Zakaj se potem zdi, da se čas premika samo v eno smer?
Eden od možnih odgovorov lahko razkrije tudi skrivnosti manjkajoče mase. Nekatera dejstva iz naših izkušenj so tako očitna in razširjena kot razlika med preteklostjo in prihodnostjo. Spomnimo se ene stvari, pričakujemo pa drugo. Če film vodite v nasprotni smeri, ne bo realističen. Pravimo "puščica časa", kar pomeni pot od preteklosti do prihodnosti.
Lahko bi domnevali, da je obstoj puščice časa vgrajen v temeljne zakone fizike. Je pa tudi obratno. Če bi posneli film o subatomskih dogodkih, bi ugotovili, da njegova časovno obrnjena različica izgleda povsem smiselno. Natančneje, osnovni zakoni fizike - razen drobnih eksotičnih izjem, h katerim se bomo vrnili - bodo delovali ne glede na to, ali ročico časa obrnemo naprej ali nazaj. Glede na temeljne zakone fizike je puščica časa reverzibilna.
Logično, da mora transformacija, ki obrne smer časa, spremeniti tudi temeljne zakone. Zdrav razum narekuje, kaj bi moralo. Vendar se ne spremeni. Za opis tega dejstva fiziki uporabljajo priročno kratico. Poimenujejo preobrazbo, ki obrne puščico časa, preprosto T, od obratnega časa. In dejstvo, da T ne spreminja temeljnih zakonov, označujemo kot "T-invariance" ali "T-simetrijo".
Vsakodnevna izkušnja krši T-invariance, medtem ko jo temeljni zakoni spoštujejo. To izrazito neskladje odpira težka vprašanja. Kako resničnemu svetu, katerega temeljni zakoni spoštujejo T-simetrijo, uspe videti tako asimetrično? Ali je mogoče, da bomo nekega dne našli bitja, ki živijo v nasprotnem ritmu časa - ki se staramo, ko se staramo? Ali lahko s fizičnim procesom obrnemo svojo puščico časa?
To so zanimiva vprašanja in na njih se bomo vrnili kasneje. V tem članku se je Frank Wilczek, teoretični fizik na Tehnološkem inštitutu v Massachusettsu in dobitnik Nobelove nagrade, odločil, da bo pokril še eno vprašanje. Nastane, ko začneš na drugem koncu, v okviru skupne izkušnje. Uganka je to?
Zakaj imajo temeljni zakoni to problematično in čudno lastnost, T-invariance?
Odgovor, ki ga lahko ponudimo danes, je neprimerljivo globlji in kompleksnejši od tistega, kar bi lahko ponudili pred 50 leti. Današnje razumevanje je izhajalo iz briljantne prepletenosti eksperimentalnega odkrivanja in teoretične analize, ki sta dobila več Nobelovih nagrad. Toda v našem odgovoru manjkajo nekateri elementi. Iskanje po njih nas lahko privede do nepričakovane nagrade: definicija kozmološke "temne snovi".
Promocijski video:
Sodobna zgodovina T-invariance se je začela leta 1956. Tistega leta sta T. D. Lee in C. N. Young dvomila o še eni, a sorodni značilnosti fizičnega prava, ki je bila prej sprejeta kot samoumevna. Leeja in Younga ni motil sam T, ampak njegov prostorski nasprotnik, paritetna transformacija P. Medtem ko T vključuje ogled filmov, ki segajo v čas, P vključuje ogled filmov, odsevanih v ogledalu. P-invariance je hipoteza, da dogodki, ki jih vidite v odsevnih filmih, izpolnjujejo iste zakone kot v izvirnikih. Lee in Young sta v tej hipotezi ugotovila posredne nedoslednosti in predlagala pomemben poskus, da bi ju preizkusili. Večmesečni poskusi so pokazali, da je P-invariance v mnogih primerih kršeno. (P-invariance je namenjeno gravitacijskim, elektromagnetnim in močnim interakcijam,vendar se na splošno krši zaradi šibkih interakcij).
Ti dramatični dogodki okoli P - (ne) invariance so fizike privedli do razmišljanja o T-invariance, sorodni predpostavki, ki je bila nekoč tudi samoumevna. Vendar je hipoteza invazijnosti T že več let podvržena strogim testiranjem. Šele leta 1964 je skupina, ki sta jo vodila James Cronin in Valentina Fitch, v razpadih K-mezonov odkrila svojevrsten, subtilen učinek, kar krši T-invariance.
Modrost razumevanja Johna Mitchella - da "ne veš, kaj imaš, dokler tega ne mine" - je bila dokazana pozneje.
Če se bomo kot majhni otroci kar nekaj časa spraševali "zakaj?", Bomo za nekaj časa dobili globlje odgovore, vendar bomo sčasoma dosegli dno, ko bomo prišli do resnice, ki je ne moremo preprosto razložiti. V tem trenutku razglasimo zmago: "Vse je tako, kot je." Toda če kasneje najdemo izjeme od naše domnevne resnice, nas ta odgovor ne bo več zadovoljil. Moramo nadaljevati.
Dokler je T-invariance univerzalna resnica, ni jasno, kako koristno bo naše vprašanje na začetku. Zakaj je bilo vesolje T-invariantno? Samo zato, ker. Toda po Croninu in Fitchu uganke T-invarijance preprosto ni mogoče prezreti.
Številni teoretični fiziki so se soočali z nadležno težavo razumevanja, kako je lahko T-invariance izjemno natančna, vendar ne povsem. In tu je delo Makoto Kobayashi in Toshihide Maskawa prišlo prav. Leta 1973 so predlagali, da je približna invazija T naključna posledica drugih, globljih načel.
Čas je minil. Nedolgo pred tem so bile narisane konture sodobnega Standardnega modela fizike osnovnih delcev in z njimi nova stopnja preglednosti temeljnih interakcij. Do leta 1973 je obstajal močan - in empirično uspešen - teoretični okvir, ki je temeljil na več "svetih načel". To so relativnost, kvantna mehanika in matematično pravilo enakomernosti, imenovano merilna simetrija.
Toda uresničiti vse te ideje za sodelovanje se je izkazalo za težko. Skupaj bistveno omejujejo možnosti za osnovne interakcije.
Kobayashi in Maskawa sta v dveh kratkih odstavkih naredila dve stvari. Najprej so pokazali, da če omejimo fiziko na takrat znane delce (na primer, če sta bili samo dve družini kvarkov in leptonov), potem vse interakcije, ki jih dovoljujejo sveti principi, sledijo tudi T-invariance. Če Cronin in Fitch nikoli ne bi odkrila, to ne bi bilo tako. Ampak so šli in Kobajaši in Maskawa sta šli še dlje. Pokazali so, da če uvedemo poseben nabor novih delcev (tretja družina), bodo ti delci privedli do novih interakcij, kar bo vodilo do kršitev T-invariance. Na prvi pogled natanko tisto, kar je zdravnik naročil.
V naslednjih letih je bil njihov sijajni primer detektivskega dela povsem upravičen. Odkriti so bili novi delci, za katera sta Kobayashi in Maskawa priznala, da sta obstajala, njihova interakcija pa se je izkazala za natančno takšno, kot bi morala biti.
Pozor, vprašanje. So ta sveta načela res sveta? Seveda ne. Če poskusi vodijo znanstvenike k dopolnitvi teh načel, se bodo zagotovo dopolnili. Trenutno so sveta načela videti prekleto dobro. In bili so dovolj plodni, da so jih jemali resno.
Doslej je bila zgodba zmagoslavja. Na vprašanje, ki smo si ga zastavili na začetku, ena najtežjih ugank o tem, kako svet deluje, smo dobili delni odgovor: globok, lep, ploden.
Nekaj let po delu Kobayashija in Maskawe je Gerard t'Hooft odkril vrzel v svoji razlagi T-invariance. Sveta načela omogočajo dodatno vrsto interakcije. Možna nova interakcija je precej subtilna in t'Hooftovo odkritje je večino teoretičnih fizikov presenetilo.
Nova interakcija, če bi bila prisotna s pomembno močjo, bi krčila T-invariance v bistveno bolj očitni meri kot učinek, ki so ga odkrili Cronin, Fitch in njihovi sodelavci. Zlasti bi omogočilo vrtenje nevtrona, da ustvari električno polje, poleg magnetnega polja, ki ga lahko povzroči. (Magnetno polje vrtečega se nevtrona je analogno tistemu, kar ustvarja naša predenje Zemlja, čeprav v povsem drugem obsegu.) Eksperimenti so težko iskali takšna električna polja, vendar njihovo iskanje ni dalo rezultatov.
Kot da narava noče uporabljati vrzeli t'Hoofta. Seveda je to njena pravica, vendar ta pravica znova sproži naše vprašanje: zakaj narava tako skrbno sledi T-invariance?
Ponujenih je bilo več razlag, le ena je prestala preizkus časa. Osrednja ideja pripada Robertu Pezzieju in Helen Quinn. Njihov predlog, tako kot Kobayashi in Maskawa, vključuje razširitev standardnega modela na poseben način. Na primer prek nevtralizacijskega polja, katerega obnašanje je še posebej občutljivo na novo interakcijo t'Hooft. Če je prisotna nova interakcija, nevtralizacijsko polje prilagodi svojo velikost, da nadomesti vpliv te interakcije. (Ta postopek nastavitve je na splošno podoben temu, kako se negativno nabiti elektroni v trdnih snoveh naberejo okoli pozitivno nabitih nečistoč in zaščitijo njihov vpliv.) Takšno nevtralizacijsko polje se izkaže, da zapre našo vrzel.
Pezzie in Quinn sta pozabila na pomembne preizkusne posledice svoje ideje. Delci, ki nastanejo v nevtralizacijskem polju - njegovi količini - morajo imeti izjemne lastnosti. Ker so pozabili na svoje delce, jih tudi niso poimenovali. To mi je omogočilo, da sem izpolnil svoje otroške sanje.
Nekaj let prej sem v supermarketu z imenom Axion videl svetlo obarvano škatlo. Zdelo se mi je, da "axion" zveni kot delček in, kot kaže, je. Ko sem torej odkril nov delček, ki "očisti" težavo z "aksialnim" tokom, sem se počutil, kot da imam priložnost. (Kmalu sem izvedel, da je Steven Weinberg tudi ta delček odkril neodvisno. Poimenoval ga je Higglet. Na srečo je privolil v to ime.) Tako se je začel ep, katerega zaključek je še treba zapisati.
V Kroniki skupine podatkov o delcih boste našli več strani, ki zajemajo desetine poskusov, ki opisujejo neuspešno iskanje osi. A še vedno obstajajo razlogi za optimizem.
Aksionska teorija na splošno predvideva, da bi morale biti aksije zelo lahki, zelo dolgoživi delci, ki šibko komunicirajo z navadno snovjo. Če pa želite primerjati teorijo in eksperiment, se morate zanesti na številke. In tu se srečujemo z dvoumnostjo, saj obstoječa teorija ne določa vrednosti aksionske mase. Če bi poznali maso aksiona, bi predvideli preostale njegove lastnosti. Toda sama masa je lahko v širokem razponu vrednosti. (Enaka težava je bila z očarljivo kvarko, Higgsovim delcem, zgornjim kvarkom in številnimi drugimi. Pred odkritjem vsakega od teh delcev je teorija napovedala vse njihove lastnosti, razen masne vrednosti). Izkazalo se je, da je sila medsebojnega delovanja aksiona sorazmerna z njegovo maso. Zato, ko se vrednost mase aksiona zmanjšuje, postaja čedalje bolj nedostopna.
V preteklosti so se fiziki osredotočili na modele, v katerih je aksija tesno povezana z Higgsovim delcem. Predvidevali smo, da mora biti masa aksiona v višini 10 keV - ena petdeset mase elektrona. Večina poskusov, o katerih smo govorili prej, je iskala oster ravno takšen načrt. Trenutno smo lahko prepričani, da takšne osi ne obstajajo.
Temna snov
In zato so pozornost opozarjali na veliko manjše vrednosti aksionskih mas, ki niso bile eksperimentalno izključene. Tovrstne osi se pojavljajo povsem naravno pri modelih, ki združujejo interakcije v standardnem modelu. Pojavljajo se tudi v teoriji strun.
Izračunali smo, da bi se morale osne proizvesti v izobilju v zgodnjih trenutkih velikega poka. Če aksije sploh obstajajo, potem aksonska tekočina napolni Vesolje. Izvor aksonske tekočine približno spominja na izvor znanega kozmičnega mikrovalovnega ozadja, vendar obstajajo tri velike razlike med njima. Najprej opazimo mikrovalovno ozadje, aksonska tekočina pa ostane čisto hipotetična. Drugič, ker imajo osi maso, njihova tekočina vpliva na skupno masno gostoto vesolja. V bistvu smo izračunali, da mora njihova masa približno ustrezati masi, ki so jo astronomi določili za temno snovjo! Tretjič, ker osi delujejo tako šibko, bi jih bilo treba težje opazovati kot fotone CMB.
Eksperimentalno iskanje osi se nadaljuje na več frontah. Dva najbolj obetavna eksperimenta sta namenjena iskanju aksonske tekočine. Ena izmed njih, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), uporablja posebne super občutljive antene za pretvarjanje osi ozadja v elektromagnetne impulze. Drugi, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), išče majhna nihanja v gibanju jedrskih vrtljajev, ki bi jih lahko povzročila aksonska tekočina. Poleg tega ti izpopolnjeni poskusi obljubljajo, da bodo zajeli skoraj celoten razpon možnih aksionskih mas.
Ali obstajajo osi? Še ne vemo. Njihov obstoj bi prinesel dramatičen in zadovoljiv zaključek zgodovine reverzibilne puščice časa in morda tudi razrešil skrivnost temne snovi v obračunu. Igra se je začela.
Frank Wilczek, ki temelji na reviji Quanta