時間の矢はどこへ向かうのでしょうか？物理学者たちは「時間の矢」の謎を解明している

これまで、人々の時間に対する認識は常に一方向のみであり、つまり、人生を含め、過去から未来までのすべては、幼少期から青年期、中年期へとゆっくりと成長し、その後徐々に老化していくというものでした。これは不変のルールのようです。しかし、この現象の背後には、複雑で深遠な物理学の問題、「時間の矢」が存在します。いわゆる「時間の矢」とは、時間の流れが一方向であること、つまり社会の発展は過去から未来へ向かうものであり、過去に戻ることはないということを指します。これは自然界における極めて基本的な現象です。

明確な方向を持つ時間の矢印の存在はマクロレベルでのみ発生しますが、ミクロレベルでは物理的な時間はほぼ完全に対称的です。簡単に言えば、規模が小さくなるにつれて、逆方向にイベントが発生する確率は、順方向にイベントが発生する確率に徐々に近づきます。スケールが非常に小さい場合、物理学者は両者はほぼ等しい、つまり時間は対称的であり、「過去」と「未来」は存在しないと考えています。たとえば、重力が対称的であれば、太陽の周りの惑星の軌道を逆にすることができ、その軌道は依然として重力の法則に従います。ほとんどの物理法則は重力対称性のような仮定を立てていますが、時間の矢の場合はそうではありません。もし時間がマクロレベルで対称的であれば、映画のショットを逆再生しても何が起こっているのか理解できるはずですが、実際はそうではありません。

物理学者はより基本的なレベルから時間を定義しており、時間の矢は熱力学の第二法則、有名な「エントロピー増大定理」の派生であるというのがコンセンサスです。つまり、時間の経過とともに、あらゆる物質システムの無秩序の度合いは常に増加し、システムの無秩序の度合いが高ければ高いほど、以前の秩序だった状態に戻るのが難しくなり、「時間の矢」の重要性が増します。

そのため、物理学者は、この宇宙の物質は常に無秩序な方向に発展し、人々は時間が一方向にのみ流れると感じると結論付けました。

最近、物理学者たちは「時間の矢」の謎を解明する研究において、いくつかの刺激的な進歩を遂げました。 6月24日、国際学術誌「Physical Review Letters」に研究成果が掲載された。論文の主執筆者の一人で、ニューヨーク市立大学理論科学センターの博士研究員であるクリストファー・リン氏は、この新たな研究は、粒子、原子、分子、そして生命の最も基本的な単位細胞など、物質世界の最も小さな構成要素に関係していると語った。彼らは、こうした微視的な相互作用をさらに深く探究することで、時間の矢の起源を説明しようと試みています。

研究者たちはまず、システム内の特定の構成要素とそれらの間の相互作用に注目して、時間の矢を分解する方法を探りました。研究では、「分析の結果、両方のビデオ実験において、時間の矢印は2つのニューロンのブロックから生成され、それ以上の複雑なブロック構造は観察されなかったことが示された」と述べられている。

彼らの研究の主な焦点は、微視的スケールでの粒子の挙動を詳しく調べることです。彼らが関心を持っている疑問の一つは、微視的スケールでの粒子間の相互作用が時間の矢を説明するのに役立つかどうかだ。重要な考え方の 1 つは、時間の矢印は粒子が衝突するときの非対称性と関係がある可能性があるということです。これは、衝突時に粒子が反対方向に衝突するよりも、一方向に散乱される可能性が高くなることを意味します。このような微視的な非対称性は巨視的な規模で蓄積され、時間の矢印の方向を形作る可能性があります。

研究者にとってさらに驚くべき発見は、ランダムに動く物体のビデオを見ている人の網膜では、時間の表現においてより高い方向性が見られたということだ。研究者のリン・エン氏は、この発見は生物の内部と外界がどのように一致しているかについての私たちの理解に疑問を投げかけるものだと語った。神経科学分野の研究者はこれらの発見に興味を持つかもしれない。

この研究のもう一人の主任研究者である物理学および生物学の教授、デイビッド・シュワブ氏は、時間の矢を分解する理論は独創的で普遍的な理論的枠組みであり、多次元空間を持ち、平衡に達していない多くのシステムを調査するための革新的なアイデアを提供すると考えています。

リン・エンは、私たちが日常生活で感じる時間の矢は、ミクロの世界にどのように反映されているのかと結論付けました。私たちの研究は、この問題を理解するための第一歩となります。

研究はある程度の進歩を遂げているものの、時間の矢の謎を完全に解明することは、物理学、化学、生物学、哲学など複数の分野にわたる協力を必要とする複雑かつ深遠な問題のままです。時間の矢の性質を理解することは、自然をより深く理解し、将来の科学研究や技術開発に新たな方向性を与えるのに役立ちます。

（著者の陳思進はSF作家です）