Proč se tedy zdá, že čas se pohybuje pouze jedním směrem?
Jedna z možných odpovědí může také odhalit tajemství chybějící hmoty. Některá fakta naší zkušenosti jsou tak zřejmá a rozšířená jako rozdíl mezi minulostí a budoucností. Pamatujeme si jednu věc, ale očekáváme jinou. Pokud film spustíte opačným směrem, nebude to realistické. Říkáme „šipka času“, což znamená cestu od minulosti k budoucnosti.
Dalo by se předpokládat, že existence šipky času je zabudována do základních zákonů fyziky. Opak je však také pravdou. Pokud jste natočili film o subatomických událostech, zjistili byste, že jeho časově obrácená verze vypadá docela rozumně. Přesněji řečeno, základní fyzikální zákony - s výjimkou malých exotických výjimek, ke kterým se vrátíme - budou fungovat bez ohledu na to, zda otočíme časovou páku dopředu nebo dozadu. Na pozadí základních fyzikálních zákonů je šipka času reverzibilní.
Logicky musí transformace, která změní směr času, také změnit základní zákony. Zdravý rozum diktuje, co by mělo. Ale to se nemění. Fyzici používají k popisu této skutečnosti vhodnou zkratku. Říkají transformaci, která obrací šipku času, jednoduše T, z obrácení času. A skutečnost, že T nemění základní zákony, se označuje jako „T-invariance“nebo „T-symetrie“.
Každodenní zkušenost porušuje T-invariance, zatímco základní zákony ji respektují. Tento do očí bijící nesoulad vyvolává obtížné otázky. Jak může skutečný svět, jehož základní zákony respektují T-symetrii, vypadat tak asymetricky? Je možné, že jednoho dne najdeme bytosti žijící v opačném rytmu času - kteří stárnou, jak stárnou? Můžeme pomocí nějakého fyzického procesu zvrátit naši vlastní šipku času?
To jsou zajímavé otázky a my se k nim vrátíme později. V tomto článku se Frank Wilczek, teoretický fyzik na Massachusetts Institute of Technology a nositel Nobelovy ceny, rozhodl pokrýt další téma. Vzniká, když začnete na druhém konci, v rámci sdílené zkušenosti. Hádanka je to?
Proč mají základní zákony tuto problematickou a podivnou vlastnost, T-invariance?
Odpověď, kterou dnes můžeme nabídnout, je nesrovnatelně hlubší a složitější než to, co jsme mohli nabídnout před 50 lety. Dnešní porozumění vyšlo z brilantní souhry experimentálního objevu a teoretické analýzy, která získala několik Nobelových cen. Naše odpověď však chybí některé prvky. Jejich hledání může vést k nečekané odměně: k definici kosmologické „temné hmoty“.
Propagační video:
Moderní historie T-invariance začala v roce 1956. Ten rok T. D. Lee a C. N. Young zpochybňovali další, ale související rys fyzického práva, který byl dříve považován za samozřejmost. Lee a Young nebyli obtěžováni samotným T, ale svým prostorovým protějškem, paritní transformace P. Zatímco T zahrnuje sledování filmů, které se vracejí v čase, P zahrnuje sledování filmů odrážených v zrcadle. P-invariance je hypotéza, že události, které vidíte v odražených filmech, dodržují stejné zákony jako v originálech. Lee a Young v této hypotéze identifikovali nepřímé nekonzistence a navrhli důležitý experiment k jejich testování. Experimenty trvající několik měsíců ukázaly, že P-invariance je v mnoha případech porušena. (P-invariance je zachována pro gravitační, elektromagnetické a silné interakce,ale obecně porušeno pro slabé interakce).
Tyto dramatické události kolem P- (in) invariance vedly fyziky k přemýšlení o T-invariance, souvisejícím předpokladu, který byl také kdysi považován za samozřejmost. Hypotéza T-invariance však již několik let pečlivě testovala. Teprve v roce 1964 skupina vedená Jamesem Croninem a Valentinou Fitchovou objevila zvláštní, jemný efekt v rozpadech K-mesonů, což porušuje T-invariance.
Moudrost porozumění Johna Mitchella - že „nevíte, co máte, dokud to nezmizí“- se poté ukázalo.
Pokud se budeme stejně jako malé děti ptát „proč?“Na chvíli dostaneme hlubší odpovědi, ale nakonec dorazíme na dno, když se dostaneme k pravdě, kterou nemůžeme vysvětlit jednodušeji. V tuto chvíli prohlašujeme vítězství: „Všechno je takové, jaké je.“Pokud ale později najdeme výjimky z naší domnělé pravdy, tato odpověď nás už neuspokojí. Musíme jít dál.
Dokud je T-invariance univerzální pravdou, není jasné, jak užitečná bude naše otázka na začátku. Proč byl vesmír T-invariantní? Jen proto. Ale po Cronin a Fitch, puzzle T-invariance jednoduše nelze ignorovat.
Mnoho teoretických fyziků se potýkalo s problémem pochopení toho, jak může být T-invariance extrémně přesná, ale ne zcela. A tady se hodila práce Makota Kobayashiho a Toshihide Maskawy. V roce 1973 navrhli, že přibližná T-invariance je náhodným důsledkem jiných hlubších principů.
Čas uběhl. Nedlouho předtím byly nakresleny obrysy moderního standardního modelu fyziky elementárních částic as nimi nová úroveň průhlednosti základních interakcí. V roce 1973 existoval silný - a empiricky úspěšný - teoretický rámec založený na několika „posvátných principech“. Jedná se o relativitu, kvantovou mechaniku a matematické pravidlo uniformity nazývané rozchodovou symetrii.
Ukázalo se však, že všechny tyto myšlenky spolupracují. Společně významně omezují možnosti základních interakcí.
Kobayashi a Maskawa provedli ve dvou krátkých odstavcích dvě věci. Nejprve ukázali, že pokud omezíme fyziku na tehdy známé částice (například pokud existovaly pouze dvě rodiny kvarků a leptonů), pak všechny interakce povolené posvátnými principy také sledují T-invariance. Pokud by Cronin a Fitch nikdy neobjevili svůj objev, tak by tomu tak nebylo. Ale udělali to a Kobayashi a Maskawa šli ještě dále. Ukázali, že pokud zavedeme speciální sadu nových částic (třetí rodina), povedou tyto částice k novým interakcím, což povede k porušení T-invariance. Na první pohled přesně to, co nařídil lékař.
V následujících letech byl jejich skvělý příklad detektivní práce plně ospravedlněn. Byly objeveny nové částice, které Kobayashi a Maskawa připustili, a jejich interakce se ukázaly být přesně tím, čím by měly být.
Pozor, otázka. Jsou tyto posvátné principy opravdu posvátné? Samozřejmě že ne. Pokud experimenty vedou vědce k doplnění těchto principů, určitě se doplní. V tuto chvíli vypadají posvátné principy docela zatraceně dobře. A byli natolik plodní, aby je brali vážně.
Doposud to byl příběh triumfu. Otázka, kterou jsme položili na začátku, jeden z nejtěžších hádanek o tom, jak svět funguje, dostala částečnou odpověď: hluboká, krásná, plodná.
Několik let po práci Kobayashiho a Maskawy objevil Gerard t'Hooft mezeru v jejich vysvětlení T-invariance. Posvátné principy umožňují další druh interakce. Možná nová interakce je velmi jemná a objev t'Hooftů byl překvapením pro většinu teoretických fyziků.
Nová interakce, je-li přítomna se značnou silou, by narušila T-invarenci mnohem zjevněji než účinek objevený Croninem, Fitchem a jejich kolegy. Zejména by to umožnilo rotaci neutronu vytvářet elektrické pole, kromě magnetického pole, které může vyvolat. (Magnetické pole spřádajícího se neutronu je analogické tomu, co naše spřádaná Země vytváří, i když ve zcela jiném měřítku.) Experti tvrdě hledali taková elektrická pole, ale jejich hledání nepřineslo žádné výsledky.
Je to, jako by příroda nechtěla použít mezeru t'Hooft. Je to samozřejmě její právo, ale toto právo znovu vyvolává naši otázku: Proč příroda sleduje T-invariance tak pečlivě?
Bylo poskytnuto několik vysvětlení, ale pouze jedno obstálo v testu času. Ústřední myšlenkou jsou Roberto Pezzie a Helen Quinn. Jejich návrh, stejně jako návrh Kobayashiho a Maskawy, zahrnuje rozšíření standardního modelu zvláštním způsobem. Například prostřednictvím neutralizačního pole, jehož chování je zvláště citlivé na novou interakci t'Hooft. Pokud je přítomna nová interakce, neutralizační pole upraví svou vlastní velikost, aby kompenzovalo vliv této interakce. (Tento proces ladění je obecně podobný tomu, jak se záporně nabité elektrony v pevných látkách shromažďují kolem pozitivně nabitých nečistot a chrání jejich vliv.) Ukázalo se, že takové neutralizační pole uzavírá naši mezeru.
Pezzie a Quinn zapomněli na důležité testovatelné důsledky jejich myšlenky. Částice produkované jejich neutralizačním polem - jeho kvanta - musí mít pozoruhodné vlastnosti. Protože na své částice zapomněli, nenabídli je. To mi umožnilo splnit můj dětský sen.
Před několika lety jsem v supermarketu zvaném Axion viděl pestrobarevnou krabičku. Zdálo se mi, že „axion“zní jako částice a zdá se, že je. Takže když jsem objevil novou částici, která „vyčistí“problém „axiálním“tokem, cítil jsem se, jako bych měl šanci. (Brzy jsem se dozvěděl, že Steven Weinberg tuto částici objevil také nezávisle. Nazval ji Higglet. Naštěstí souhlasil s tím, že toto jméno upustí.) Tak začal epos, o jehož závěru zbývá jen napsat.
V knize Chronicles of Particle Data Group najdete několik stránek pokrývajících desítky experimentů popisujících neúspěšné vyhledávání axionu. Stále však existují důvody k optimismu.
Teorie axionů obecně předpovídá, že axiony by měly být velmi lehké, velmi dlouho trvající částice, které slabě interagují s běžnou hmotou. Chcete-li však porovnat teorii a experiment, musíte se spolehnout na čísla. A tady jsme konfrontováni s nejednoznačností, protože stávající teorie nestanovuje hodnotu hmoty axionu. Pokud bychom znali hmotnost axionu, předpovídali bychom zbytek jeho vlastností. Hmota sama o sobě však může být v širokém rozmezí hodnot. (Stejný problém byl s okouzlujícím kvarkem, Higgsovou částicí, top kvarkem a několika dalšími. Před objevením každé z těchto částic teorie předpověděla všechny své vlastnosti, s výjimkou hodnoty hmotnosti). Ukázalo se, že síla interakce axionu je úměrná jeho hmotnosti. Proto, jak se hodnota hmoty axionu snižuje, stává se stále nepolapitelnější.
V minulosti se fyzici soustředili na modely, v nichž je axion úzce spjat s Higgsovou částicí. Předpokládalo se, že hmotnost axionu by měla být řádově 10 keV - jedna padesát hmotnosti elektronů. Většina experimentů, o kterých jsme hovořili dříve, hledala axion jen takového plánu. V současné době si můžeme být jisti, že takové axiony neexistují.
Temná hmota
Proto byla pozornost věnována mnohem menším hodnotám hmot axionů, které nebyly experimentálně vyloučeny. Axiony tohoto druhu se objevují zcela přirozeně v modelech, které kombinují interakce ve standardním modelu. Objevují se také v teorii strun.
Vypočítali jsme, že během počátečních okamžiků Velkého třesku měly být hojně vytvořeny axiony. Pokud axiony vůbec existují, pak axionová tekutina zaplní vesmír. Počátek axionové tekutiny zhruba připomíná původ slavného kosmického mikrovlnného pozadí, mezi nimi jsou však tři hlavní rozdíly. Nejprve je pozorováno mikrovlnné pozadí a axiální tekutina zůstává čistě hypotetická. Za druhé, protože axiony mají hmotnost, jejich tekutina ovlivňuje celkovou hmotnostní hustotu vesmíru. V podstatě jsme vypočítali, že jejich hmotnost by měla zhruba odpovídat hmotnosti, kterou astronomové určili za temnou hmotou! Zatřetí, protože axiony interagují tak slabě, měly by být obtížnější je pozorovat než fotony CMB.
Experimentální hledání axionů pokračuje na několika frontách. Dva z nejslibnějších experimentů jsou zaměřeny na nalezení axiální tekutiny. Jeden z nich, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), používá speciální supercitlivé antény k převodu osových pozadí na elektromagnetické pulsy. Další, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), hledá drobné výkyvy v pohybu jaderných točení, které by mohly být způsobeny axiální tekutinou. Tyto sofistikované experimenty navíc slibují, že pokryjí téměř celou škálu možných hmot axionů.
Existují axiony? Zatím to nevíme. Jejich existence by přinesla dramatický a uspokojivý závěr k historii reverzibilní šipky času a možná také vyřešila tajemství temné hmoty ve smlouvě. Hra začala.
Frank Wilczek, založený na časopisu Quanta