Защо тогава изглежда, че времето се движи само в една посока?
Един от възможните отговори може да разкрие и тайните на липсващата маса. Някои от фактите от нашия опит са толкова очевидни и широко разпространени, колкото и разликата между миналото и бъдещето. Спомняме си едно, но очакваме друго. Ако пуснете филма в обратна посока, той няма да е реалистичен. Казваме „стрела на времето“, означаваща пътя от миналото към бъдещето.
Може да се предположи, че съществуването на стрелата на времето е вградено в основните закони на физиката. Но е вярно и обратното. Ако направихте филм за субатомни събития, ще откриете, че неговата обърната във времето версия изглежда съвсем разумна. По-точно, основните закони на физиката - с изключение на малки екзотични изключения, към които ще се върнем - ще работят независимо от това дали ще завъртим лоста на времето напред или назад. На фона на основните закони на физиката стрелката на времето е обратима.
Логично, трансформация, обърнала посоката на времето, също трябва да промени основните закони. Здравият разум диктува какво трябва. Но това не се променя. Физиците използват удобна съкращение, за да опишат този факт. Те наричат трансформацията, която обръща стрелката на времето, просто T, от обръщане на времето. А фактът, че Т не променя основните закони, се нарича „Т-инвариантност“или „Т-симетрия“.
Всекидневният опит нарушава Т-инвариантността, докато основните закони го спазват. Това силно разминаване поражда трудни въпроси. Как реалният свят, чиито основни закони зачитат Т-симетрията, успява да изглежда толкова асиметричен? Възможно ли е един ден да намерим същества, които живеят в противоположния ритъм на времето - които стареят с напредване на възрастта? Можем ли чрез някакъв физически процес да обърнем собствената си стрелка на времето?
Това са интересни въпроси и ние ще се върнем към тях по-късно. В тази статия Франк Уилчек, теоретичен физик от Масачузетския технологичен институт и лауреат на Нобелова награда, реши да обхване друг въпрос. Тя възниква, когато започнете от другия край, в рамките на споделено преживяване. Гатанката е това?
Защо основните закони имат това проблемно и странно свойство, T-инвариантност?
Отговорът, който можем да предложим днес, е несравнимо по-дълбок и сложен от това, което бихме могли да предложим преди 50 години. Днешното разбиране се появи от блестящото взаимодействие на експериментални открития и теоретичен анализ, които спечелиха няколко Нобелови награди. Но в нашия отговор липсват някои елементи. Търсенето им може да ни доведе до неочаквана награда: определението за космологична „тъмна материя“.
Промоционално видео:
Съвременната история на Т-инвариантността започва през 1956 г. Същата година Т. Д. Лий и К. Н. Йънг поставят под въпрос друга, но свързана с нея характеристика на физическия закон, която преди това е била приета за даденост. Лий и Янг не бяха притеснени от самата Т, а от нейния пространствен колега, трансформацията на паритета на P. Докато T включва гледане на филми, върнали се назад във времето, P включва гледане на филми, отразени в огледало. P-инвариантността е хипотезата, че събитията, които виждате във отразени филми, се подчиняват на същите закони, както в оригиналите. Лий и Янг идентифицираха косвените несъответствия в тази хипотеза и предложиха важен експеримент за тяхното тестване. Експерименти в продължение на няколко месеца показват, че P-инвариантността е нарушена в много случаи. (P-инвариантността се запазва за гравитационни, електромагнитни и силни взаимодействия,но като цяло се нарушава при слаби взаимодействия).
Тези драматични събития около P- (не) инвариантността накараха физиците да мислят за T-инвариантност, свързано с това предположение, което също веднъж беше прието за даденост. Хипотезата за Т-инвариантността обаче е подложена на строги тестове от няколко години. Едва през 1964 г. група, ръководена от Джеймс Кронин и Валентина Фитч, открива особен, фин ефект при разпадането на K-мезоните, което нарушава Т-инвариантността.
Мъдростта на разбирането на Джон Мичъл - че „не знаеш какво имаш, докато го няма“- е доказана след това.
Ако ние като малки деца продължаваме да задаваме въпроса „защо?“, За известно време ще получим по-задълбочени отговори, но в крайна сметка ще се ударим в дъното, когато стигнем до една истина, която не можем да обясним по-просто. В този момент ние обявяваме победа: „Всичко е такова, каквото е“. Но ако по-късно намерим изключения от предполагаемата ни истина, този отговор вече няма да ни удовлетвори. Трябва да продължим напред.
Докато Т-инвариантността е универсална истина, не е ясно колко полезен ще бъде въпросът ни в началото. Защо Вселената беше Т-инвариантна? Само защото. Но след Cronin and Fitch, пъзелът с T-invariance просто не може да бъде пренебрегнат.
Много теоретични физици са се сблъскали с неприятния проблем с разбирането как Т-инвариантността може да бъде изключително точна, но не съвсем. И тук работата на Макото Кобаяши и Тошихиде Маскава беше полезна. През 1973 г. те предполагат, че приблизителната Т-инвариантност е случайно следствие от други, по-дълбоки принципи.
Времето мина. Не много преди това бяха начертани контурите на съвременния стандартен модел на физиката на елементарните частици, а с тях и ново ниво на прозрачност на фундаменталните взаимодействия. До 1973 г. съществува мощна - и емпирично успешна - теоретична рамка, основана на няколко „свещени принципа“. Това са относителност, квантова механика и математическо правило за еднаквост, наречено габаритна симетрия.
Но постигането на всички тези идеи да работят заедно се оказа трудно. Заедно те значително ограничават възможностите за основни взаимодействия.
Кобаяши и Маскава в два кратки параграфа направиха две неща. Първо, те показаха, че ако ограничим физиката до известните тогава частици (например, ако имаше само две фамилии кварки и лептони), то всички взаимодействия, разрешени от свещените принципи, също следват Т-инвариантността. Ако Кронин и Фич никога не бяха направили своето откритие, това нямаше да е така. Но те го направиха и Кобаяши и Маскава отидоха още повече. Те показаха, че ако въведем специален набор от нови частици (третото семейство), тези частици ще доведат до нови взаимодействия, което ще доведе до нарушения на Т-инвариантността. На пръв поглед точно какво е наредил лекарят.
В следващите години блестящият им пример за детективска работа беше напълно оправдан. Открити бяха новите частици, за които Кобаяши и Маскава признаха, че съществуват, а взаимодействията им се оказаха точно такива, каквито трябваше да бъдат.
Внимание, въпрос. Тези свещени принципи наистина ли са свещени? Разбира се, че не. Ако експериментите водят учените да допълват тези принципи, те със сигурност ще се допълват. В момента свещените принципи изглеждат доста дяволски добре. И бяха достатъчно плодотворни, за да ги приемат насериозно.
Досега това беше история на триумфа. Въпросът, който поставихме в началото, една от най-трудните загадки за това как работи светът, получи частичен отговор: дълбок, красив, ползотворен.
Няколко години след работата на Кобаяши и Маскава, Джерард т'Хофт открил вратичка в обяснението си за Т-инвариантността. Свещените принципи позволяват допълнителен вид взаимодействие. Възможното ново взаимодействие е доста фино и откритието на t'Hooft дойде като изненада за повечето теоретични физици.
Новото взаимодействие, ако присъства със значителна сила, би нарушило T инвариантността в много по-очевидна степен от ефекта, открит от Кронин, Фитч и техните колеги. По-специално, това би позволило въртенето на неутрона да генерира електрическо поле, в допълнение към магнитното поле, което може да предизвика. (Магнитното поле на въртящ се неутрон е аналогично на това, което произвежда нашата въртяща се Земя, макар и в съвсем различен мащаб.) Експериментаторите усилено търсят такива електрически полета, но тяхното търсене не даде никакви резултати.
Сякаш природата не иска да използва вратичката на t'Hooft. Разбира се, това е нейно право, но това право отново повдига въпроса ни: защо природата следва Т-инвариантността толкова внимателно?
Предложени са няколко обяснения, но само едно издържа теста на времето. Централната идея принадлежи на Роберто Пези и Хелън Куин. Тяхното предложение, подобно на това на Кобаяши и Маскава, включва разширяване на Стандартния модел по специален начин. Например, чрез неутрализиращо поле, чието поведение е особено чувствително към новото взаимодействие t'Hooft. Ако е налице ново взаимодействие, неутрализиращото поле коригира собствената си величина, за да компенсира влиянието на това взаимодействие. (Този процес на настройка по принцип е подобен на това как отрицателно заредените електрони в твърди вещества се събират около положително заредени примеси и екранират тяхното влияние.) Такова неутрализиращо поле, оказва се, затваря вратичката ни.
Пези и Куин са забравили важните пробни последици от идеята си. Частиците, получени от тяхното неутрализиращо поле - неговите кванти, трябва да имат забележителни свойства. Тъй като са забравили за частиците си, те също не са ги кръстили. Това ми позволи да сбъдна детската си мечта.
Няколко години по-рано бях видял ярко оцветена кутия в супермаркет, наречен Axion. Струваше ми се, че „аксионът“звучи като частица и, изглежда, е. И така, когато открих нова частица, която "изчиства" проблема с "аксиален" поток, имах чувството, че имам шанс. (Скоро научих, че Стивън Уайнбърг също откри тази частица независимо. Той я нарече Хиггълт. За щастие той се съгласи да отпадне това име.) Така започна епосът, чието заключение остава само да бъде написано.
В Хрониките на групата данни за частиците ще намерите няколко страници, обхващащи десетки експерименти, описващи неуспешни търсения на аксиона. Но все пак има причини за оптимизъм.
Аксионната теория предвижда, най-общо казано, че аксиите трябва да са много леки, много дълголетни частици, които взаимодействат слабо с обикновената материя. Но за да сравните теорията и експеримента, трябва да разчитате на числа. И тук сме изправени пред неяснота, тъй като съществуващата теория не фиксира стойността на аксионната маса. Ако знаехме масата на аксиона, щяхме да предвидим останалите негови свойства. Но самата маса може да бъде в широк диапазон от стойности. (Същият проблем беше с очарования кварк, частицата на Хигс, горния кварк и няколко други. Преди откриването на всяка от тези частици теорията предвиждаше всичките им свойства, с изключение на масовата стойност). Оказа се, че силата на взаимодействие на аксиона е пропорционална на неговата маса. Следователно, тъй като стойността на масата на аксиона намалява, тя става все по-неуловима.
В миналото физиците са се фокусирали върху модели, в които аксионът е тясно свързан с частицата на Хигс. Предполагаше се, че масата на аксиона трябва да е от порядъка на 10 keV - една петдесет от масата на електрон. Повечето от експериментите, за които говорихме по-рано, търсеха аксион на точно такъв план. В момента можем да сме сигурни, че такива аксиони не съществуват.
Тъмна материя
И затова беше привлечено вниманието към много по-малки стойности на аксионните маси, които не бяха изключени експериментално. Подобни оси се появяват съвсем естествено при модели, които комбинират взаимодействия в Стандартния модел. Те също се появяват в теорията на струните.
Изчислихме, че аксиите трябва да са произведени в изобилие през ранните моменти на Големия взрив. Ако въобще съществуват аксиони, тогава аксионната течност изпълва Вселената. Произходът на аксионната течност приблизително прилича на произхода на известния космически микровълнов фон, но между тях има три основни разлики. Първо се наблюдава микровълновият фон, а аксионната течност остава чисто хипотетична. Второ, тъй като аксиите имат маса, тяхната течност влияе върху общата плътност на масата на Вселената. По принцип изчислихме, че тяхната маса трябва приблизително да съответства на масата, която астрономите са определили зад тъмната материя! Трето, тъй като аксиите взаимодействат толкова слабо, те трябва да бъдат по-трудни за наблюдение от CMB фотоните.
Експерименталното търсене на оси продължава на няколко фронта. Два от най-обещаващите експерименти са насочени към намирането на аксионна течност. Една от тях, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), използва специални суперчувствителни антени за преобразуване на фонови аксии в електромагнитни импулси. Друг, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), търси малки колебания в движението на ядрените завъртания, които биха могли да бъдат причинени от аксионна течност. В допълнение, тези сложни експерименти обещават да обхванат почти целия диапазон от възможни аксионни маси.
Съществуват ли аксиони? Все още не знаем. Тяхното съществуване би довело до драматично и удовлетворяващо заключение за историята на обратимата стрелка на времето и може би също ще разреши тайната на тъмната материя в сделката. Играта започна.
Франк Уилчек, базиран на списание Quanta
