Fizičari otkrivaju da se vrijeme može kretati u diskretnim 'komadima'

Dva odvojena tima fizičara otkrila su da vrijeme, pod određenim okolnostima, može proći u diskretnim komadima, a ne neprekidno teći.

Znanstvenici imaju dva osnovna načina za mjerenje količina u prirodi - vrijednosti se smatraju kontinuiranim ili diskretnim. Primjer kontinuirane mjere koja je duljina, predmet može biti duljine 5 cm ili 6 cm, ali između tih mjerenja postoji mnoštvo vrijednosti - količina ovisno o primijenjenoj preciznosti.

Markovski procesi korišteni su za modeliranje nakupina pijeska (Santa Fe Institute Press)

Primjer diskretne vrijednosti bilo bi nešto što je prisiljeno uzeti cijelu vrijednost - cijelu - vrijednost. Broj jabuka u vreći ili automobila koji prolaze ispod mosta.

Znanstvenici su vrijeme uvijek smatrali neprekidnom vrijednošću, a ne diskretnom - barem otprilike.

Nikad se nije smatralo da vrijeme napreduje u „komadima“ - umjesto toga, teče glatko i neprekidno. To znači da se dinamika fizičkih sustava modelira kao "Markov proces" kontinuiranog vremena - nazvanog po matematičaru Andreju Markovu. Doista, znanstvenici su iskoristili te procese kako bi s nevjerojatnim uspjehom istražili čitav niz procesa u stvarnom svijetu, od presavijanja proteina, evoluirajućih ekosustava, mijenjanja financijskih tržišta.

Međutim, povremeno i u određenim okolnostima znanstvenik može promatrati stanje sustava samo u diskretnim vremenima, odvojenim nekim jazom, a ne kontinuirano.

Na primjer, analitičar dionica može opetovano promatrati kako je stanje na početku jednog dana povezano sa stanjem tržišta početkom sljedećeg dana, stvarajući uvjetnu raspodjelu vjerojatnosti onoga što je stanje drugog dana dan je država prvog dana.

U par radova, jedan koji se pojavljuje u ovotjednoj Nature Communications i drugi koji se nedavno pojavljuje u Novom časopisu za fiziku - fizičari Instituta Santa Fe i MIT - pokazali su da bi se mogla dogoditi takva dvostruka dinamika u skupu „ vidljiva stanja "koja proizlaze iz Markov procesa kontinuiranog vremena, da se Markov proces zapravo mora odvijati na većem prostoru. Ono što uključuje i skrivena stanja pored vidljivih.

Nadalje dokazuju da se evolucija između takvih dva puta mora odvijati u ograničenom broju "skrivenih vremenskih koraka", dijeleći interval između ta dva puta.

Koautor Instituta Santa Fe, David Wolpert, objašnjava: „Kažemo da postoje skrivene varijable u dinamičkim sustavima, koje se podrazumijevaju u alatima koji znanstvenici koriste za proučavanje takvih sustava.

"Pored toga, u određenom, vrlo ograničenom smislu, kažemo da vrijeme prolazi diskretnim vremenskim koracima, čak i ako znanstvenik modelira vrijeme kao da nastavlja kontinuirano. Znanstvenici možda nisu obraćali pažnju na te skrivene varijable i te skrivene vremenske korake, ali oni su tu, igrajući ključnu, zakulisnu ulogu u mnogim radovima koje su naučnici pročitali, a gotovo sigurno i u mnogim radovi koje su napisali naučnici. "

Osim otkrivanja skrivenih stanja i vremenskih koraka, znanstvenici su otkrili i pomak između ta dva - što je više skrivenih stanja, to je manji minimalni broj skrivenih vremenskih koraka koji su potrebni.

Prema Wolpert-ovom kolegi i koautoru Artemyu Kolchinskyju: "Ovi rezultati iznenađujuće pokazuju da Markovi procesi pokazuju svojevrsni pomak između vremena u odnosu na memoriju, što se često susreće u zasebnom matematičkom polju analize računalnih algoritama."

Da bi ilustrirao ulogu tih skrivenih stanja, koautor Jeremy A. Owen na MIT-u daje primjer biomolekularnog procesa, promatranog u satnim intervalima: „Ako započnete s proteinima u stanju„ a “, i više od sat vremena obično se pretvara u stanje 'b', a zatim se nakon sat vremena obično vraća na 'a', mora postojati barem još jedno stanje 'c' - skriveno stanje - koje utječe na dinamiku proteina.

"To je tamo u vašem biomolekularnom procesu, ako ga još niste vidjeli, možete ga potražiti."

Autori su naišli na nužnost skrivenih stanja i skrivenih vremenskih koraka, dok su tražili najefikasniji način da malo informacija prebace u računalo.

Ta je istraga - dio većeg napora za razumijevanje termodinamike računanja - otkrila da ne postoji direktan način za implementaciju karte koja i 1 i 0 šalje, a također i 0 do 1. Umjesto toga, da se malo informacija baci, bit mora proći kroz najmanje jedno skriveno stanje i uključivati ​​najmanje tri skrivena vremenska koraka.

Minimalna konfiguracija za prebacivanje malo informacija s 1 na 0 zahtijeva tri stanja i tri uzastopna vremenska koraka (David Wolpert)

Ispada da bi bilo kakav biološki ili fizički sustav koji "izračunava" izlaze iz ulaza, poput energije za obradu ćelija ili ekosustava koji se razvija, prikrio iste skrivene varijable kao u primjeru bitnog okretanja.

Owen dalje objašnjava: "Ovakve se modele zaista stvaraju na prirodan način, temeljeni na pretpostavkama da je vrijeme neprekidno i da stanje u kojem se nalazite određuje gdje ćete ići dalje."

Wolpert dodaje: "Jedna stvar koja nas je iznenadila, a što čini ovo općenitijim i za nas više iznenađujuće jest to da se svi ovi rezultati održavaju čak i bez termodinamičkih razmatranja.

"To je vrlo čisti primjer mantre Phil Anderson" više je različito ", jer su svi ti detalji na niskoj razini - skrivena stanja i skriveni vremenski koraci - nevidljivi na karti detalja više razine od vidljivog ulaznog stanja do vidljivog izlaznog stanja. ”

Wolpert nastavlja: "Na vrlo sporedan način, to je poput granice brzine svjetlosti.

„Činjenica da sustavi ne mogu premašiti brzinu svjetlosti nije odmah posljedica velike većine znanstvenika. Ali to je ograničenje dopuštenih procesa koje se primjenjuje svugdje i nešto je što uvijek morate imati u vidu. "

Izvorno istraživanje: http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-09542-x