Akkor miért úgy tűnik, hogy az idő csak egy irányba halad?
Az egyik lehetséges válasz feltárhatja a hiányzó tömeg titkait. Egyes tapasztalataink tényei ugyanolyan nyilvánvalóak és széles körben elterjedtek, mint a múlt és a jövő közötti különbség. Emlékezzünk egy dologra, de elvárjuk mást is. Ha a filmet az ellenkező irányba indítja, akkor nem lesz reális. Azt mondjuk, hogy "az idő nyílja", ami a múltból a jövőbe vezető utat jelenti.
Feltételezhetjük, hogy az idő nyílának megléte be van építve a fizika alapvető törvényeibe. De az ellenkezője is igaz. Ha filmet készít a szubatómiai eseményekről, akkor azt látja, hogy annak idővel megfordított változata meglehetősen ésszerűnek tűnik. Pontosabban: a fizika alapvető törvényei - az apró egzotikus kivételek kivételével, amelyekhez visszatérünk - függetlenül attól, hogy előre-vissza fordítottuk-e az időgombot. A fizika alapvető törvényei alapján az idő nyílja megfordítható.
Logikus módon az átalakulásnak, amely megfordítja az idő irányát, meg kell változtatnia az alapvető törvényeket is. A józan ész diktálja, mit kellene. De ez nem változik. A fizikusok kényelmes rövidítést használnak ennek a ténynek a leírására. Az átalakulást, amely megfordítja az idő nyílát, egyszerűen T, az idő megfordításáért hívják. És azt a tényt, hogy a T nem változtatja meg az alapvető törvényeket, "T-invarianciának" vagy "T-szimmetrianak" nevezzük.
A mindennapi tapasztalat megsérti a T-invariánciát, míg az alapvető törvények tiszteletben tartják. Ez a szembeszökő eltérés nehéz kérdéseket vet fel. Hogyan valósulhat meg olyan aszimmetrikusnak a való világ, amelynek alapvető törvényei tiszteletben tartják a T-szimmetriát? Lehetséges, hogy egy nap az ellentétes idő ritmusban élő lényeket találunk - kik fiatalabbá válnak, mi öregedünk? Megcserélhetjük-e valamilyen fizikai folyamaton keresztül saját időbeli nyílunkat?
Ezek érdekes kérdések, és később visszatérünk hozzájuk. Ebben a cikkben, Frank Wilczek, a Massachusetts Technológiai Intézet elméleti fizikusa és a Nobel-díjas díjas egy másik kérdéssel foglalkozik. Ez akkor merül fel, amikor a másik végből indul, egy megosztott tapasztalat keretein belül. A rejtvény ez?
Miért rendelkezik az alapvető törvényekkel ez a problémás és furcsa tulajdonság, a T-invariancia?
A ma kínálható válasz összehasonlíthatatlanul mélyebb és összetettebb, mint amit 50 évvel ezelőtt tudtunk volna felajánlani. A mai megértés a kísérleti felfedezés és az elméleti elemzés ragyogó kölcsönhatásából származik, amelyek több Nobel-díjat nyertek. De a válaszunkból hiányzik néhány elem. Ezek keresése váratlan jutalomhoz vezethet bennünket: a kozmológiai „sötét anyag” meghatározását.
Promóciós videó:
A T-invariancia modern története 1956-ban kezdődött. Ebben az évben T. D. Lee és C. N. Young megkérdőjelezték a fizikai törvény egy másik, de ehhez kapcsolódó tulajdonságát, amelyet korábban magától értetődőnek tekintettek. Lee-t és Youngot nem a T zavarta, hanem a térbeli párja, a P paritás-átalakulása. Míg a T magában foglalja az időben visszatekintő filmek megtekintését, P magában foglalja a tükörben visszatükrözött filmek megtekintését. A P-invariancia az a hipotézis, miszerint a visszavert filmekben látott események ugyanazokat a törvényeket követik, mint az eredeti dokumentumokban. Lee és Young közvetett következetlenségeket azonosítottak ebben a hipotézisben, és fontos kísérletet javasoltak ezek tesztelésére. Több hónapon át tartó kísérletek azt mutatták, hogy sok esetben megsértik a P-invariánst. (A P-invariancia megőrződött a gravitációs, elektromágneses és erős interakciók szempontjából,de általában gyenge kölcsönhatások miatt megsértik).
Ezek a P- (in) invariancia körüli drámai események arra késztették a fizikusokat, hogy gondolkodjanak a T-invarianciáról - egy ehhez kapcsolódó feltételezésről, amelyet szintén magától értetődőnek tekintenek. A T-invariancia-hipotézis azonban évek óta szigorú tesztelésen ment keresztül. Csak 1964-ben fedezte fel James Cronin és Valentina Fitch vezette csoport sajátos, finom hatását a K-mezonok lebomlásában, amely sérti a T-invarianciát.
John Mitchell megértésének bölcsessége - miszerint "nem tudod, mi van, amíg el nem múlik" - utólag bebizonyosodott.
Ha mi, mint a kisgyermekek, továbbra is feltesszük a kérdést, hogy „miért?”, Egy ideig mélyebb válaszokat kapunk, ám végül elérjük a mélypontot, amikor olyan igazsághoz jutunk, amelyet nem tudunk egyszerűbben megmagyarázni. Ebben a pillanatban kijelentjük a győzelmet: "Minden olyan, ahogy van." De ha később kivételeket találunk állítólagos igazságunkra, ez a válasz már nem fog kielégíteni minket. Haladnunk kell tovább.
Mindaddig, amíg a T-invariancia egyetemes igazság, nem világos, mennyire hasznos lesz a kezdetben feltett kérdésünk. Miért volt az univerzum T-invariáns? Csak mert. De Cronin és Fitch után a T-invariancia puzzle egyszerűen nem hagyható figyelmen kívül.
Sok elméleti fizikus szembesült azzal a bosszantó problémával, hogy megértse, hogyan lehet a T-invariancia rendkívül pontos, de nem egészen pontosan. És itt hasznosnak bizonyult Makoto Kobayashi és Toshihide Maskawa munkája. 1973-ban azt sugallták, hogy a hozzávetőleges T-invariancia más, mélyebb alapelvek véletlen következménye.
Az idő telt el. Nem sokkal ezelőtt az elemi részecskefizika modern szabványmodellje körvonalait rajzolta, és velük együtt az alapvető kölcsönhatások átláthatóságának új szintjét. 1973-ra létezett egy erős - és empirikusan sikeres - elméleti keret, amely több „szent alapelvre” épül. Ezek a relativitáselmélet, a kvantummechanika és az egységesség matematikai szabálya, az úgynevezett szimmetria.
De ezen ötletek együttes működtetése sikeresnek bizonyult. Együtt jelentősen korlátozzák az alapvető interakciók lehetőségeit.
Kobayashi és Maskawa két rövid bekezdésben két dolgot csináltak. Először megmutatták, hogy ha a fizikát az akkor ismert részecskékre korlátozzuk (például, ha csak kvarkok és leptonok két családja volt), akkor a szent alapelvek által engedélyezett kölcsönhatások a T-invarianciát is követik. Ha Cronin és Fitch soha nem fedezték fel felfedezésüket, akkor nem erről van szó. De megtettek, és Kobayashi és Maskawa még tovább mentek. Megmutatták, hogy ha beveszünk egy speciális új részecskekészletet (a harmadik család), akkor ezek a részecskék új kölcsönhatásokhoz vezetnek, ami a T-invariancia megsértéséhez vezet. Első pillantásra pontosan az, amit az orvos elrendel.
Az ezt követő években a detektív munkájának ragyogó példája teljesen igazolódott. Felfedezték azokat az új részecskéket, amelyek Kobayashi és Maskawa beismerték létezését, és kölcsönhatásuk pontosan olyan lett, aminek kellett volna.
Figyelem, kérdés. Valóban szent ezek a szent alapelvek? Természetesen nem. Ha a kísérletek eredményeként a tudósok kiegészítik ezeket az elveket, akkor minden bizonnyal kiegészítik. A szent alapelvek jelenleg átkozottul jónak tűnnek. És elég gyümölcsösek voltak, hogy komolyan vegyék őket.
Eddig diadal története volt. A kérdésre, amelyet az elején feltettünk, a világ működésével kapcsolatos egyik legnehezebb rejtvényre, részleges választ kaptam: mély, szép, gyümölcsöző.
Néhány évvel Kobayashi és Maskawa munkája után Gerard t'Hooft hézagot fedezett fel a T-invariancia magyarázatában. A szent alapelvek további típusú interakciókat tesznek lehetővé. A lehetséges új interakció meglehetősen finom, és a t'Hooft felfedezése meglepetés volt a legtöbb elméleti fizikus számára.
Az új interakció, ha jelentős erővel van jelen, sokkal nyilvánvalóbb mértékben sértené a T-invariánst, mint a Cronin, Fitch és munkatársaik által felfedezett hatás. Különösen lehetővé tenné a neutron forgását, hogy az indukálható mágneses mezőn kívül elektromos mezőt generáljon. (A forgó neutron mágneses tere analóg azzal, amit spinning Földünk termel, bár egy teljesen más skálán.) A kísérletezők keményen kerestek ilyen elektromos mezőket, de keresésük nem eredményezett.
Úgy tűnik, hogy a természet nem akarja használni a t'Hooft kiskapuját. Természetesen ez a joga, de ez a jog ismét felveti a kérdésünket: miért követi a természet a T-invarianciát annyira óvatosan?
Számos magyarázatot kínáltak, de csak az egyik tesztelte az idő próbáját. A központi ötlet Roberto Pezzie és Helen Quinné. Javaslatuk, akárcsak Kobayashi és Maskawa javaslata, magában foglalja a standard modell speciális kiterjesztését. Például egy semlegesítő mezőn keresztül, amelynek viselkedése különösen érzékeny az új t'Hooft interakcióra. Ha új interakció van jelen, a semlegesítő mező beállítja a saját nagyságát, hogy kompenzálja ennek az interakciónak a hatását. (Ez a hangolási folyamat általában hasonló ahhoz, hogy a szilárd anyagban lévő negatív töltésű elektronok összegyűlnek a pozitív töltésű szennyeződések körül és megvédik befolyásukat.) Kiderült, hogy egy ilyen semlegesítő mező lezárja a kiskapukat.
Pezzie és Quinn elfelejtették ötleteik fontos tesztelhető következményeit. A semlegesítő mezőjük által előállított részecskéknek - kvantumaiknak - figyelemre méltó tulajdonságokkal kell rendelkezniük. Mivel elfelejtették a részecskéiket, nem is nevezték őket. Ez lehetővé tette számomra, hogy teljesítsem a gyermekkori álmomat.
Néhány évvel korábban láttam egy élénk színű dobozt az Axion nevű szupermarketben. Számomra úgy tűnt, hogy az "axion" részecskéknek hangzik, és úgy tűnik, hogy van. Tehát amikor felfedeztem egy új részecskét, amely "tisztítja" a "tengelyirányú" áramlás problémáját, úgy éreztem, hogy van esélyem. (Hamarosan megtudtam, hogy Steven Weinberg önmagában is felfedezte ezt a részecskét. Higgletnek nevezte. Szerencsére beleegyezett, hogy elhagyja ezt a nevet.) Így kezdődött az epika, amelynek következtetéseit még csak írni kell.
A Részecskeadatok-krónikákban több oldal található, több tucat kísérlettel, amelyek leírják az axion sikertelen keresését. De az optimizmusnak még mindig vannak okai.
Az axionelmélet általánosságban azt jósolja, hogy az axióknak nagyon könnyű, nagyon hosszú élettartamú részecskéknek kell lenniük, amelyek gyengén lépnek kölcsönhatásba a rendes anyaggal. De az elmélet és a kísérlet összehasonlításához számokra kell támaszkodnia. És itt kétértelműséggel kell szembenéznünk, mivel a meglévő elmélet nem rögzíti az axián tömeg értékét. Ha tudnánk az axion tömegét, megjósolnánk annak többi tulajdonságát. De maga a tömeg lehet széles értéktartományban. (Ugyanez a probléma volt a varázslatos kvarc, Higgs-részecske, a felső kvarc és néhány más esetében. Ezen részecskék felfedezése előtt az elmélet minden tulajdonságát megjósolta, a tömegérték kivételével). Kiderült, hogy az axió kölcsönhatásának ereje arányos a tömegével. Ezért, mivel az axiózis tömegének értéke csökken, egyre nehezebbé válik.
A múltban a fizikusok olyan modellekre összpontosítottak, amelyekben az axió szorosan kapcsolódik a Higgs-részecskéhez. Feltételezték, hogy az axion tömegének 10 keV nagyságrendben kell lennie - az elektron tömegének ötven része. A korábban beszélt kísérletek többsége éppen egy ilyen terv tengelyére irányult. Jelenleg biztosak lehetünk abban, hogy ilyen tengelyek nem léteznek.
Sötét anyag
Ezért felhívtuk a figyelmet a tengelytömeg sokkal kisebb értékére, amelyeket kísérletileg nem zártak ki. Az ilyen tengelyek természetesen megjelennek azokban a modellekben, amelyek kombinálják a kölcsönhatásokat a standard modellben. A húr elméletében is megjelennek.
Kiszámítottuk, hogy az axióknak nagy mennyiségben kellett volna keletkezniük a Nagyrobbanás korai pillanataiban. Ha axiók léteznek egyáltalán, akkor az axionfolyadék kitölti az Univerzumot. Az axiális folyadék eredete nagyjából hasonlít a híres kozmikus mikrohullámú háttér eredetére, ám kettő között három fő különbség van. Először megfigyeljük a mikrohullámú hátteret, és az axionfolyadék tisztán hipotetikus marad. Másodszor, mivel az axiók tömegével rendelkeznek, folyadékuk befolyásolja az univerzum teljes tömegsűrűségét. Alapvetően azt számítottuk, hogy tömegük nagyjából megegyezzen azzal a tömeggel, amelyet a csillagászok a sötét anyag mögött meghatároztak! Harmadsorban, mivel az axiók annyira gyengén kölcsönhatásba lépnek, nehezebb megfigyelni őket, mint a CMB fotonjait.
A tengelyek kísérleti kutatása több fronton folytatódik. Két legígéretesebb kísérlet célja az axionfolyadék megtalálása. Az egyik, az ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) speciális szuperérzékeny antennákat használ a háttér-axiók elektromágneses impulzusokká történő konvertálására. Egy másik, a CASPEr (Kozmikus Axiális Spin Precessziós Kísérlet) a nukleáris spin mozgásának apró ingadozásait keresi, amelyeket az axion folyadék okozhat. Ezenkívül ezek a kifinomult kísérletek ígérik, hogy lefedik a lehetséges axionmasszák szinte teljes tartományát.
Léteznek axiók? Még nem tudjuk. Létezésük drámai és kielégítő következtetést hozna az idő megfordítható nyílának történetébe, és valószínűleg megoldaná a sötét anyag rejtélyét az alkuban. A játék elindult.
Frank Wilczek, a Quanta Magazine alapján