Wohin zeigt der Pfeil der Zeit? Physiker enträtseln das Geheimnis des „Pfeils der Zeit“

Bisher hatte das Zeitverständnis der Menschen immer nur eine Richtung: Alles von der Vergangenheit bis zur Zukunft, einschließlich des Lebens, wächst immer langsam von der Kindheit über die Jugend bis zum mittleren Alter und altert dann allmählich. Dies scheint eine unveränderliche Regel zu sein. Hinter diesem Phänomen verbirgt sich jedoch ein komplexes und tiefgreifendes physikalisches Problem – der „Pfeil der Zeit“. Der sogenannte „Pfeil der Zeit“ bezieht sich auf die einheitliche Richtung des Zeitflusses, d. h. die gesellschaftliche Entwicklung verläuft von der Vergangenheit in die Zukunft und fließt nicht zurück in die Vergangenheit. Dies ist ein äußerst grundlegendes Phänomen in der Natur.

Die Existenz eines Zeitpfeils mit einer klaren Richtung kommt nur auf der makroskopischen Ebene vor, während die physikalische Zeit auf der mikroskopischen Ebene fast vollständig symmetrisch ist. Einfach ausgedrückt: Wenn die Skala abnimmt, nähert sich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Ereignis in umgekehrter Richtung eintritt, allmählich der Wahrscheinlichkeit an, dass ein Ereignis in Vorwärtsrichtung eintritt. Wenn der Maßstab sehr klein ist, glauben Physiker, dass die beiden ungefähr gleich sind, das heißt, die Zeit ist symmetrisch und es gibt keine „Vergangenheit“ und „Zukunft“. Wäre die Schwerkraft beispielsweise symmetrisch, könnte man die Umlaufbahn eines Planeten um die Sonne umkehren, und die Bahn würde immer noch dem Gesetz der Schwerkraft entsprechen. Die meisten Gesetze der Physik basieren auf Annahmen wie der Gravitationssymmetrie, dies ist beim Zeitpfeil jedoch nicht der Fall. Stellen Sie sich vor, die Zeit wäre auf der Makroebene symmetrisch. Sie könnten eine Filmeinstellung rückwärts abspielen und trotzdem noch verstehen, was passiert. Das ist jedoch nicht der Fall.

Physiker haben die Zeit von einer grundlegenderen Ebene aus definiert. Man ist sich einig, dass der Zeitpfeil eine Ableitung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist, dem berühmten „Theorem der Entropiezunahme“. Das heißt, mit der Zeit nimmt der Grad der Unordnung eines materiellen Systems immer zu. Je höher der Grad der Unordnung des Systems ist, desto schwieriger ist es, in den vorherigen geordneten Zustand zurückzukehren, und desto bedeutsamer ist der „Zeitpfeil“.

Daher kamen die Physiker zu dem Schluss, dass sich die Materie in diesem Universum immer in eine ungeordnete Richtung entwickelt, was den Menschen das Gefühl vermittelt, dass die Zeit nur in eine Richtung fließt.

In jüngster Zeit haben Physiker bei der Erforschung des Mysteriums des „Zeitpfeils“ einige aufregende Fortschritte erzielt. Am 24. Juni wurde ein Forschungsergebnis in der internationalen Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Christopher Lynn, einer der Hauptautoren des Artikels und Postdoktorand am Center for Theoretical Science der City University of New York, sagte, die neue Forschung befasse sich mit den kleinsten Bestandteilen der materiellen Welt, darunter Teilchen, Atome, Moleküle und die grundlegendsten Elementarzellen des Lebens. Indem sie tiefer in diese mikroskopischen Wechselwirkungen eintauchen, versuchen sie, den Ursprung des Zeitpfeils zu erklären.

Die Forscher untersuchten zunächst, wie sich der Zeitpfeil aufschlüsseln lässt, indem sie bestimmte Bausteine ​​innerhalb eines Systems und die Wechselwirkungen zwischen ihnen betrachteten. In der Studie heißt es: „Die Analyse zeigte, dass in beiden Videoexperimenten der Zeitpfeil aus Neuronenblöcken in Zweiergruppen generiert wurde und keine komplexere Blockstruktur beobachtet wurde.“

Ein Schwerpunkt ihrer Forschung liegt auf der Erforschung des Verhaltens von Partikeln im mikroskopischen Maßstab. Eine der Fragen, die sie beschäftigt, ist, ob die Wechselwirkungen zwischen Teilchen im mikroskopischen Maßstab zur Erklärung des Zeitpfeils beitragen können. Eine wichtige Idee besteht darin, dass der Zeitpfeil möglicherweise mit der Asymmetrie bei der Kollision von Teilchen zusammenhängt. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass Partikel bei einer Kollision in eine Richtung gestreut werden, größer ist als die Wahrscheinlichkeit, dass sie in die entgegengesetzte Richtung kollidieren. Solche mikroskopischen Asymmetrien können sich auf makroskopischer Ebene ansammeln und die Richtung des Zeitpfeils bestimmen.

Ein weiterer Befund überraschte die Forscher sogar noch mehr: Die Netzhaut derjenigen, die Videos von sich zufällig bewegenden Objekten ansahen, wies bei der Zeitdarstellung einen höheren Grad an Richtungsabhängigkeit auf. Der Forscher Lin En sagte, die Entdeckung stelle unser Verständnis davon in Frage, wie das Innere eines Organismus mit der Außenwelt übereinstimmt. Für Forscher auf dem Gebiet der Neurowissenschaften könnten diese Erkenntnisse von Interesse sein.

David Schwab, Professor für Physik und Biologie und ein weiterer leitender Forscher der Studie, ist davon überzeugt, dass die Theorie der Zerlegung des Zeitpfeils ein genialer und universeller theoretischer Rahmen ist, der eine innovative Idee für die Erforschung vieler Systeme mit mehrdimensionalem Raum liefert, die noch kein Gleichgewicht erreicht haben.

Lin En schloss mit der Frage: Wie spiegelt sich der Zeitpfeil, den wir im täglichen Leben spüren, in der mikroskopischen Welt wider? Unsere Studie ist der erste Schritt zum Verständnis dieser Frage.

Obwohl ihre Forschung einige Fortschritte gemacht hat, bleibt die vollständige Entschlüsselung des Mysteriums des Zeitpfeils ein komplexes und tiefgreifendes Problem, das die Zusammenarbeit mehrerer Disziplinen, darunter Physik, Chemie, Biologie und Philosophie, erfordert. Das Verständnis der Natur des Zeitpfeils wird uns helfen, die Natur besser zu verstehen und neue Richtungen für die zukünftige wissenschaftliche Forschung und technologische Entwicklung vorgeben.

(Der Autor Chen Sijin ist ein Science-Fiction-Autor)