راهی به سوی حل معمای پیکان زمان از طریق نورون‌های شبکیه چشم!

کاملا واضح است که در حالت عادی می‌توانیم فاصله‌ی بین دو نقطه‌‌ی متمایز در مکان را بصورت رفت و برگشت طی کنیم. شاید اکثر مردم به نوعی به این سوال اندیشیده‌اند که چرا همانند مکان، برگشت به زمان گذشته امکان‌پذیر نیست؛یا چرا طی کردن فاصله‌ی زمانی بین دو‌ نقطه‌ی مجزا در محور زمان تنها در یک جهت، امکان‌پذیر است. این درحالی است که معادلات بنیادی حاکم بر قوانین طبیعت، هیچ جهت ارجحی برای زمان قائل نیستند. این سوال اساسی با عنوان معمای پیکان زمان شناخته‌ می‌شود و پژوهشگران در راستای پاسخ به این سوال، دست به آزمایش جالب و جدیدی روی اعصاب شبکیه چشم زده‌اند. با دیپ‌لوک همراه باشید…

اساسا پیکان زمان نتیجه‌ی قانون دوم ترمودینامیک است؛ قانونی که در آن آرایش‌های میکروسکوپی سامانه‌‌های فیزیکی، همواره تمایل به افزایش تصادفی بودن دارند؛ حرکت از نظم به سوی بی‌نظمی. هر چه سامانه بی‌نظم تر شود، احتمال یافتن نظم پیشین آن ضعیف‌تر شده و پیکان زمان که در جهت افزایش بی نظمی است، قوی‌تر خواهد شد. به طور خلاصه، تمایل جهان به سوی افزایش بی‌نظمی، دلیل اصلی جریان یک سویه‌ی‌ زمان است. 

تقریبا همه‌ی پدیده‌های موجود در طبیعت برگشت ناپذیر هستند. برای مثال یک تخم مرغ شکسته دیگر هیچگاه به خودی خود به شکل قبلی بازنمی‌گردد؛ چرا که احتمال آن بسیار کم است و بی‌نظمی تخم مرغ شکسته از بی‌نظمی شکل سالم آن بسیار بیشتر است. در واقع شکستن تخم مرغ یک پدیده‌ی برگشت ناپذیر است. مثال دیگر اینکه، به راحتی می‌توان ظرف حاوی شکر و نمک را با تکان دادن ظرف مخلوط کرد، ولی هیچگاه با این کار نمی‌توان این دو را از یکدیگر جدا کرد؛ زیرا احتمال اولی از دومی به مراتب بیشتر است و مخلوط شکر و نمک بی‌نظمی بسیار بیشتری نسبت به حالت غیرمخلوط آن دارد. درکل، بی‌نظمیِ یک سامانه با کمیتی به نام آنتروپی مرتبط می‌شود به طوری که برای یک سیستم و محیط پیرامون آن، آنتروپی همواره در حال افزایش است. اصل افزایش آنتروپی بیان دیگر قانون دوم ترمودینامیک است.

کریستوفر لین (Christopher Lynn) محقق پسادکتری و نویسنده‌ی اول مقاله‌ای که اخیرا در مجله‌ی Physical Review Letter با عنوان « تجزیه‌ی پیکان زمان موضعی در سیستم‌های اندرکنشی» منتشر شد، اظهار می‌دارد:

تیم ما با دو سوال اساسی روبرو بود؛ اول اینکه اگر ما به یک سیستم خاص نگاه کنیم آیا  قادر خواهیم بود قدرت پیکان زمان را  به صورت کمی توصیف کنیم؛ و دوم اینکه آیا می‌توانیم چگونگی پدیدار شدن پیکان زمان در کل سیستم را از مقیاس‌های کوچک، از مرتبه‌ی اندازه‌ی سلول‌ها و نورون‌ها، استخراج کنیم. یافته‌‌های ما اولین گام در راستای فهم این موضوع است که پیکان زمانی که ما در زندگی روزمره تجربه می‌کنیم چگونه از جزییات میکروسکوپی بیرون می‌آید.

در مرحله‌ی اول برای پاسخ به این سوالات، پژوهشگران به بررسی این نکته پرداختند که چگونه می‌توان پیکان زمان را توسط مشاهده‌ی قسمت های خاص یک سیستم و اندرکنش بین آنها تجزیه کرد. برای مثال، این قسمت‌ها می‌توانند نورون‌ های موجود در شبکیه‌ی چشم باشند. آنها نشان دادند، با نگاه کردن در یک لحظه، پیکان زمان می‌تواند به بخش‌های مختلف شکسته شود: این بخش‌ها توسط پیکربندی‌هایی که به صورت تکی (تک نورون)، دوتایی (جفت نورون‌ های هم بسته)، سه‌تایی یا اشکال پیچیده‌تر عمل می‌کنند، ایجاد می‌شوند.

درواقع، در این مطالعه، گروه لین نشان دادند  پیکان زمان برای چنین سامانه‌ای را می‌توان بر حسب آمارهای قابل محاسبه‌ی مرتبه‌ی اول، دوم، سوم و آمارهای مراتب بالاتر تجزیه کرد، در مورد سلول‌های عصبی این آمار‌ها با آمار زیستی تک نورون‌ها، جفت نورون‌ها، نورون‌های سه‌تایی و مراتب بالاتر معادل است. داده‌های بدست آمده از آزمایش‌های آن‌ها به بررسی آمارهای تا مرتبه‌ی پنج و شش منجر شده است.

محققان با استفاده از روش تجزیه‌ی پیکان زمان، آزمایش‌های انجام شده بر روی پاسخ نورون‌های شبکیه‌ی چشم یک سمندر به فیلم‌های مختلف را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. یکی از  فیلم‌‌ها حرکت کاتوره‌ایِ (حرکت براونی) یک شی را به نمایش می‌گذاشت و فیلم دیگر صحنه‌هایی پیچیده از طبیعت را به تصویر می‌کشید. در هر دو فیلم، محققان دریافتند که پیکان زمان از اندرکنش ساده‌ی بین جفت‌‌های نورون‌ها – و نه گروه‌های بزرگ و پیچیده – پدیدار می‌شود. مشاهدات تیم تحقیقاتی حاکی از این بود که به طور شگفت‌آوری شبکیه‌ی چشم، هنگام تماشای حرکت کاتوره‌ای، پیکان زمان قوی‌تری را در قیاس با تماشای یک صحنه‌ی طبیعی نشان می‌داد. لین بیان‌داشت یافته‌ی اخیر پرسش‌هایی را در مورد طریقه‌ی همسویی درک درونی ما از پیکان زمان با دنیای بیرون، بوجود می‌آورد. او تاکید کرد:

این نتایج به ویژه ممکن است برای پژوهشگران علوم اعصاب جالب توجه باشد. برای مثال این نتایج، آنها را به سوی پاسخ به این پرسش هدایت می‌کند که آیا پیکان زمان روی مغزهای نوروآتیپیک -مغزهایی که به صورت متفاوت و بعضا غیر عادی رفتار می‌کنند- عملکرد یکسان دارد یا خیر.

دیوید شوا (David Schwa)، فیزیکدان و زیست‌شناس  مرکز تحصیلات تکمیلی دانشگاه شهری نیویورک و محقق مسئولِ این پژوهش عنوان کرد:

تجزیه‌ی پیکان زمانِ لین یک چارچوب جامع و ظریف است که می‌تواند افق جدیدی برای کاوش بسیاری از سیستم های غیرتعادلی و با ابعاد بالا ارائه دهد.

• منابع: phys.org و aps.physics.org