物理学家正在揭开“时间箭头”的奥秘

　　人们都知道时间从来都只有一个方向：从过去到未来。物理学家最近的一项在确定粒子和细胞如何产生大规模动态方面的新研究取得了进展，正在揭开被称为“时间箭头”的这个谜团。　

　　从过去到未来的时间流，这种被称为 “时间箭头”（Arrow of time）的现象究竟是如何从粒子和细胞之间的微观相互作用中产生的，却一个迷。

　　6月24日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一份研究对此进行了探讨，并有了一些发现，这可能对包括物理学、神经科学和生物学在内的广泛学科产生重要影响。

　　人们对时间的认知，包括任何生命，总是从小长到大，从年轻到年老，这是固定不变的规律。物理学家从更基础的层面对时间进行了定义，虽然也是在描述这样的规律，但是听起来抽象得多。他们把时间的方向性叫做“时间箭头”（arrow of time），认为是热力学第二定律衍生出的规律：即任何一个物质系统随着时间的流逝，无序度总是在增加。系统的无序程度越高，越难回到其以前有序的状态，“时间箭头”就越显著。

　　因此物理学家总结说，“这个宇宙内物质总是朝向无序的方向发展的特性，是人们感受到时间只朝一个方向流逝的根本原因。”

　　这份研究的主要作者之一纽约市立大学（CUNY）理论科学研究中心的博士后研究员克里斯托弗‧林恩（Christopher Lynn）说，他们研究组从两个问题着手探讨这个领域。“如果我们考察任何一个特定的系统，我们能够量化其时间的方向性吗？我们能够找出该系统微观层面时间的方向性（比如细胞与神经元相互作用的微观系统）是如何拓展到整个系统的吗？”

　　林恩说：“日常生活中所感受到的时间箭头在微观世界的体现是什么样的？我们的研究为理解这个问题迈出了第一步。”

　　为了解答前面提出的两个问题，研究人员先探索如何通过观察系统内特定的组成区块、以及它们之间的互动分解时间箭头。这份研究所观察的特定组成区块是视网膜内的神经元细胞。他们发现，在一个特定的时间点，时间箭头可以被分解成由不同区块产生的不同的片段。这些区块有的单独工作，有的两个、三个一组，另外一些则有着更复杂的组合模式。

　　定义好如何分解时间箭头的概念后，研究人员对已有的一套试验数据进行分析。这项试验记录了一只火蜥蜴（salamander）视网膜细胞对不同视频的反应。一个视频展示的是一个单一的物体在屏幕上无规律的移动；另一个视频展示的是自然界里会看到的更真实复杂的景象。

　　研究称，“分析显示在两个视频的试验中，时间箭头都是从两个一组的神经元区块中产生，没有见到更复杂的区块结构。”

　　另一个发现更令研究人员感到惊讶：观看随机移动物体视频的视网膜所体现的时间的方向性更高。林恩说：“这项发现对生物体内部如何与外在世界保持一致的认知提出了挑战。神经科学领域的研究者可能会对这些发现很感兴趣。”

　　这份研究的另一位主要研究者、物理学和生物学教授大卫·施瓦布（David Schwab）说：“把时间箭头进行分解的理论，是一个巧妙而且具有普遍意义的理论框架，为探索很多具有多维度空间、没有达到平衡状态的系统，提供了一个创新的思路。”