Fisikawan menemukan waktu dapat bergerak secara terpisah 'potongan'

Dua tim fisikawan yang terpisah telah menemukan bahwa waktu, dalam keadaan tertentu, dapat berlalu dalam potongan diskrit, daripada mengalir terus menerus.

Para ilmuwan memiliki dua cara mendasar untuk mengukur kuantitas di alam - nilai dianggap kontinu atau diskrit. Contoh ukuran kontinu adalah panjang, sebuah objek bisa berukuran 5cm atau 6cm, tetapi di antara pengukuran itu ada banyak nilai - jumlahnya tergantung pada presisi yang digunakan.

Proses Markov telah digunakan untuk memodelkan akumulasi tumpukan pasir (Santa Fe Institute Press)

Contoh nilai diskrit adalah sesuatu yang dipaksa untuk mengambil nilai integer - keseluruhan. Jumlah apel di dalam tas, atau mobil yang lewat di bawah jembatan.

Para ilmuwan selalu menganggap waktu sebagai nilai kontinu, bukan nilai diskrit — setidaknya secara kasar.

Waktu tidak pernah dianggap berkembang dalam "bongkahan," - sebagai gantinya, mengalir dengan lancar dan terus menerus. Ini berarti bahwa dinamika sistem fisik dimodelkan sebagai “proses Markov” waktu yang berkesinambungan - dinamai menurut ahli matematika Andrey Markov. Memang, para ilmuwan telah menggunakan proses-proses ini untuk menyelidiki berbagai proses dunia nyata dari melipat protein, hingga berevolusi ekosistem, hingga menggeser pasar keuangan, dengan kesuksesan yang mencengangkan.

Namun, pada kesempatan dan dalam keadaan tertentu, seorang ilmuwan hanya dapat mengamati keadaan suatu sistem pada waktu yang terpisah, dipisahkan oleh beberapa celah, daripada terus menerus.

Sebagai contoh, seorang analis pasar saham mungkin berulang kali mengamati bagaimana keadaan pasar pada awal satu hari terkait dengan keadaan pasar pada awal hari berikutnya, membangun distribusi probabilitas bersyarat dari apa keadaan pasar saat itu. hari kedua diberikan negara pada hari pertama.

Dalam sepasang makalah, satu muncul di Nature Communications minggu ini dan satu muncul baru-baru ini di New Journal of Physics - fisikawan di Santa Fe Institute dan MIT masing-masing - telah menunjukkan bahwa agar dinamika dua kali seperti itu lebih dari satu set " status yang terlihat ”muncul dari proses Markov yang terus-menerus, bahwa proses Markov harus benar-benar terungkap dalam ruang yang lebih besar. Yang menyertakan status tersembunyi selain yang terlihat.

Mereka lebih lanjut membuktikan bahwa evolusi antara sepasang waktu seperti itu harus dilanjutkan dalam jumlah terbatas “jejak waktu tersembunyi”, membagi lagi interval antara dua kali.

Rekan penulis Santa Fe Institute David Wolpert, menjelaskan: "Kami mengatakan ada variabel tersembunyi dalam sistem dinamis, tersirat dalam alat yang digunakan para ilmuwan untuk mempelajari sistem tersebut.

"Selain itu, dalam arti yang sangat terbatas, kami mengatakan bahwa waktu berproses dalam langkah waktu yang berbeda, bahkan jika para ilmuwan memodelkan waktu seolah-olah itu berlangsung terus-menerus. Para ilmuwan mungkin tidak memperhatikan variabel-variabel tersembunyi dan catatan waktu tersembunyi itu, tetapi mereka ada di sana, memainkan peran kunci, di belakang layar di banyak makalah yang telah dibaca para ilmuwan, dan hampir pasti juga di banyak makalah yang telah ditulis para ilmuwan itu. "

Selain menemukan keadaan tersembunyi dan langkah waktu, para ilmuwan juga menemukan kompromi antara keduanya - semakin banyak negara tersembunyi, semakin kecil jumlah minimum timesteps tersembunyi yang diperlukan.

Menurut kolega dan rekan penulis Wolpert, Artemy Kolchinsky: "Hasil ini secara mengejutkan menunjukkan bahwa proses Markov menunjukkan semacam pertukaran antara waktu versus memori, yang sering dijumpai dalam bidang matematika terpisah untuk menganalisis algoritma komputer."

Untuk mengilustrasikan peran negara-negara tersembunyi ini, rekan penulis Jeremy A. Owen di MIT memberikan contoh proses biomolekul, yang diamati pada interval satu jam: “Jika Anda mulai dengan protein dalam keadaan 'a,' dan lebih dari satu jam biasanya berubah menjadi 'b', dan kemudian setelah satu jam berikutnya biasanya berubah menjadi 'a,' harus ada setidaknya satu negara lain 'c' - keadaan tersembunyi - yang mempengaruhi dinamika protein.

"Ada di sana dalam proses biomolekuler Anda, bahwa, jika Anda belum melihatnya, Anda bisa mencarinya."

Para penulis tersandung pada perlunya status tersembunyi dan tanda waktu tersembunyi sambil mencari cara paling hemat energi untuk membalik sedikit informasi di komputer.

Penyelidikan itu - bagian dari upaya yang lebih besar untuk memahami termodinamika perhitungan - mengungkapkan bahwa tidak ada cara langsung untuk mengimplementasikan peta yang keduanya mengirim 1 ke 0 dan juga mengirim 0 ke 1. Sebaliknya, untuk membalikkan sedikit informasi, bit harus diproses melalui setidaknya satu keadaan tersembunyi dan melibatkan setidaknya tiga langkah waktu tersembunyi.

Konfigurasi minimal untuk membalik sedikit informasi dari 1 ke 0 memerlukan tiga status dan tiga langkah waktu berurutan (David Wolpert)

Ternyata sistem biologis atau fisik apa pun yang "menghitung" keluaran dari input, seperti energi pemrosesan sel, atau ekosistem yang berevolusi, akan menyembunyikan variabel tersembunyi yang sama seperti pada contoh flip bit.

Owen menjelaskan lebih lanjut: "Model-model semacam ini benar-benar muncul secara alami, berdasarkan pada asumsi bahwa waktu terus-menerus, dan bahwa keadaan yang Anda tentukan menentukan ke mana Anda akan pergi selanjutnya."

Wolpert menambahkan: “Satu hal yang mengejutkan, yang membuat ini lebih umum dan lebih mengejutkan bagi kita, adalah bahwa semua hasil ini bertahan bahkan tanpa pertimbangan termodinamika.

“Ini adalah contoh yang sangat murni dari mantra Phil Anderson 'more is different' karena semua detail level rendah ini - status tersembunyi dan catatan waktu tersembunyi - tidak terlihat oleh peta detail level lebih tinggi dari status input yang terlihat hingga status output yang terlihat. ”

Wolpert melanjutkan: "Dalam cara yang sangat kecil, itu seperti batas kecepatan cahaya.

“Fakta bahwa sistem tidak dapat melebihi kecepatan cahaya tidak langsung berdampak besar bagi sebagian besar ilmuwan. Tapi itu adalah pembatasan pada proses yang diizinkan yang berlaku di mana-mana dan merupakan sesuatu yang selalu ada di benak Anda. "

Penelitian asli: http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-09542-x