Kodėl atrodo, kad laikas juda tik viena kryptimi?
Vienas iš galimų atsakymų taip pat gali atskleisti trūkstamos mišių paslaptis. Kai kurie faktai iš mūsų patirties yra tokie patys akivaizdūs ir paplitę kaip skirtumas tarp praeities ir ateities. Prisimename vieną dalyką, bet tikimės ir kito. Jei filmą vykdysite priešinga kryptimi, jis nebus realus. Mes sakome „laiko rodyklė“, reiškianti kelią iš praeities į ateitį.
- „Salik.biz“
Galima manyti, kad laiko strėlės egzistavimas yra integruotas į pagrindinius fizikos dėsnius. Tačiau yra ir atvirkščiai. Jei būtumėte filmavę apie subatominius įvykius, pamatytumėte, kad jo versija, pakeista į laiką, atrodo gana pagrįsta. Tiksliau sakant, pagrindiniai fizikos įstatymai - išskyrus mažytes egzotines išimtis, prie kurių grįšime - veiks, neatsižvelgiant į tai, ar pasukime laiko svirtį į priekį, ar atgal. Atsižvelgiant į pagrindinius fizikos dėsnius, laiko rodyklė yra grįžtama.
Logiškai mąstant, pertvarka, keičianti laiko kryptį, taip pat turi pakeisti pagrindinius įstatymus. Sveikas protas diktuoja, kas turėtų būti. Bet tai nesikeičia. Šiam faktui apibūdinti fizikai naudoja patogią santrumpą. Jie vadina transformaciją, kuri atvirkščiai nukreipia laiko rodyklę, tiesiog T, nuo laiko pasikeitimo. O tai, kad T nekeičia pagrindinių įstatymų, yra vadinama „T-invariancija“arba „T-simetrija“.
Kasdieninė patirtis pažeidžia T-invarianciją, tuo tarpu pagrindiniai įstatymai to gerbia. Šis akivaizdus neatitikimas kelia sunkių klausimų. Kaip realusis pasaulis, kurio pagrindiniai įstatymai gerbia T-simetriją, sugeba atrodyti toks asimetriškas? Ar gali būti, kad vieną dieną rasime būtybes, gyvenančias priešingu laiko ritmu - kurios jaunėja, kai senstame? Ar mes galime per tam tikrą fizinį procesą pakeisti savo laiko strėlę?
Tai įdomūs klausimai, prie kurių grįšime vėliau. Šiame straipsnyje Frankas Wilczekas, Masačusetso technologijos instituto teorinis fizikas ir Nobelio premijos laureatas, nusprendė aprėpti kitą problemą. Tai atsiranda, kai pradedate nuo kito galo, atsižvelgiant į bendrą patirtį. Mįslė tai?
Kodėl pagrindiniai įstatymai turi šią probleminę ir keistą savybę, T-invarianciją?
Atsakymas, kurį šiandien galime pasiūlyti, yra nepalyginamai gilesnis ir sudėtingesnis nei tas, kurį galėtume pasiūlyti prieš 50 metų. Šiandien supratimas atsirado dėl nuostabaus eksperimentinių atradimų ir teorinės analizės, pelniusios keletą Nobelio premijų, sąveikos. Tačiau mūsų atsakyme trūksta kai kurių elementų. Jų ieškojimas gali mus privesti prie netikėto atlygio: kosmologinės „tamsiosios materijos“apibrėžimo.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Šiuolaikinė T-invariancijos istorija prasidėjo 1956 m. Tais metais T. D. Lee ir C. N. Youngas suabejojo kitu, tačiau susijusiu fizinės teisės bruožu, kuris anksčiau buvo laikomas savaime suprantamu dalyku. Lee ir Youngui netrukdė pats T, o jo erdvinis atitikmuo - P. pariteto transformacija. Nors T apima filmų, einančių atgal laiku, žiūrėjimą, P apima filmų, atsispindinčių veidrodyje, žiūrėjimą. P-invariancija yra hipotezė, kad įvykiai, kuriuos matote atspindėtuose filmuose, laikosi tų pačių įstatymų, kaip ir originaluose. Lee ir Youngas nustatė netiesioginius šios hipotezės neatitikimus ir pasiūlė svarbų eksperimentą joms išbandyti. Kelių mėnesių eksperimentai parodė, kad daugeliu atvejų pažeidžiama P invariancija. (P-invariancija išsaugota gravitacinei, elektromagnetinei ir stipriai sąveikai,bet paprastai pažeidžiamas dėl silpnos sąveikos).
Šie dramatiški įvykiai, susiję su P- (in) invariancija, paskatino fizikus susimąstyti apie T-invarianciją, susijusią prielaidą, kuri taip pat kažkada buvo savaime suprantama. Tačiau T-invariancijos hipotezė keletą metų buvo griežtai tikrinama. Tik 1964 m. Grupė, kuriai vadovavo Jamesas Croninas ir Valentina Fitch, atrado savitą, subtilų K-mezonų skilimo efektą, pažeidžiantį T-invarianciją.
John Mitchell supratimo išmintis - kad „jūs nežinote, ką turite, kol jo nebėra“- buvo įrodyta vėliau.
Jei mes, kaip maži vaikai, nuolat klausime „kodėl?“, Kurį laiką gausime gilesnius atsakymus, tačiau galiausiai pateksime į dugną, kai pamatysime tiesą, kurios negalime paaiškinti paprasčiau. Šiuo metu skelbiame pergalę: „Viskas yra taip, kaip yra“. Bet jei vėliau rasime tariamos tiesos išimčių, šis atsakymas mūsų nebetenkins. Turime judėti toliau.
Kol T-invariancija yra universali tiesa, neaišku, koks bus naudingas mūsų klausimas pradžioje. Kodėl Visata buvo T-invariantas? Tiesiog todėl. Bet po „Cronin“ir „Fitch“tiesiog negalima ignoruoti „T-invariance“dėlionės.
Daugelis teorinių fizikų susidūrė su keblia problema suprasti, kaip T-invariancija gali būti ypač tiksli, tačiau ne visai. Ir čia pasitarnavo Makoto Kobayashi ir Toshihide Maskawa darbai. 1973 m. Jie pasiūlė, kad apytikslė T invariancija yra atsitiktinė kitų, gilesnių principų, pasekmė.
Laikas praėjo. Neilgai trukus buvo nubrėžti šiuolaikinio elementariųjų dalelių fizikos standartinio modelio kontūrai ir kartu su jais - naujas pagrindinių sąveikų skaidrumo lygis. Iki 1973 m. Buvo sukurta galinga ir empiriškai sėkminga teorinė sistema, pagrįsta keliais „šventaisiais principais“. Tai yra reliatyvumas, kvantinė mechanika ir matematinė vienodumo taisyklė, vadinama matuoklių simetrija.
Tačiau pasirodė sunku įgyvendinti visas šias idėjas. Kartu jie žymiai apriboja pagrindinės sąveikos galimybes.
Kobayashi ir Maskawa dviejose trumpose pastraipose padarė du dalykus. Pirmiausia jie parodė, kad jei apsiribojame fizika iki tada žinomų dalelių (pavyzdžiui, jei kvarkų ir leptonų buvo tik dvi šeimos), tada visos sąveikos, kurias leidžia šventieji principai, taip pat vyksta pagal T invarianciją. Jei Croninas ir Fitchas niekada nebūtų atradę, tai nebūtų tas atvejis. Bet jie padarė, o Kobayashi ir Maskawa nuėjo dar toliau. Jie parodė, kad jei mes įvesime specialų rinkinį naujų dalelių (trečioji šeima), šios dalelės sukels naują sąveiką, o tai sukels T-invariancijos pažeidimus. Iš pirmo žvilgsnio tiksliai tai, ką liepė gydytojas.
Vėlesniais metais jų ryškus detektyvų darbo pavyzdys buvo visiškai pateisinamas. Buvo aptiktos naujos dalelės, kurias pripažino egzistuojantys Kobayashi ir Maskawa, ir jų sąveika pasirodė būtent tokia, kokia ir turėjo būti.
Dėmesys, klausimas. Ar tikrai šie šventieji principai yra šventi? Žinoma ne. Jei eksperimentai paskatins mokslininkus papildyti šiuos principus, jie tikrai papildys. Šiuo metu sakraliniai principai atrodo gana velniškai gerai. Ir jie buvo pakankamai vaisingi, kad į juos rimtai žiūrėtų.
Iki šiol tai buvo triumfo istorija. Į klausimą, kurį uždavėme pradžioje, vieną sunkiausių galvosūkių apie tai, kaip veikia pasaulis, gavome dalinį atsakymą: gilus, gražus, vaisingas.
Praėjus keleriems metams po Kobayashi ir Maskavos darbo, Gerardas t'Hooft atrado spragą aiškindamas T-invarianciją. Šventieji principai leidžia papildomai bendrauti. Galima nauja sąveika yra gana subtili, ir „t'Hooft“atradimas tapo staigmena daugumai teorinių fizikų.
Nauja sąveika, jei ji bus labai stipri, pažeistų T-invarianciją daug akivaizdžiau nei Cronino, Fitcho ir jų kolegų atrastas poveikis. Visų pirma, tai leistų neutronui sukantis generuoti elektrinį lauką, be magnetinio lauko, kurį jis gali sukelti. (Besisukančio neutrono magnetinis laukas yra analogiškas tam, ką sukuria mūsų besisukanti Žemė, nors ir visiškai skirtingame maste.) Eksperimentatoriai sunkiai ieškojo tokių elektrinių laukų, tačiau jų paieška nedavė rezultatų.
Panašu, kad gamta nenori naudotis „t'Hooft“spraga. Žinoma, tai yra jos teisė, tačiau ši teisė vėl kelia mūsų klausimą: kodėl gamta taip atidžiai seka T invarianciją?
Buvo pasiūlyta keletas paaiškinimų, tačiau tik vienas buvo laiko išbandymas. Pagrindinė idėja priklauso Roberto Pezzie ir Helen Quinn. Jų, kaip Kobayashi ir Maskawa, pasiūlymas apima standartinio modelio išplėtimą specialiu būdu. Pavyzdžiui, per neutralizuojantį lauką, kurio elgesys yra ypač jautrus naujos „t'Hooft“sąveikos atžvilgiu. Jei yra nauja sąveika, neutralizuojantis laukas pakoreguoja savo dydį, kad kompensuotų šios sąveikos įtaką. (Šis derinimo procesas paprastai panašus į tai, kaip neigiamai įkrauti elektronai kietose medžiagose susirenka aplink teigiamai įkrautus nešvarumus ir apsaugo jų įtaką.) Toks neutralizuojantis laukas, pasirodo, uždaro mūsų spragą.
Pezzie ir Quinnas pamiršo svarbias išbandomas savo idėjos reikšmes. Dalelės, susidarančios dėl jų neutralizuojančio lauko - jo kvanto - turi turėti puikių savybių. Kadangi jie pamiršo apie savo daleles, tai ir jų neįvardijo. Tai leido įgyvendinti mano vaikystės svajonę.
Keleriais metais anksčiau mačiau ryškiaspalvę dėžę prekybos centre pavadinimu „Axion“. Man atrodė, kad „ašis“skamba kaip dalelė ir, panašu, yra. Taigi, kai atradau naują dalelę, kuri „išvalo“problemą dėl „ašinio“srauto, pajutau, kad turiu galimybę. (Netrukus sužinojau, kad Stevenas Weinbergas taip pat savarankiškai atrado šią dalelę. Jis pavadino ją Higgletu. Laimei, jis sutiko mesti šį vardą.) Taip prasidėjo epas, kurio išvadas tereikia parašyti.
Dalelių duomenų grupės kronikose rasite kelis puslapius, apimančius dešimtis eksperimentų, apibūdinančių nesėkmingas ašies paieškas. Tačiau vis dar yra priežasčių optimizmui.
Aksionų teorija apskritai prognozuoja, kad ašys turėtų būti labai lengvos, labai ilgaamžės dalelės, silpnai sąveikaujančios su įprasta materija. Bet norint palyginti teoriją ir eksperimentą, reikia remtis skaičiais. Ir čia mes susiduriame su dviprasmybėmis, nes esama teorija nenustato ašies masės vertės. Jei mes žinotume ašies masę, numatytume likusias jo savybes. Bet pati masė gali būti įvairiausių vertybių. (Ta pati problema buvo su žaviu kvarku, Higso dalelėmis, viršutiniu kvarku ir dar keliais. Prieš kiekvienos iš šių dalelių atradimą, teorija numatė visas jų savybes, išskyrus masės vertę). Paaiškėjo, kad ašies sąveikos jėga yra proporcinga jos masei. Todėl, mažėjant ašies masės vertei, ji tampa vis sunkiau pasiekiama.
Anksčiau fizikai daug dėmesio skyrė modeliams, kuriuose ašis yra glaudžiai susijusi su Higso dalelėmis. Buvo manoma, kad ašies masė turėtų būti maždaug 10 keV - viena penkiasdešimt elektrono masės. Daugelis eksperimentų, apie kuriuos anksčiau kalbėjome, ieškojo būtent tokio plano ašies. Šiuo metu galime būti tikri, kad tokių ašių nėra.
Juodoji medžiaga
Todėl buvo atkreiptas dėmesys į daug mažesnes ašių masių reikšmes, kurios nebuvo atmestos eksperimentiniu būdu. Tokio tipo ašys gana natūraliai atsiranda modeliuose, kuriuose derinamos standartinio modelio sąveikos. Jie taip pat atsiranda stygų teorijoje.
Mes apskaičiavome, kad ašys turėjo būti pagamintos gausiai ankstyvuoju Didžiojo sprogimo momentu. Jei ašys iš viso egzistuoja, tada ašių skystis užpildo Visatą. Ašies skysčio kilmė maždaug primena garsiojo kosminio mikrobangų fono kilmę, tačiau yra trys pagrindiniai skirtumai. Pirmiausia stebimas mikrobangų fonas, o ašinis skystis išlieka hipotetinis. Antra, kadangi ašys turi masę, jų skystis veikia bendrą Visatos masės tankį. Iš esmės mes apskaičiavome, kad jų masė turėtų maždaug atitikti masę, kurią astronomai nustatė už tamsiosios medžiagos! Trečia, kadangi ašys sąveikauja taip silpnai, jas turėtų būti sunkiau pastebėti nei CMB fotonus.
Eksperimentinė ašių paieška tęsiama keliais frontais. Du perspektyviausi eksperimentai yra skirti surasti ašies skystį. Vienas iš jų, ADMX („Axion Dark Matter eXperiment“), naudoja specialias ypač jautrias antenas, norinčias paversti fonines ašis elektromagnetiniais impulsais. Kitas, CASPEr (kosminės ašies sukimosi spuogų prevencijos eksperimentas), ieško mažų branduolinių sukinių judesių svyravimų, kuriuos gali sukelti ašinis skystis. Be to, šie sudėtingi eksperimentai žada aprėpti beveik visą galimų ašies masių diapazoną.
Ar egzistuoja ašys? Mes dar nežinome. Jų egzistavimas padarytų dramatišką ir patenkinamą išvadą apie grįžtamąją laiko strėlės istoriją ir galbūt taip pat išspręstų tamsiosios materijos slėpinį. Žaidimas prasidėjo.
Frankas Wilczekas, remiantis „Quanta Magazine“