L’écoulement du temps du passé vers l’avenir est un élément central de notre expérience du monde. Mais la façon dont ce phénomène, connu sous le nom de « flèche du temps », résulte des interactions microscopiques entre les particules et les cellules est un mystère — un mystère que les chercheurs de l’Initiative for the Theoretical Sciences (ITS) du CUNY Graduate Center contribuent à élucider avec la publication d’un nouvel article dans la revue Physical Review Letters. Les résultats de cette étude pourraient avoir des implications importantes dans diverses disciplines, notamment la physique, les neurosciences et la biologie.
Fondamentalement, la flèche du temps découle de la deuxième loi de la thermodynamique : le principe selon lequel les arrangements microscopiques des systèmes physiques ont tendance à augmenter leur caractère aléatoire, passant de l’ordre au désordre. Plus un système est désordonné, plus il lui est difficile de retrouver un état ordonné, et plus la flèche du temps est forte. En bref, la tendance de l’univers au désordre est la raison fondamentale pour laquelle nous constatons que le temps s’écoule dans une seule direction.
« Les deux questions que se posait notre équipe étaient les suivantes : si nous examinions un système particulier, serions-nous en mesure de quantifier la force de sa flèche du temps, et serions-nous en mesure de déterminer comment elle émerge de la micro-échelle, où les cellules et les neurones interagissent, jusqu’au système entier », a déclaré Christopher Lynn, premier auteur de l’article et boursier postdoctoral du programme ITS. « Nos résultats constituent la première étape vers la compréhension de la manière dont la flèche du temps que nous expérimentons dans la vie quotidienne émerge de ces détails plus microscopiques. »
Pour commencer à répondre à ces questions, les chercheurs ont exploré comment la flèche du temps pouvait être décomposée en observant des parties spécifiques d’un système et les interactions entre elles. Les parties, par exemple, pourraient être les neurones qui fonctionnent dans une rétine. En observant un seul moment, ils ont montré que la flèche du temps peut être décomposée en différents éléments : ceux produits par des parties fonctionnant individuellement, par paires, en triplets ou dans des configurations plus complexes.
Forts de cette façon de décomposer la flèche du temps, les chercheurs ont analysé les expériences existantes sur la réponse des neurones de la rétine d’une salamandre à différents films. Dans l’un des films, un objet unique se déplaçait de manière aléatoire sur l’écran, tandis qu’un autre dépeignait toute la complexité des scènes que l’on trouve dans la nature. Dans les deux films, les chercheurs ont constaté que la flèche du temps résultait d’interactions simples entre des paires de neurones, et non de groupes importants et complexes. De manière surprenante, l’équipe a également observé que la rétine montrait une flèche du temps plus forte en regardant un mouvement aléatoire qu’une scène naturelle. Selon Lynn, ce dernier résultat soulève des questions sur la façon dont notre perception interne de la flèche du temps s’aligne sur le monde extérieur.
« Ces résultats peuvent présenter un intérêt particulier pour les chercheurs en neurosciences », a déclaré Lynn. « Ils pourraient, par exemple, conduire à des réponses sur la question de savoir si la flèche du temps fonctionne différemment dans les cerveaux qui sont neuroatypiques ».
« La décomposition de Chris de l’irréversibilité locale - également connue sous le nom de flèche du temps - est un cadre élégant et général qui peut fournir une nouvelle perspective pour explorer de nombreux systèmes non équilibrés de haute dimension », a déclaré David Schwab, professeur de physique et de biologie au Graduate Center et chercheur principal de l’étude.
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