Kāpēc tad šķiet, ka laiks virzās tikai vienā virzienā?
Viena no iespējamām atbildēm var atklāt arī trūkstošās masas noslēpumus. Daži no mūsu pieredzes faktiem ir tikpat acīmredzami un plaši izplatīti kā atšķirība starp pagātni un nākotni. Mēs atceramies vienu lietu, bet gaidām citu. Ja jūs vadīsit filmu pretējā virzienā, tā nebūs reāla. Mēs sakām "laika bultiņa", kas nozīmē ceļu no pagātnes uz nākotni.
Var pieņemt, ka laika bultiņas esamība ir iebūvēta fizikas pamatlikumos. Bet taisnība ir arī taisnība. Ja jūs veidotu filmu par subatomiskiem notikumiem, jūs redzētu, ka tās versija, kas mainīta uz laiku, izskatās diezgan pamatota. Precīzāk, fizikas pamatlikumi - izņemot sīkus eksotiskus izņēmumus, pie kuriem mēs atgriezīsimies - darbosies neatkarīgi no tā, vai pagriežam laika sviru uz priekšu vai atpakaļ. Uz fizikas pamatlikumu fona laika bultiņa ir atgriezeniska.
Loģiski, ka transformācijai, kas apvērš laika virzienu, jāmaina arī pamatlikumi. Veselais saprāts diktē to, kam vajadzētu. Bet tas nemainās. Lai aprakstītu šo faktu, fiziķi izmanto ērtu akronīmu. Viņi sauc transformāciju, kas apvērš laika bultu, vienkārši T, no laika apgrieziena. Un to, ka T nemaina pamatlikumus, sauc par "T-invarianci" vai "T-simetriju".
Ikdienas pieredze pārkāpj T-invarianci, kamēr pamatlikumi to ievēro. Šī acīmredzamā neatbilstība rada sarežģītus jautājumus. Kā reālajai pasaulei, kuras pamatlikumos ir ievērota T-simetrija, izdodas izskatīties tik asimetriskai? Vai ir iespējams, ka kādu dienu mēs atradīsim būtnes, kas dzīvo pretējā laika ritmā - kuras kļūst jaunākas, jo mēs kļūstam vecāki? Vai mēs kaut kādā fiziskā procesā varam mainīt savu laika bultu?
Šie ir interesanti jautājumi, un mēs pie tiem atgriezīsimies vēlāk. Šajā rakstā Frenks Vilčeks, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta teorētiskais fiziķis un Nobela prēmijas laureāts, nolēma aptvert citu jautājumu. Tas rodas, kad jūs sākat no otra gala, dalītas pieredzes ietvaros. Mīkla ir šī?
Kāpēc pamatlikumiem ir šī problemātiskā un dīvainā īpašība, T-invariācija?
Atbilde, ko šodien var piedāvāt, ir nesalīdzināmi dziļāka un sarežģītāka nekā tā, ko mēs varētu piedāvāt pirms 50 gadiem. Šodienas izpratne ir radusies no spožās eksperimentālo atklājumu un teorētiskās analīzes saspēles, kas ieguvušas vairākas Nobela prēmijas. Bet mūsu atbildē trūkst dažu elementu. Viņu meklēšana var mūs novest pie negaidītas atlīdzības: kosmoloģiskās "tumšās matērijas" definīcijas.
Reklāmas video:
T-invariances modernā vēsture sākās 1956. gadā. Tajā gadā T. D. Lī un C. N. Youngs apšaubīja vēl vienu, bet saistītu fizisko likumu iezīmi, kas iepriekš tika uzskatīta par pašsaprotamu. Lī un Youngu netraucēja pats T, bet gan tā telpiskais līdzinājums - P. paritātes pārveidošana. Kamēr T ietver tādu filmu skatīšanu, kas iet atpakaļ laikā, P ietver filmu, kas atspoguļotas spogulī, skatīšanu. P-invariance ir hipotēze, ka notikumi, kurus redzat atspoguļotajās filmās, ievēro tos pašus likumus kā oriģinālos. Lī un Youngs identificēja netiešās neatbilstības šajā hipotēzē un ierosināja svarīgu eksperimentu, lai tās pārbaudītu. Vairāku mēnešu eksperimenti parādīja, ka daudzos gadījumos tiek pārkāpta P-invariācija. (P-invariance ir saglabāta gravitācijas, elektromagnētiskās un spēcīgās mijiedarbības gadījumā,bet parasti pārkāpj par vāju mijiedarbību).
Šie dramatiskie notikumi ap P- (ne) invarianci lika fiziķiem domāt par T-invarianci - saistītu pieņēmumu, kas arī reiz tika uzskatīts par pašsaprotamu. Tomēr T-invariances hipotēze vairākus gadus ir stingri pārbaudīta. Tikai 1964. gadā Džeimsa Kronina un Valentīnas Fičas vadītā grupa K-mezonu sabrukšanā atklāja savdabīgu, izsmalcinātu efektu, kas pārkāpj T-invarianci.
Džona Mičela izpratnes gudrība - ka “tu nezini, kas tev ir, kamēr tas nav pagājis” - ir pierādīta pēc tam.
Ja mēs, tāpat kā mazi bērni, turpinām jautāt “kāpēc?”, Mēs uz brīdi iegūsim dziļākas atbildes, bet galu galā mēs nonāksim pie pamatnes, kad nonāksim pie patiesības, kuru mēs nevaram izskaidrot vienkāršāk. Šajā brīdī mēs pasludinām uzvaru: "Viss ir tā, kā ir." Bet, ja vēlāk mēs atradīsim izņēmumus mūsu šķietamajai patiesībai, šī atbilde mūs vairs neapmierinās. Mums ir jāturpina.
Kamēr T-invariance ir universāla patiesība, nav skaidrs, cik noderīgs būs mūsu jautājums sākumā. Kāpēc Visums bija T-invariants? Tikai tāpēc. Bet pēc Kronina un Fitch T-invariances mīklu vienkārši nevar ignorēt.
Daudzi teorētiski fiziķi ir saskārušies ar satraucošo problēmu saprast, kā T-invariance var būt ārkārtīgi precīza, bet ne gluži. Un šeit lieti noderēja Makoto Kobajaši un Toshihide Maskawa darbi. 1973. gadā viņi ierosināja, ka aptuvenā T-invariance ir citu, dziļāku principu nejaušas sekas.
Laiks ir pagājis. Neilgi pirms tam tika uzzīmētas elementārā daļiņu fizikas modernā standarta modeļa kontūras un līdz ar to jauns fundamentālās mijiedarbības caurspīdīguma līmenis. Līdz 1973. gadam bija spēcīgs un empīriski veiksmīgs teorētiskais pamats, kas balstījās uz vairākiem “svētajiem principiem”. Tās ir relativitāte, kvantu mehānika un vienveidības matemātiskais noteikums, ko sauc par gabarīta simetriju.
Bet iegūt visas šīs idejas strādāt kopā izrādījās grūti. Kopā tie ievērojami ierobežo pamata mijiedarbības iespējas.
Kobajaši un Maskava divās īsās rindkopās izdarīja divas lietas. Pirmkārt, viņi parādīja, ka, ja mēs ierobežojam fiziku ar toreiz zināmajām daļiņām (piemēram, ja bija tikai divas kvarku un leptonu ģimenes), tad visa mijiedarbība, ko atļauj svēti principi, notiek arī pēc T-invariances. Ja Kronins un Fičs nekad nebūtu atklājuši savus atklājumus, tas tā nebūtu. Bet viņi to izdarīja, un Kobajaši un Maskava devās vēl tālāk. Viņi parādīja, ka, ja mēs ieviesīsim īpašu jaunu daļiņu komplektu (trešā saime), šīs daļiņas izraisīs jaunu mijiedarbību, izraisot T invariances pārkāpumus. No pirmā acu uzmetiena tieši tas, ko ārsts pasūtīja.
Turpmākajos gados viņu spožais detektīvu darba piemērs bija pilnībā pamatots. Tika atklātas jaunās daļiņas, par kurām Kobajaši un Maskava atzina, ka tās eksistē, un to mijiedarbība izrādījās tieši tāda, kādai tām vajadzēja būt.
Uzmanību, jautājums. Vai šie svētie principi tiešām ir svēti? Protams, nē. Ja eksperimenti liks zinātniekiem papildināt šos principus, tie noteikti papildinās. Pašlaik svēti principi izskatās diezgan sasodīti labi. Un viņi bija pietiekami auglīgi, lai viņus uztvertu nopietni.
Līdz šim tas bija triumfa stāsts. Uz jautājumu, ko mēs uzdevām sākumā, vienu no grūtākajām mīklām par pasaules darbību, saņēmām daļēju atbildi: dziļa, skaista, auglīga.
Dažus gadus pēc Kobajaši un Maskavas darba Žerārs t'Hooft atklāja nepilnības viņu skaidrojumā par T-invarianci. Sakrālie principi pieļauj papildu mijiedarbību. Iespējamā jaunā mijiedarbība ir diezgan smalka, un t'Hooft atklājums bija pārsteigums lielākajai daļai teorētisko fiziķu.
Jaunā mijiedarbība, ja tai ir ievērojama izturība, daudz vairāk acīmredzami pārkāptu T-invarianci nekā Kronina, Fitča un viņu kolēģu atklātais efekts. Jo īpaši tas ļautu neitrona rotācijai radīt elektrisko lauku papildus magnētiskajam laukam, ko tas var izraisīt. (Vērpjošā neitrona magnētiskais lauks ir analogs tam, ko rada mūsu vērpjošā Zeme, kaut arī pavisam citā mērogā.) Eksperimenti ir smagi meklējuši šādus elektriskos laukus, taču viņu meklēšana nav devusi rezultātus.
It kā daba nevēlas izmantot t'Hooft nepilnības. Protams, tās ir viņas tiesības, bet šīs tiesības atkal rada mūsu jautājumu: kāpēc daba tik uzmanīgi seko T-invariancei?
Ir piedāvāti vairāki skaidrojumi, bet tikai viens ir izturējis laika pārbaudi. Galvenā ideja pieder Roberto Pezzie un Helēnai Kvinai. Viņu, tāpat kā Kobajaši un Maskavas, priekšlikums paredz standarta modeļa paplašināšanu īpašā veidā. Piemēram, izmantojot neitralizējošu lauku, kura izturēšanās ir īpaši jutīga pret jauno t'Hooft mijiedarbību. Ja notiek jauna mijiedarbība, neitralizējošais lauks pielāgo savu lielumu, lai kompensētu šīs mijiedarbības ietekmi. (Šis noregulēšanas process parasti ir līdzīgs tam, kā negatīvi lādēti elektroni cietās daļās pulcējas ap pozitīvi lādētiem piemaisījumiem un pasargā to ietekmi.) Šāds neitralizējošs lauks, izrādās, aizver mūsu nepilnības.
Pezzie un Quinn ir aizmirsuši savas idejas svarīgās pārbaudāmās sekas. Daļiņām, kuras rada to neitralizējošais lauks - tā kvantitāte - jābūt ar ievērojamām īpašībām. Tā kā viņi aizmirsa par savām daļiņām, tad arī tās nenosauca. Tas ļāva piepildīt savu bērnības sapni.
Dažus gadus iepriekš es biju redzējis spilgtas krāsas kasti lielveikalā ar nosaukumu Axion. Man šķita, ka “aksons” izklausās pēc daļiņas un, šķiet, ir. Tātad, kad es atklāju jaunu daļiņu, kas "attīra" problēmu ar "aksiālu" plūsmu, es jutu, ka man ir iespēja. (Drīz uzzināju, ka Stīvens Veinbergs patstāvīgi atklāja arī šo daļiņu. Viņš to sauca par Higgletu. Par laimi, viņš piekrita nomest šo vārdu.) Tādējādi sākās epika, kuras secinājumi vēl tikai jāraksta.
Daļiņu datu grupas hronikās atradīsit vairākas lappuses ar desmitiem eksperimentu, kas apraksta neveiksmīgus aksiācijas meklējumus. Bet joprojām ir iemesli optimismam.
Aksionu teorija vispārīgi prognozē, ka aksioniem jābūt ļoti vieglām, ļoti ilgmūžīgām daļiņām, kas vāji mijiedarbojas ar parasto matēriju. Bet, lai salīdzinātu teoriju un eksperimentu, jums jāpaļaujas uz skaitļiem. Un šeit mēs saskaramies ar neskaidrībām, jo esošā teorija nenosaka aksiācijas masas vērtību. Ja mēs zinātu aksiācijas masu, mēs paredzētu pārējās tā īpašības. Bet pati masa var būt plašā vērtību diapazonā. (Tā pati problēma bija ar apburošo kvarku, Higsa daļiņu, augšējo kvarku un vairākiem citiem. Pirms katras šīs daļiņas atklāšanas teorija paredzēja visas to īpašības, izņemot masas vērtību). Izrādījās, ka aksiācijas mijiedarbības spēks ir proporcionāls tās masai. Tāpēc, samazinoties aksiācijas masas vērtībai, tā kļūst arvien nenotveramāka.
Agrāk fiziķi ir pievērsušies modeļiem, kuros aksiācija ir cieši saistīta ar Higsa daļiņu. Tika pieņemts, ka aksiācijas masai jābūt apmēram 10 keV - vienai piecdesmit daļai no elektronu masas. Lielākā daļa eksperimentu, par kuriem mēs iepriekš runājām, meklēja tieši šāda plāna virzienu. Pašlaik mēs varam būt pārliecināti, ka šādas ass nav.
Tumšā matērija
Tāpēc uzmanība tika pievērsta daudz mazākām aksiju masu vērtībām, kuras eksperimentāli netika izslēgtas. Šāda veida aksijas diezgan dabiski parādās modeļos, kas standarta modelī apvieno mijiedarbību. Tie parādās arī stīgu teorijā.
Mēs aprēķinājām, ka aksiāliem lielās sprādziena sākuma brīžiem vajadzēja radīt pārpilnību. Ja aksiumi vispār pastāv, tad aksiācijas šķidrums piepilda Visumu. Aksionu šķidruma izcelsme aptuveni atgādina slavenā kosmiskā mikroviļņu fona izcelsmi, taču starp tiem ir trīs galvenās atšķirības. Vispirms tiek novērots mikroviļņu fons, un aksiācijas šķidrums paliek tīri hipotētisks. Otrkārt, tā kā asīm ir masa, to šķidrums ietekmē kopējo Visuma masas blīvumu. Pamatā mēs aprēķinājām, ka to masai aptuveni jāatbilst masai, kuru astronomi ir noteikuši aiz tumšās matērijas! Treškārt, tā kā aksijas mijiedarbojas tik vāji, tām vajadzētu būt grūtāk novērotām nekā CMB fotoniem.
Eksperimentālā aksiāciju meklēšana turpinās vairākās frontēs. Divi no visdaudzsološākajiem eksperimentiem ir vērsti uz aksiācijas šķidruma atrašanu. Viens no tiem, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), izmanto īpašas īpaši jutīgas antenas, lai fona aksiācijas pārvērstu elektromagnētiskos impulsos. Cits, CASPEr (kosmisko aksiālo griešanās piepūles eksperimenta eksperiments), meklē nelielas kodola griešanās kustības svārstības, kuras varētu izraisīt aksiācijas šķidrums. Turklāt šie sarežģītie eksperimenti sola aptvert gandrīz visu iespējamo aksionu masu diapazonu.
Vai axions pastāv? Mēs vēl nezinām. Viņu esamība radītu dramatisku un apmierinošu secinājumu laika atgriezeniskās bultiņas vēsturē un, iespējams, arī atrisinātu darījuma tumšās vielas noslēpumu. Spēle sākās.
Frenks Vilčeks, pamatojoties uz žurnāla Quanta žurnālu