Dlaczego więc wydaje się, że czas płynie tylko w jednym kierunku?
Jedna z możliwych odpowiedzi może również ujawnić tajemnice zaginionej mszy. Niektóre fakty z naszego doświadczenia są tak oczywiste i powszechne, jak różnica między przeszłością a przyszłością. Pamiętamy jedną rzecz, ale oczekujemy innej. Jeśli uruchomisz film w przeciwnym kierunku, nie będzie on realistyczny. Mówimy „strzałka czasu”, co oznacza drogę z przeszłości do przyszłości.
Można by przypuszczać, że istnienie strzałki czasu jest wpisane w podstawowe prawa fizyki. Ale jest też odwrotnie. Gdybyś nakręcił film o zdarzeniach subatomowych, zobaczyłbyś, że jego wersja odwrócona w czasie wygląda całkiem rozsądnie. Dokładniej, podstawowe prawa fizyki - z wyjątkiem drobnych egzotycznych wyjątków, do których wrócimy - będą działać niezależnie od tego, czy przekręcimy dźwignię czasu do przodu, czy do tyłu. Na tle podstawowych praw fizyki strzała czasu jest odwracalna.
Logicznie rzecz biorąc, transformacja, która odwraca kierunek czasu, musi również zmienić podstawowe prawa. Zdrowy rozsądek podpowiada, co powinno. Ale to się nie zmienia. Fizycy używają wygodnego akronimu do opisania tego faktu. Nazywają transformację, która odwraca strzałkę czasu, po prostu T, od odwrócenia czasu. A fakt, że T nie zmienia podstawowych praw, jest nazywany „niezmiennikiem T” lub „symetrią T”.
Codzienne doświadczenia naruszają niezmienniczość T, podczas gdy podstawowe prawa ją szanują. Ta rażąca rozbieżność rodzi trudne pytania. W jaki sposób rzeczywisty świat, którego podstawowe prawa szanują symetrię T, zdaje się wyglądać tak asymetrycznie? Czy to możliwe, że pewnego dnia spotkamy istoty żyjące w przeciwnym rytmie czasu - które z wiekiem stają się młodsze? Czy możemy, poprzez jakiś fizyczny proces, odwrócić naszą własną strzałę czasu?
To interesujące pytania, do których wrócimy później. W tym artykule Frank Wilczek, fizyk teoretyczny z Massachusetts Institute of Technology i laureat Nagrody Nobla, postanowił poruszyć inny problem. Powstaje, gdy zaczynasz na drugim końcu, w ramach wspólnego doświadczenia. Czy to jest zagadka?
Dlaczego prawa podstawowe mają tę problematyczną i dziwną właściwość, niezmienniczość T?
Odpowiedź, jakiej można dziś udzielić, jest nieporównywalnie głębsza i bardziej złożona niż to, co mogliśmy zaoferować 50 lat temu. Dzisiejsze zrozumienie wyłoniło się z genialnej interakcji odkryć eksperymentalnych i analizy teoretycznej, które zdobyły kilka nagród Nobla. Ale w naszej odpowiedzi brakuje niektórych elementów. Poszukiwanie ich może nas doprowadzić do nieoczekiwanej nagrody: definicji kosmologicznej „ciemnej materii”.
Film promocyjny:
Współczesna historia niezmienniczości T rozpoczęła się w 1956 roku. W tym samym roku T. D. Lee i C. N. Young zakwestionowali inną, ale pokrewną cechę prawa fizycznego, która wcześniej była uważana za pewnik. Lee i Youngowi nie przeszkadzało samo T, ale jego przestrzenny odpowiednik, transformacja parzystości P. Podczas gdy T obejmuje oglądanie filmów cofających się w czasie, P obejmuje oglądanie filmów odbitych w lustrze. Niezmienniczość P to hipoteza, że wydarzenia, które widzisz na filmach odbitych, podlegają tym samym prawom, co w oryginałach. Lee i Young zidentyfikowali pośrednie niespójności w tej hipotezie i zaproponowali ważny eksperyment w celu ich przetestowania. Eksperymenty trwające kilka miesięcy wykazały, że niezmienność P jest w wielu przypadkach naruszana. (Niezmienność P jest zachowana dla oddziaływań grawitacyjnych, elektromagnetycznych i silnych,ale generalnie naruszane w przypadku słabych interakcji).
Te dramatyczne wydarzenia związane z niezmienniczością P (nie) skłoniły fizyków do zastanowienia się nad niezmienniczością T, powiązanym założeniem, które również było kiedyś brane za pewnik. Jednak hipoteza T-niezmienności jest od kilku lat poddawana rygorystycznym testom. Dopiero w 1964 r. Grupa kierowana przez Jamesa Cronina i Valentinę Fitch odkryła osobliwy, subtelny efekt w rozpadach mezonów K, który narusza niezmienniczość T.
Mądrość zrozumienia Johna Mitchella - że „nie wiesz, co masz, dopóki tego nie ma” - została później udowodniona.
Jeśli, podobnie jak małe dzieci, będziemy nadal pytać „dlaczego?” Przez chwilę otrzymamy głębsze odpowiedzi, ale w końcu dotrzemy do dna, kiedy dojdziemy do prawdy, której nie możemy wyjaśnić w prostszy sposób. W tym momencie ogłaszamy zwycięstwo: „Wszystko jest takie, jakie jest”. Ale jeśli później znajdziemy wyjątki od naszej rzekomej prawdy, ta odpowiedź już nas nie zadowoli. Musimy iść dalej.
Dopóki niezmienniczość T jest prawdą uniwersalną, nie jest jasne, jak przydatne będzie nasze pytanie na początku. Dlaczego wszechświat był niezmienny T? Właśnie dlatego. Ale po Croninie i Fitchu zagadki niezmienniczości T po prostu nie można zignorować.
Wielu fizyków teoretycznych stanęło przed dokuczliwym problemem zrozumienia, w jaki sposób niezmienniczość T może być niezwykle dokładna, ale nie do końca. I tu przydała się praca Makoto Kobayashiego i Toshihide Maskawa. W 1973 roku zasugerowali, że przybliżona niezmienniczość T jest przypadkową konsekwencją innych, głębszych zasad.
Czas minął. Niedawno zarysowano kontury współczesnego modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych, a wraz z nimi nowy poziom przejrzystości podstawowych interakcji. Do 1973 roku istniały potężne - i empirycznie skuteczne - ramy teoretyczne oparte na kilku „świętych zasadach”. Są to teoria względności, mechanika kwantowa i matematyczna zasada jednorodności zwana symetrią cechowania.
Ale połączenie wszystkich tych pomysłów okazało się trudne. Razem znacznie ograniczają możliwości podstawowych interakcji.
Kobayashi i Maskawa w dwóch krótkich akapitach zrobili dwie rzeczy. Po pierwsze, wykazali, że jeśli ograniczymy fizykę do znanych wówczas cząstek (na przykład, jeśli byłyby tylko dwie rodziny kwarków i leptonów), to wszystkie interakcje dozwolone przez święte zasady również podlegają niezmienniczości T. Gdyby Cronin i Fitch nigdy nie dokonali swojego odkrycia, tak by się nie stało. Ale tak się stało, a Kobayashi i Maskawa poszli jeszcze dalej. Pokazali, że jeśli wprowadzimy specjalny zestaw nowych cząstek (trzecia rodzina), cząstki te doprowadzą do nowych interakcji, prowadzących do naruszenia niezmienniczości T. Na pierwszy rzut oka dokładnie to, co zalecił lekarz.
W następnych latach ich wspaniały przykład pracy detektywistycznej był w pełni uzasadniony. Odkryto nowe cząstki, do których istnienia przyznali się Kobayashi i Maskawa, a ich interakcje okazały się dokładnie takie, jak powinny.
Uwaga, pytanie. Czy te święte zasady są naprawdę święte? Oczywiście nie. Jeśli eksperymenty doprowadzą naukowców do uzupełnienia tych zasad, z pewnością uzupełnią się. W tej chwili święte zasady wyglądają cholernie dobrze. Byli na tyle owocni, że potraktowali je poważnie.
Jak dotąd była to historia triumfu. Pytanie, które postawiliśmy na początku, jedna z najtrudniejszych zagadek o tym, jak działa świat, otrzymało częściową odpowiedź: głębokie, piękne, owocne.
Kilka lat po pracy Kobayashiego i Maskawy Gerard t'Hooft odkrył lukę w ich wyjaśnieniu T-niezmienności. Święte zasady pozwalają na dodatkowy rodzaj interakcji. Możliwa nowa interakcja jest dość subtelna, a odkrycie t'Hoofta było zaskoczeniem dla większości fizyków teoretyków.
Nowa interakcja, gdyby była obecna ze znaczną siłą, naruszyłaby niezmienniczość T w znacznie bardziej oczywistym stopniu niż efekt odkryty przez Cronina, Fitcha i ich współpracowników. W szczególności pozwoliłoby to na obrót neutronu w celu wytworzenia pola elektrycznego, oprócz pola magnetycznego, które może wywołać. (Pole magnetyczne wirującego neutronu jest analogiczne do tego, co wytwarza nasza wirująca Ziemia, choć na zupełnie inną skalę). Eksperymenty intensywnie poszukiwały takich pól elektrycznych, ale ich poszukiwania nie przyniosły rezultatów.
To tak, jakby natura nie chciała wykorzystać luki t'Hoofta. Oczywiście ma to rację, ale to prawo ponownie rodzi nasze pytanie: dlaczego natura tak uważnie śledzi niezmienniczość T?
Zaproponowano kilka wyjaśnień, ale tylko jedno przetrwało próbę czasu. Główna idea należy do Roberto Pezzie i Helen Quinn. Ich propozycja, podobnie jak Kobayashi i Maskawa, zakłada w szczególny sposób rozszerzenie Modelu Standardowego. Na przykład przez pole neutralizujące, którego zachowanie jest szczególnie wrażliwe na nową interakcję t'Hooft. Jeśli występuje nowe oddziaływanie, pole neutralizujące dostosowuje swoją własną wielkość, aby skompensować wpływ tej interakcji. (Ten proces strojenia jest ogólnie podobny do tego, jak ujemnie naładowane elektrony w ciałach stałych gromadzą się wokół dodatnio naładowanych zanieczyszczeń i osłaniają ich wpływ). Okazuje się, że takie neutralizujące pole zamyka naszą lukę.
Pezzie i Quinn zapomnieli o ważnych możliwych do przetestowania implikacjach swojego pomysłu. Cząsteczki wytwarzane przez ich neutralizujące pole - jego kwanty - muszą mieć niezwykłe właściwości. Ponieważ zapomnieli o swoich cząstkach, też ich nie nadali imion. To pozwoliło mi spełnić marzenie z dzieciństwa.
Kilka lat wcześniej w supermarkecie Axion widziałem kolorowe pudełko. Wydawało mi się, że „aksjon” brzmi jak cząstka i, jak się wydaje, jest. Kiedy więc odkryłem nową cząstkę, która „oczyszcza” problem z przepływem „osiowym”, poczułem, że mam szansę. (Wkrótce dowiedziałem się, że Steven Weinberg również niezależnie odkrył tę cząstkę. Nazwał ją Higglet. Na szczęście zgodził się porzucić tę nazwę.) Tak rozpoczął się epos, którego zakończenie pozostaje tylko do napisania.
W Kronikach Grupy Danych o Cząsteczkach znajdziesz kilka stron zawierających dziesiątki eksperymentów opisujących nieudane poszukiwania aksjonu. Ale nadal istnieją powody do optymizmu.
Teoria aksionów przewiduje ogólnie, że aksjony powinny być bardzo lekkimi, bardzo długowiecznymi cząstkami, które słabo oddziałują ze zwykłą materią. Ale aby porównać teorię i eksperyment, musisz polegać na liczbach. I tutaj mamy do czynienia z niejednoznacznością, ponieważ istniejąca teoria nie ustala wartości masy aksionu. Gdybyśmy znali masę aksionu, przewidzielibyśmy pozostałe jego właściwości. Ale sama masa może mieć szeroki zakres wartości. (Ten sam problem dotyczył kwarku czarującego, cząstki Higgsa, kwarku górnego i kilku innych. Przed odkryciem każdej z tych cząstek teoria przewidywała wszystkie ich właściwości, z wyjątkiem wartości masy). Okazało się, że siła oddziaływania aksjonu jest proporcjonalna do jego masy. Dlatego wraz ze spadkiem wartości masy aksionu staje się on coraz bardziej nieuchwytny.
W przeszłości fizycy koncentrowali się na modelach, w których aksjon jest ściśle powiązany z cząstką Higgsa. Przyjęto, że masa aksionu powinna być rzędu 10 keV - jednej pięćdziesiątej masy elektronu. Większość eksperymentów, o których mówiliśmy wcześniej, szukała aksjonu takiego właśnie planu. W chwili obecnej możemy być pewni, że takie aksjony nie istnieją.
Ciemna materia
Dlatego też zwrócono uwagę na znacznie mniejsze wartości mas aksionów, których nie wykluczono eksperymentalnie. Tego rodzaju osie pojawiają się całkiem naturalnie w modelach, które łączą interakcje w Modelu Standardowym. Pojawiają się również w teorii strun.
Obliczyliśmy, że we wczesnych momentach Wielkiego Wybuchu powinno powstać dużo aksionów. Jeśli aksjony w ogóle istnieją, wówczas płyn aksionowy wypełnia Wszechświat. Pochodzenie płynu aksjonowego z grubsza przypomina pochodzenie słynnego kosmicznego mikrofalowego tła, ale istnieją między nimi trzy główne różnice. Najpierw obserwuje się tło mikrofalowe, a płyn aksjonowy pozostaje czysto hipotetyczny. Po drugie, ponieważ aksjony mają masę, ich płyn wpływa na ogólną gęstość masy Wszechświata. Zasadniczo obliczyliśmy, że ich masa powinna z grubsza odpowiadać masie wyznaczonej przez astronomów za ciemną materią! Po trzecie, ponieważ aksjony oddziałują tak słabo, powinny być trudniejsze do zaobserwowania niż fotony KMPT.
Eksperymentalne poszukiwania aksionów trwają na kilku frontach. Celem dwóch najbardziej obiecujących eksperymentów jest znalezienie płynu aksjonowego. Jeden z nich, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), wykorzystuje specjalne super czułe anteny do przekształcania aksji tła w impulsy elektromagnetyczne. Inny, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), szuka drobnych fluktuacji ruchu spinów jądrowych, które mogą być spowodowane przez płyn aksjonowy. Ponadto te wyrafinowane eksperymenty mogą objąć prawie cały zakres możliwych mas aksionów.
Czy istnieją aksjony? Jeszcze nie wiemy. Ich istnienie doprowadziłoby do dramatycznego i satysfakcjonującego zakończenia historii odwracalnej strzały czasu, a być może również rozwiązałoby tajemnicę ciemnej materii w tej umowie. Gra się rozpoczęła.
Frank Wilczek, na podstawie Quanta Magazine