Científicos desvelan el misterio de la flecha del tiempo

Un nuevo estudio de físicos teóricos del Centro de Postgrado de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY) ha avanzado en la identificación de cómo las partículas y las células dan lugar a la dinámica a gran escala que experimentamos como el paso del tiempo.

El flujo del tiempo del pasado al futuro es una característica central de nuestra experiencia del mundo. Pero el modo en que este fenómeno, conocido como la flecha del tiempo, surge de las interacciones microscópicas entre partículas y células es un misterio que los investigadores de la Iniciativa para las Ciencias Teóricas del Centro de Postgrado de la CUNY (ITS) están ayudando a desentrañar con la publicación de un nuevo artículo en la revista Physical Review Letters. Los resultados podrían tener importantes implicaciones en diversas disciplinas, como la física, la neurociencia y la biología.

Fundamentalmente, la flecha del tiempo surge de la segunda ley de la termodinámica: el principio de que las disposiciones microscópicas de los sistemas físicos tienden a aumentar su aleatoriedad, pasando del orden al desorden. Cuanto más desordenado se vuelve un sistema, más difícil le resulta encontrar el camino de vuelta a un estado ordenado, y más fuerte es la flecha del tiempo. En resumen, la tendencia del universo al desorden es la razón fundamental por la que experimentamos que el tiempo fluye en una dirección.

Las dos preguntas que se planteaba nuestro equipo eran: si observamos un sistema concreto, ¿seremos capaces de cuantificar la fuerza de su flecha del tiempo, y seremos capaces de ordenar cómo surge desde la microescala, donde interactúan las células y las neuronas, hasta el sistema completo?, afirma Christopher Lynn, primer autor del artículo. Nuestros descubrimientos proporcionan el primer paso hacia la comprensión de cómo la flecha del tiempo que experimentamos en la vida diaria emerge de estos detalles más microscópicos.

Para empezar a responder a estas preguntas, los investigadores exploraron cómo la flecha del tiempo podía descomponerse observando partes específicas de un sistema y las interacciones entre ellas. Las partes, por ejemplo, podrían ser las neuronas que funcionan dentro de una retina. Observando un solo momento, demostraron que la flecha del tiempo puede descomponerse en diferentes trozos: los producidos por las partes que trabajan individualmente, en parejas, en tríos o en configuraciones más complicadas

Armados con esta forma de descomponer la flecha del tiempo, los investigadores analizaron los experimentos existentes sobre la respuesta de las neuronas de la retina de una salamandra a diferentes películas. En una de las películas, un único objeto se movía aleatoriamente por la pantalla, mientras que en otra se retrataba toda la complejidad de las escenas que se encuentran en la naturaleza. En ambas películas, los investigadores descubrieron que la flecha del tiempo surgía de las interacciones simples entre pares de neuronas, no de grupos grandes y complicados. Sorprendentemente, el equipo también observó que la retina mostraba una flecha del tiempo más fuerte al ver un movimiento aleatorio que una escena natural. Lynn dijo que este último hallazgo plantea preguntas sobre cómo nuestra percepción interna de la flecha del tiempo se alinea con el mundo externo.

Estos resultados pueden ser de especial interés para los investigadores en neurociencia, afirma Lynn. Podrían, por ejemplo, conducir a respuestas sobre si la flecha del tiempo funciona de forma diferente en los cerebros que son neuroatípicos.

La descomposición de Chris de la irreversibilidad local -también conocida como la flecha del tiempo- es un marco elegante y general que puede proporcionar una perspectiva novedosa para explorar muchos sistemas de alta dimensión y sin equilibrio, dijo David Schwab, profesor de Física y Biología en el Centro de Graduados y principal investigador del estudio.


Fuentes

The City University of New York | Christopher W. Lynn, Caroline M. Holmes, William Bialek, and David J. Schwab, Decomposing the local arrow of time in interacting systems. Physical Review Letters (2022), doi.org/10.48550/arXiv.2112.14721