Prečo sa teda zdá, že čas sa pohybuje iba jedným smerom?
Jedna z možných odpovedí môže odhaliť aj tajomstvá chýbajúcej omše. Niektoré fakty našej skúsenosti sú také zrejmé a rozšírené ako rozdiel medzi minulosťou a budúcnosťou. Pamätáme si jednu vec, ale očakávame ďalšiu. Ak film spustíte opačným smerom, nebude to realistické. Hovoríme „šípka času“, čo znamená cestu z minulosti do budúcnosti.
Dalo by sa predpokladať, že existencia šípky času je zabudovaná do základných fyzikálnych zákonov. Opak je však tiež pravdou. Ak ste natočili film o subatomárnych udalostiach, zistili by ste, že jeho časovo obrátená verzia vyzerá celkom rozumne. Presnejšie povedané, základné fyzikálne zákony - s výnimkou malých exotických výnimiek, ku ktorým sa vrátime - budú fungovať bez ohľadu na to, či otočíme páku času dopredu alebo dozadu. Na pozadí základných fyzikálnych zákonov je šípka času reverzibilná.
Logicky musí transformácia, ktorá obráti smer času, tiež zmeniť základné zákony. Zdravý rozum určuje, čo by malo. Ale nemení sa to. Fyzici používajú na opísanie tejto skutočnosti vhodnú skratku. Nazývajú transformáciu, ktorá obracia šípku času, jednoducho T, od obrátenia času. A skutočnosť, že T nemení základné zákony, sa označuje ako „T-invariantnosť“alebo „T-symetria“.
Každodenná skúsenosť porušuje T-invariantnosť, zatiaľ čo základné zákony ju rešpektujú. Tento do očí bijúci rozpor vyvoláva ťažké otázky. Ako môže reálny svet, ktorého základné zákony rešpektujú T-symetriu, vyzerať tak asymetricky? Je možné, že jedného dňa nájdeme bytosti žijúce v opačnom rytme času - ktorí starnú, keď starnú? Môžeme pomocou nejakého fyzického procesu zvrátiť našu vlastnú šípku času?
Toto sú zaujímavé otázky a my sa k nim vrátime neskôr. V tomto článku sa Frank Wilczek, teoretický fyzik na Massachusettsovom technologickom ústave a nositeľ Nobelovej ceny, rozhodol venovať ďalšej téme. Vzniká, keď začnete na druhom konci, v rámci zdieľanej skúsenosti. Hádanka je toto?
Prečo majú základné zákony toto problematické a podivné vlastníctvo, T-invariantnosť?
Odpoveď, ktorú dnes môžeme ponúknuť, je neporovnateľne hlbšia a komplexnejšia, ako sme mohli ponúknuť pred 50 rokmi. Dnešné porozumenie vyplynulo z brilantnej súhry experimentálneho objavu a teoretickej analýzy, ktorá získala niekoľko Nobelových cien. V našej odpovedi však chýbajú niektoré prvky. Ich hľadanie môže viesť k nečakanej odmene: k definícii kozmologickej „temnej hmoty“.
Propagačné video:
Moderná história T-invariance sa začala v roku 1956. V tom roku T. D. Lee a C. N. Young spochybňovali ďalší, ale súvisiaci znak fyzikálneho práva, ktorý bol predtým považovaný za samozrejmý. Lee a Young neboli obťažovaní samotným T, ale jeho priestorovým náprotivkom, paritná transformácia P. Zatiaľ čo T zahŕňa pozeranie filmov, ktoré sa vracajú v čase, P zahŕňa pozeranie filmov odrážaných v zrkadle. P-invarzia je hypotéza, že udalosti, ktoré vidíte na odraze, sa riadia rovnakými zákonmi ako v origináloch. Lee a Young v tejto hypotéze zistili nepriame nezrovnalosti a navrhli dôležitý experiment na ich testovanie. Experimenty trvajúce niekoľko mesiacov ukázali, že v mnohých prípadoch je P-invázia porušená. (P-invariancia je zachovaná pre gravitačné, elektromagnetické a silné interakcie,ale všeobecne porušené pre slabé interakcie).
Tieto dramatické udalosti okolo invázie P- (in) viedli fyzikov k premýšľaniu o invázii T, čo je súvisiaci predpoklad, ktorý sa tiež považoval za samozrejmý. Hypotéza T-invariance sa však už niekoľko rokov podrobila prísnemu testovaniu. Až v roku 1964 skupina pod vedením Jamesa Cronina a Valentiny Fitchovej objavila zvláštny, jemný efekt v rozpadoch K-mezónov, čo porušuje T-invarenciu.
Neskôr sa dokázala múdrosť porozumenia Johna Mitchella - že „nevieš, čo máš, kým to nezmizne“.
Ak sa budeme rovnako ako malé deti pýtať „prečo?“Na chvíľu dostaneme hlbšie odpovede, ale nakoniec sa dostaneme na dno, keď prídeme k pravde, ktorú nedokážeme jednoduchšie vysvetliť. V tejto chvíli vyhlasujeme víťazstvo: „Všetko je také, aké je.“Ak však neskôr nájdeme výnimky z našej údajnej pravdy, táto odpoveď nás už viac neuspokojí. Musíme ísť ďalej.
Pokiaľ je T-invariancia univerzálnou pravdou, nie je jasné, aká užitočná bude naša otázka na začiatku. Prečo bol vesmír T-invariantný? Iba pretože. Ale po Cronin a Fitch, puzzle T-invariance jednoducho nemožno ignorovať.
Mnoho teoretických fyzikov čelilo nepríjemnému problému pochopenia toho, ako môže byť T-invarzia extrémne presná, ale nie celkom. A tu sa hodila práca Makota Kobayashiho a Toshihide Maskawa. V roku 1973 navrhli, že približná T-invariancia je náhodným dôsledkom iných, hlbších princípov.
Čas uplynul. Krátko pred tým boli nakreslené obrysy moderného štandardného modelu fyziky elementárnych častíc as nimi nová úroveň transparentnosti základných interakcií. Do roku 1973 existoval silný - a empiricky úspešný - teoretický rámec založený na niekoľkých „posvätných zásadách“. Ide o relativitu, kvantovú mechaniku a matematické pravidlo uniformity nazývané rozchodová symetria.
Ukázalo sa však, ako sa všetky tieto myšlienky navzájom spolupracovať. Spoločne významne obmedzujú možnosti základných interakcií.
Kobayashi a Maskawa urobili v dvoch krátkych odsekoch dve veci. Najprv ukázali, že ak obmedzíme fyziku na vtedy známe častice (napríklad ak existovali iba dve rodiny kvarkov a leptónov), potom všetky interakcie povolené posvätnými princípmi tiež sledujú T-invarenciu. Keby sa Cronin a Fitch nikdy neobjavili, nebolo by to tak. Ale urobili to a Kobayashi a Maskawa šli ešte ďalej. Ukázali, že ak predstavíme špeciálny súbor nových častíc (tretia skupina), tieto častice povedú k novým interakciám, čo povedie k porušeniu T-invariance. Na prvý pohľad presne to, čo mu nariadil lekár.
V nasledujúcich rokoch bol ich vynikajúci príklad detektívnej práce úplne opodstatnený. Objavili sa nové častice, ktoré Kobayashi a Maskawa pripustili, a ich interakcie sa ukázali byť presne tým, čím by mali byť.
Pozor, otázka. Sú tieto posvätné princípy skutočne posvätné? Samozrejme, že nie. Ak experimenty vedú vedcov k doplneniu týchto princípov, určite sa doplnia. V súčasnosti vyzerajú posvätné princípy pekne dobre. A boli dosť plodní, aby ich brali vážne.
Doteraz to bol príbeh víťazstva. Otázka, ktorú sme položili na začiatku, jeden z najťažších hádaniek o tom, ako svet funguje, dostala čiastočnú odpoveď: hlboká, krásna, plodná.
Niekoľko rokov po práci Kobayashiho a Maskawy objavil Gerard t'Hooft medzeru v ich vysvetľovaní T-invariance. Posvätné princípy umožňujú ďalší druh interakcie. Možné nové interakcie sú dosť jemné a objav t'Hooftovcov bol prekvapením pre väčšinu teoretických fyzikov.
Nová interakcia, ak by bola prítomná s výraznou silou, by porušila T-invarenciu v oveľa zreteľnejšej miere ako účinok, ktorý objavili Cronin, Fitch a ich kolegovia. Predovšetkým by to umožnilo rotácii neutrónov, aby okrem elektrického magnetického poľa, ktoré môže indukovať, generovalo elektrické pole. (Magnetické pole rotujúceho neutrónu je analogické tomu, čo produkuje naša rotujúca Zem, aj keď v úplne inom meradle.) Experti tvrdo hľadajú také elektrické polia, ale ich hľadanie neprinieslo žiadne výsledky.
Je to, akoby príroda nechcela použiť medzeru pre t'Hooft. Toto má, samozrejme, pravdu, ale toto právo opäť vyvoláva našu otázku: Prečo príroda sleduje T-invarenciu tak opatrne?
Bolo predložených niekoľko vysvetlení, ale iba jedno obstáli v skúške času. Ústrednou myšlienkou sú Roberto Pezzie a Helen Quinn. Ich návrh, podobne ako návrh Kobayashiho a Maskawu, zahŕňa špeciálne rozšírenie štandardného modelu. Napríklad prostredníctvom neutralizačného poľa, ktorého správanie je obzvlášť citlivé na novú interakciu t'Hooft. Ak je prítomná nová interakcia, neutralizačné pole upraví svoju vlastnú veľkosť, aby kompenzovalo vplyv tejto interakcie. (Tento proces ladenia je všeobecne podobný tomu, ako sa záporne nabité elektróny v pevných látkach zhromažďujú okolo pozitívne nabitých nečistôt a chránia ich vplyv.) Ukázalo sa, že také neutralizačné pole uzatvára našu medzeru.
Pezzie a Quinn zabudli na dôležité preukázateľné dôsledky svojej myšlienky. Častice produkované ich neutralizačným poľom - jeho kvanta - musia mať pozoruhodné vlastnosti. Pretože zabudli na svoje častice, nezmenovali ich. To mi umožnilo splniť môj detský sen.
Pred niekoľkými rokmi som videl pestrofarebný box v supermarkete zvaný Axion. Zdalo sa mi, že „axión“znie ako častica a zdá sa, že je. Takže keď som objavil novú časticu, ktorá „vyčistí“problém pomocou „axiálneho“toku, cítil som sa, akoby som mal šancu. (Čoskoro som sa dozvedel, že Steven Weinberg nezávisle objavil aj túto časticu. Nazval ju Higglet. Našťastie súhlasil, že zruší toto meno.) Tak sa začalo epos, o ktorého závere sa ešte len musí písať.
V kronike skupiny údajov o časticiach nájdete niekoľko stránok pokrývajúcich desiatky experimentov popisujúcich neúspešné vyhľadávanie axiónu. Stále však existujú dôvody pre optimizmus.
Teória axiónov všeobecne predpovedá, že axióny by mali byť veľmi ľahké častice s dlhou životnosťou, ktoré slabo interagujú s bežnou hmotou. Ale na porovnanie teórie a experimentu sa musíte spoľahnúť na čísla. A tu čelíme nejednoznačnosti, pretože existujúca teória nestanovuje hodnotu hmoty axiónu. Keby sme poznali hmotnosť axiónu, predpovedali by sme ostatné vlastnosti. Hmota samotná však môže byť v širokom rozsahu hodnôt. (Rovnaký problém bol v prípade očareného kvarku, Higgsovej častice, top kvarku a niekoľkých ďalších. Pred objavením každej z týchto častíc predpokladala teória všetky svoje vlastnosti, s výnimkou hodnoty hmotnosti). Ukázalo sa, že sila interakcie axiónu je úmerná jeho hmotnosti. Preto, keď sa hodnota hmoty axiónu znižuje, stáva sa stále viac nepolapiteľnou.
V minulosti sa fyzici zameriavali na modely, v ktorých je axión úzko spätý s Higgsovou časticou. Predpokladalo sa, že hmotnosť axiónu by mala byť rádovo 10 keV - jedna päťdesiat hmotnosti elektrónu. Väčšina experimentov, o ktorých sme hovorili predtým, hľadala axiónu práve takého plánu. V súčasnosti si môžeme byť istí, že takéto axióny neexistujú.
Temná hmota
Preto bola pozornosť zameraná na oveľa menšie hodnoty hmotností axiónov, ktoré neboli experimentálne vylúčené. Axiózy tohto druhu sa objavujú celkom prirodzene v modeloch, ktoré kombinujú interakcie v štandardnom modeli. Objavujú sa aj v teórii strún.
Vypočítali sme, že axióny sa mali vyrábať v hojnom počte v počiatkoch Veľkého tresku. Ak axióny vôbec existujú, potom axiálna tekutina vyplní vesmír. Pôvod axiónovej tekutiny zhruba pripomína pôvod slávneho kozmického mikrovlnného pozadia, medzi nimi sú však tri veľké rozdiely. Najskôr sa pozoruje pozadie mikrovlnnej rúry a axiálna tekutina zostáva čisto hypotetická. Po druhé, pretože osi majú hmotu, ich tekutina ovplyvňuje celkovú hmotnostnú hustotu vesmíru. V podstate sme vypočítali, že ich hmotnosť by mala zhruba zodpovedať hmotnosti, ktorú astronómovia určili za temnou hmotou! Po tretie, pretože axióny interagujú tak slabo, mali by byť ťažšie pozorovateľné ako fotóny CMB.
Experimentálne hľadanie axiónov pokračuje na niekoľkých frontoch. Dva z najsľubnejších experimentov sú zamerané na nájdenie axiálnej tekutiny. Jedna z nich, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), používa špeciálne supercitlivé antény na konverziu osí pozadia na elektromagnetické impulzy. Ďalší, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), hľadá malé výkyvy v pohybe jadrových spinov, ktoré by mohli byť spôsobené axiónovou tekutinou. Tieto sofistikované experimenty sľubujú, že pokryjú takmer celý rozsah možných hmotností axiónov.
Existujú axióny? Zatiaľ to nevieme. Ich existencia by priniesla dramatický a uspokojivý záver k histórii reverzibilnej šípky času a možno by tiež vyriešila záhadu temnej hmoty v zmluve. Hra sa začala.
Frank Wilczek, založený na Quanta Magazine
