Værd at Vide: Du har en tidspil i dit hoved

En gynge er et eksempel på et reversibelt system. Den svinger på samme måde, uanset om en filmoptagelse af den ses forfra eller bagfra. Andre systemer er irreversible, som når man hælder mælk i kaffe og rører rundt. Her kan man ikke ‘røre baglæns’ og skille mælk fra kaffe igen. Når vi i mange simple fysiske systemer ikke kan skelne, om tiden går frem eller tilbage, er det fordi, de fundamentale naturlove reversible. Levende organismer er dog alle karakteriseret ved, at tiden har en retning: Vi blive ældre, men aldrig yngre. Forskerne forklarer det med, at levende væsener er ude af termisk ligevægt med sine omgivelser og dermed afgiver varme. Varmeafgivelse er forbundet med entropiproduktion i overensstemmelse med Termodynamikkens Anden Hovedsætning, der siger, at i et lukket system kan entropien aldrig falde. Det er entropiproduktionen, der giver tiden en retning.

Alt dette er velkendt, men præcis at bestemme entropiproduktionen i et kompliceret system som f.eks. den menneskelige hjerne er en anden og langt mere kompliceret sag. Onlinemagasinet Physics fremhæver nu, at en forskergruppe med Christopher Lynn fra City University of New York og Princeton University i spidsen i to artikler i henholdsvis Physical Review Letters og Physical Review E har ydet et væsenligt bidrag til, hvordan man kvantitativt skal bestemme entropiproduktionen og den dermed forbunde irreversabilitet i komplekse systemer, som vel at mærke og som noget helt afgørende opstår, selv om systemet bliver præsenteret for et input, som kan karakteriseres som reversibelt. Artiklerne indeholder bl.a. en analyse af et eksperiment knyttet til aktiveringen af neuroner i nethinden på en salamander, som er udsat for to forskellige synsoplevelser - den ene viser en naturlig irreversibel situation i form af en svømmende fisk. Den anden er en kunstig skabt film af en reversibelt system. I begge tilfælde vil neuronaktiviteten være irreversibel. Den er endda overraskende nok og noget uforklarligt mest irreversibel, når den bliver for præsenteret for det reversible input!

Forskerne fremhæver selv, at hovedresultater af deres analyse er, at irreversibiliteten af et kompleks system kan opdeles i to komponenter, hvor den ene del beskriver irreversibiliteten af af de individuelle elementer i systemet (f.eks. neuroner) og den anden irreversibiliteten knyttet til, hvordan disse elementer afhænger af og påvirker hinanden. Hertil kommer, at irreversibiliteten af vekselvirkninger mellem elementer kan opdeles i vekselvirkninger mellem par, vekselvirkninger knyttet til tre elementer osv. - hvor den laveste orden (parvis) står for den største del af irreversibiliteten. I salamander-tilfældet kommer de frem til, at den parvise dynamik står for mellem ⅔ og ¾ af den totale irreversibilitet. Forskerne viser også, hvordan man på den måde kan forklare operationer, der tager flere binære input og leverer et binært output, som det kendes fra boolske operatorer som AND, XOR og lignende.

Det giver et håb om, at man med en række nye eksperimenter kan få et bedre indblik i, hvordan de fysiske forbindelser mellem neuroner producerer en pil for tiden.

Det kan måske synes som et beskedent og ikke videre betydningsfuldt resultat - jeg havde nok selv håbet på noget mere, da jeg læste artiklerne, men i betragtning af, at man hidtil ikke har haft godt begreb om, hvordan makroskopisk irreversibilitet opstår i et komplekst system ud fra de individuelle komponenter, så er det måske det skridt, som kan føre frem til at forklare, hvorfor vi alle er udstyret med en tidspil, der kun peger i én retning.