Zašto se, čini se, vrijeme kreće u samo jednom smjeru?
Jedan od mogućih odgovora može otkriti i tajne mase koja nedostaje. Neke su činjenice našeg iskustva jednako očite i raširene koliko i razlika između prošlosti i budućnosti. Sjećamo se jedne stvari, ali očekujemo i drugu. Ako film pokrenete u suprotnom smjeru, neće biti realno. Mi kažemo „strelica vremena“, znači put od prošlosti do budućnosti.
Moglo bi se pretpostaviti da je postojanje strelice vremena ugrađeno u temeljne zakone fizike. Ali istina je također suprotna. Kad biste snimili film o subatomskim događajima, otkrit ćete da njegova obrnuta verzija izgleda prilično razumno. Preciznije, osnovni zakoni fizike - s izuzetkom sitnih egzotičnih izuzetaka, kojima ćemo se vratiti - djelovati će bez obzira na to okrećemo li polugu vremena naprijed ili natrag. Uz pozadinu osnovnih zakona fizike, strelica vremena je reverzibilna.
Logično, transformacija koja mijenja smjer vremena također mora promijeniti temeljne zakone. Zdrav razum diktira što bi trebalo. Ali, to se ne mijenja. Fizičari koriste prikladnu kraticu za opisivanje ove činjenice. Oni nazivaju transformaciju koja obrne strelicu vremena, jednostavno T, od preokreta vremena. A činjenica da T ne mijenja temeljne zakone naziva se "T-invariance" ili "T-simetrijom".
Svakodnevno iskustvo krši invaziju na T, dok ga temeljni zakoni poštuju. Ova velika diskrepancija postavlja teška pitanja. Kako stvarni svijet, čiji temeljni zakoni poštuju T-simetriju, uspijeva izgledati tako asimetrično? Je li moguće da ćemo jednog dana pronaći bića koja žive u suprotnom ritmu vremena - koja postaju mlađa kako postajemo? Možemo li kroz neki fizički proces preokrenuti svoju strelicu vremena?
Ovo su zanimljiva pitanja, a na njih ćemo se vratiti kasnije. U ovom je članku Frank Wilczek, teorijski fizičar na Massachusetts Institute of Technology i dobitnik Nobelove nagrade, odlučio pokrenuti još jedno pitanje. Nastaje kada krenete s drugog kraja, u okviru zajedničkog iskustva. Zagonetka je ovo?
Zašto temeljni zakoni imaju to problematično i čudno svojstvo, T-invariance?
Odgovor koji danas možemo ponuditi neusporedivo je dublji i složeniji od onoga što bismo mogli ponuditi prije 50 godina. Današnje razumijevanje proisteklo je iz sjajne interakcije eksperimentalnih otkrića i teorijskih analiza koje su osvojile nekoliko Nobelovih nagrada. Ali u našem odgovoru nedostaju neki elementi. Potraga za njima može nas dovesti do neočekivane nagrade: definicija kozmološke "tamne materije".
Promotivni video:
Moderna povijest T-invarijancije započela je 1956. godine. Te godine T. D. Lee i C. N. Young ispitivali su još jednu, ali srodnu značajku fizičkog zakona, koja je prethodno uzeta zdravo za gotovo. Leeja i Younga nije smetala sama T, već njegov prostorni pandan, transformacija pariteta P. Dok T uključuje gledanje filmova koji se vraćaju u vrijeme, P uključuje gledanje filmova odraženih u ogledalu. P-invarijantnost je hipoteza da događaji koje vidite u odrazljenim filmovima poštuju iste zakone kao u izvornicima. Lee i Young identificirali su neizravne nedosljednosti u ovoj hipotezi i predložili važan eksperiment kako bi ih testirali. Eksperimenti tijekom više mjeseci pokazali su da je P-invarijancija kršena u mnogim slučajevima. (P-invarijancija se čuva za gravitacijske, elektromagnetske i jake interakcije,ali se uglavnom krši zbog slabih interakcija).
Ovi dramatični događaji oko P- (ne) invazije doveli su fizičare do razmišljanja o T-invarijanciji, povezanoj pretpostavci koja je također jednom uzeta zdravo za gotovo. Međutim, hipoteza o T-invarijansu prošla je stroga ispitivanja nekoliko godina. Tek je 1964. skupina pod vodstvom Jamesa Cronina i Valentine Fitch otkrila osebujan, suptilan učinak u raspadima K-mezona, što krši T-invariance.
Mudrost Johna Mitchellovog razumijevanja - da "ne znate što imate dok ne nestane" - dokazana je nakon toga.
Ako ćemo se poput male djece neko vrijeme pitati "zašto?", Dublje ćemo odgovore dobiti, ali na kraju ćemo pogoditi dno kad dođemo do istine koju ne možemo jednostavnije objasniti. U ovom trenutku izjavljujemo pobjedu: "Sve je kako jest." Ali ako kasnije pronađemo iznimke od naše pretpostavljene istine, ovaj odgovor nas više neće zadovoljavati. Moramo krenuti dalje.
Sve dok je T-invarijantnost univerzalna istina, nije jasno koliko će naše pitanje u početku biti korisno. Zašto je svemir bio T-invarijan? Samo zato što. Ali nakon Cronina i Ficcha, zagonetka T-invarijancije se jednostavno ne može zanemariti.
Mnogi teorijski fizičari suočili su se s neprijatnim problemom razumijevanja kako T-invarijantnost može biti vrlo precizna, ali ne sasvim. I ovdje je posao Makoto Kobayashi i Toshihide Maskawa dobro došao. U 1973, oni su sugerirali da je približna invazija T slučajna posljedica drugih, dubljih principa.
Vrijeme je prošlo. Nedugo zatim nacrtane su konture modernog Standardnog modela fizike elementarnih čestica, a s njima je i nova razina transparentnosti temeljnih interakcija. Do 1973. postojao je snažan - i empirijski uspješan - teorijski okvir zasnovan na nekoliko "svetih načela". To su relativnost, kvantna mehanika i matematičko pravilo uniformnosti koje se naziva kalibra simetrija.
Ali zajedničko djelovanje svih ovih ideja se pokazalo teškim. Zajedno značajno ograničavaju mogućnosti za osnovne interakcije.
Kobayashi i Maskawa su u dva kratka stavka odradili dvije stvari. Prvo su pokazali da ako ograničimo fiziku na tada poznate čestice (na primjer, ako su bile samo dvije obitelji kvarkova i leptona), onda sve interakcije dopuštene svetim načelima također slijede T-invariance. Da Cronin i Fitch nikada nisu otkrili svoje slučajeve, to ne bi bio slučaj. Ali uspjeli su, a Kobayashi i Maskawa otišli su još dalje. Pokazali su da ako uvedemo poseban skup novih čestica (treća obitelj), te će čestice dovesti do novih interakcija, što će dovesti do kršenja T-invariance. Na prvi pogled, upravo ono što je liječnik naredio.
U godinama koje su uslijedile njihov je sjajan primjer detektivskog rada bio potpuno opravdan. Otkrivene su nove čestice za koje su Kobayashi i Maskawa priznali da postoje, a pokazalo se da su njihove interakcije bile upravo takve kakve su trebale biti.
Pažnja, pitanje. Jesu li ta sveta načela doista sveta? Naravno da ne. Ako eksperimenti vode znanstvenike da nadopunjuju ta načela, oni će se sigurno nadopuniti. U ovom trenutku, sveta načela izgledaju prilično prokleto dobro. I bili su dovoljno plodni da ih shvate ozbiljno.
Do sada je to bila priča o trijumfu. Na pitanje koje smo postavili na početku, jedna od najtežih zagonetki o tome kako svijet funkcionira, dobio sam djelomičan odgovor: dubok, lijep, plodan.
Nekoliko godina nakon djela Kobayashija i Maskawe, Gerard t'Hooft otkrio je rupu u svom objašnjenju T-invariance. Sveti principi omogućuju dodatnu vrstu interakcije. Moguća nova interakcija prilično je suptilna, a t'Hooftovo otkriće iznenadilo je većinu teorijskih fizičara.
Nova interakcija, ako bude prisutna sa značajnom snagom, narušit će T-invariance u mnogo očiglednijoj mjeri od učinka koji su otkrili Cronin, Fitch i njihovi kolege. Osobito bi omogućila rotacija neutrona da generira električno polje, pored magnetskog polja koje može izazvati. (Magnetsko polje centrifugirajućeg neutrona analogno je onome što proizvodi naša Zemlje koja se vrti, iako u posve drugačijoj mjeri.) Eksperimenti su teško pretraživali takva električna polja, ali njihova pretraga nije dala rezultata.
Kao da priroda ne želi koristiti puškarnicu t'Hoofta. Naravno, to je njezino pravo, ali ovo pravo opet postavlja naše pitanje: zašto priroda tako pomno slijedi T-invariance?
Ponuđeno je nekoliko objašnjenja, ali samo je jedno izdržalo test vremena. Središnja ideja pripada Robertu Pezzieju i Helen Quinn. Njihov prijedlog, kao i Kobayashi i Maskawa, uključuje proširenje Standardnog modela na poseban način. Na primjer, kroz neutralizacijsko polje, čije je ponašanje posebno osjetljivo na novu t'Hooft interakciju. Ako je prisutna nova interakcija, neutralizacijsko polje prilagođava vlastitu veličinu da kompenzira utjecaj te interakcije. (Ovaj postupak podešavanja općenito je sličan načinu na koji se negativno nabijeni elektroni u krutini okupljaju oko pozitivno nabijenih nečistoća i štite njihov utjecaj.) Takvo neutralizirajući polje, ispada, zatvara našu rupu.
Pezzie i Quinn zaboravili su važne implicirajuće implikacije svoje ideje. Čestice proizvedene njihovim neutralizirajućim poljem - njegovom kvanti - moraju imati izuzetna svojstva. Budući da su zaboravili na svoje čestice, nisu ih imenovali. Ovo mi je omogućilo da ispunim svoj djetinjski san.
Nekoliko godina ranije vidio sam kutiju jarkih boja u supermarketu pod nazivom Axion. Činilo mi se da "aksion" zvuči poput čestice i, čini se, jest. Pa kad sam otkrio novu česticu koja "čisti" problem "aksijalnim" protokom, osjećala sam se kao da imam priliku. (Ubrzo sam saznao da je Steven Weinberg također otkrio ovu česticu neovisno. Nazvao ju je Higglet. Srećom, pristao je to ime ispustiti.) Tako je započeo ep, o čijem zaključku ostaje samo pisati.
U Ljetopisima podataka o česticama naći ćete nekoliko stranica koje pokrivaju desetine eksperimenata koji opisuju neuspješno traženje aksije. Ali razloga za optimizam još uvijek postoje.
Aksionska teorija predviđa, općenito govoreći, da bi aksije trebale biti vrlo lagane, vrlo dugovječne čestice koje slabo komuniciraju s običnom materijom. Ali da biste usporedili teoriju i eksperiment, morate se osloniti na brojeve. I ovdje smo suočeni s dvosmislenošću, budući da postojeća teorija ne popravlja vrijednost aksionske mase. Kad bismo znali masu aksiona, predvidjeli bi nam ostala svojstva. Ali sama masa može biti u širokom rasponu vrijednosti. (Isti je problem bio s šarmantanim kvarkom, Higgsovom česticom, gornjim kvarkom i nekolicinom drugih. Prije otkrića svake od tih čestica, teorija je predvidjela sva njihova svojstva, osim masene vrijednosti). Pokazalo se da je sila interakcije aksiona proporcionalna njegovoj masi. Stoga, kako se vrijednost mase aksiona smanjuje, ona postaje sve neuhvatljivija.
U prošlosti su se fizičari usredotočili na modele u kojima je aksija usko povezana s Higgsovom česticom. Pretpostavljalo se da bi masa aksiona trebala biti reda 10 keV - jedna pedeset mase elektrona. Većina eksperimenata o kojima smo ranije govorili tražila je osovinu upravo takvog plana. U današnje vrijeme možemo biti sigurni da takve aksije ne postoje.
Tamna materija
I zato je pažnja privučena na puno manje vrijednosti aksionskih masa, koje nisu ekskluzivno isključene. Ovakve osi se sasvim prirodno pojavljuju na modelima koji kombiniraju interakcije u Standardnom modelu. Također se pojavljuju u teoriji struna.
Proračunali smo da bi se u ranim trenucima Velikog praska trebalo stvoriti obilje aksija. Ako aksije uopće postoje, onda aksionska tekućina ispunjava Svemir. Podrijetlo akcijske tekućine otprilike nalikuje izvoru poznate kozmičke mikrovalne pozadine, ali postoje tri glavne razlike između njih dvije. Prvo, uočava se pozadina mikrovalne, a tekućina s aksionom ostaje čisto hipotetička. Drugo, s obzirom da aksije imaju masu, njihov fluid utječe na ukupnu gustoću mase svemira. U osnovi, izračunali smo da njihova masa treba otprilike odgovarati masi koju su astronomi utvrdili iza tamne materije! Treće, zato što aksije djeluju tako slabo, da bi ih trebalo biti teže promatrati nego CMB fotoni.
Eksperimentalna potraga za sjekirama se nastavlja na nekoliko fronta. Dva najperspektivnija eksperimenta usmjerena su na pronalaženje akionske tekućine. Jedna od njih, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), koristi posebne super osjetljive antene za pretvaranje pozadinskih aksija u elektromagnetske impulse. Drugi, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), traži male fluktuacije u kretanju nuklearnih spinova koje bi mogle prouzročiti akionske tekućine. Osim toga, ovi sofisticirani eksperimenti obećavaju da će pokriti gotovo cijeli raspon mogućih aksionskih masa.
Postoje li sjekire? Još ne znamo. Njihovo postojanje donijelo bi dramatičan i zadovoljavajući zaključak povijesti reverzibilne strelice vremena, a možda bi i razriješilo tajnu tamne materije u cjenku. Igra je započela.
Frank Wilczek, temeljen na časopisu Quanta