิดจากรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้ได้อย่างไร”

เพื่อเริ่มตอบคำถามเหล่านี้ นักวิจัยได้สำรวจว่าลูกศรแห่งเวลาสามารถย่อยสลายได้อย่างไรโดยสังเกตเฉพาะส่วนต่างๆ ของระบบและปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนต่างๆ อาจเป็นเซลล์ประสาทที่ทำงานภายในเรตินา เมื่อมองดูช่วงเวลาหนึ่ง ลูกศรแห่งกาลเวลาสามารถแบ่งออกเป็นชิ้นๆ ได้: ลูกศรที่สร้างจากชิ้นส่วนที่ทำงานแยกกัน, เป็นคู่, เป็นแฝดสามหรือในรูปแบบที่ซับซ้อนมากขึ้น

นักวิจัยได้วิเคราะห์การทดลองที่มีอยู่เกี่ยวกับการตอบสนองของเซลล์ประสาทในเรตินาซาลาแมนเดอร์กับภาพยนตร์ต่างๆ ด้วยวิธีการสลายลูกศรแห่งเวลานี้ ในภาพยนตร์เรื่องหนึ่ง วัตถุชิ้นเดียวเคลื่อนที่แบบสุ่มข้ามหน้าจอ ในขณะที่อีกชิ้นหนึ่งแสดงให้เห็นถึงความซับซ้อนของฉากที่พบในธรรมชาติ ในภาพยนตร์ทั้งสองเรื่อง นักวิจัยพบว่าลูกศรแห่งกาลเวลาเกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ง่ายๆ ระหว่างเซลล์ประสาทคู่หนึ่ง ไม่ใช่กลุ่มใหญ่และซับซ้อน น่าแปลกที่ทีมงานยังสังเกตเห็นว่าเรตินาแสดงลูกศรเวลาที่แข็งแกร่งกว่าเมื่อดูการเคลื่อนไหวแบบสุ่มมากกว่าฉากธรรมชาติ ลินน์กล่าวว่าการค้นพบครั้งหลังนี้ทำให้เกิดคำถามว่าการรับรู้ภายในของเราเกี่ยวกับลูกศรแห่งเวลานั้นสอดคล้องกับโลกภายนอกอย่างไร

“ผลลัพธ์เหล่านี้อาจเป็นที่สนใจเป็นพิเศษสำหรับนักวิจัยด้านประสาทวิทยา” ลินน์กล่าว ยกตัวอย่างเช่น พวกเขาสามารถนำไปสู่คำตอบว่าลูกศรแห่งเวลาทำงานแตกต่างกันในสมองที่เกี่ยวกับระบบประสาทหรือไม่

David Schwab ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และชีววิทยาของมหาวิทยาลัยกล่าวว่า “การสลายตัวของคริสในเรื่องความไม่สามารถย้อนกลับได้ในท้องถิ่น หรือที่เรียกว่าลูกศรแห่งเวลา เป็นกรอบการทำงานทั่วไปที่สวยงาม ซึ่งอาจให้มุมมองที่แปลกใหม่สำหรับการสำรวจระบบที่มีมิติสูงและไม่สมดุลจำนวนมาก ศูนย์บัณฑิตศึกษาและผู้ตรวจสอบหลักของการศึกษา

ผู้เขียนตามลำดับ: Christopher W. Lynn, Ph.D, เพื่อนดุษฎีบัณฑิต, CUNY Graduate Center; Caroline M. Holmes นักศึกษาปริญญาเอก Princeton; William Bialek, Ph.D, ศาสตราจารย์ฟิสิกส์, CUNY Graduate Center; และ David J. Schwab, Ph.D., ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และชีววิทยา, CUNY Graduate Center

แหล่งเงินทุน: มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ, สถาบันสุขภาพแห่งชาติ, มูลนิธิ James S McDonnell, มูลนิธิ Simons และมูลนิธิ Alfred P Sloan

หน้าแรก