Atunci de ce pare să se miște timpul într-o singură direcție?
Unul dintre răspunsurile posibile poate dezvălui și secretele masei dispărute. Unele dintre faptele experienței noastre sunt la fel de evidente și răspândite ca și diferența dintre trecut și viitor. Ne amintim un lucru, dar ne așteptăm la altul. Dacă rulați filmul în direcția opusă, acesta nu va fi realist. Spunem „săgeata timpului”, adică calea de la trecut la viitor.
Se poate presupune că existența săgeții timpului este încorporată în legile fundamentale ale fizicii. Dar și contrariul este adevărat. Dacă ați face un film despre evenimente subatomice, ați vedea că versiunea sa inversată în timp pare destul de rezonabilă. Mai precis, legile fundamentale ale fizicii - cu excepția micilor excepții exotice, la care ne vom întoarce - vor funcționa indiferent dacă vom îndrepta maneta timpului înainte sau înapoi. Pe fundalul legilor fundamentale ale fizicii, săgeata timpului este reversibilă.
În mod logic, o transformare care inversează direcția timpului trebuie să schimbe și legile fundamentale. Bunul simț dictează ce ar trebui. Dar nu se schimbă. Fizicienii folosesc un acronim convenabil pentru a descrie acest fapt. Ei numesc transformarea care inversează săgeata timpului, pur și simplu T, din inversarea timpului. Iar faptul că T nu schimbă legile fundamentale este denumit „invarianță T” sau „simetrie T”.
Experiența de zi cu zi încalcă invarianța T, în timp ce legile fundamentale o respectă. Această discrepanță clară ridică întrebări dificile. Cum reușește să pară lumea adevărată, ale cărei legi fundamentale respectă simetria T? Este posibil ca într-o zi să găsim ființe care trăiesc în ritmul opus al timpului - care îmbătrânesc pe măsură ce îmbătrânim? Putem, printr-un proces fizic, să inversăm propria săgeată a timpului?
Acestea sunt întrebări interesante și le vom reveni mai târziu. În acest articol, Frank Wilczek, fizician teoretic la Institutul de Tehnologie din Massachusetts și laureat al Premiului Nobel, a decis să acopere o altă problemă. Ea apare atunci când pornești de la celălalt capăt, în cadrul unei experiențe partajate. Ghicitoarea este asta?
De ce legile fundamentale au această proprietate problematică și ciudată, invarianța T?
Răspunsul care poate fi oferit astăzi este incomparabil mai profund și mai complex decât ceea ce am putea oferi acum 50 de ani. Înțelegerea de astăzi a apărut din interacțiunea strălucitoare a descoperirii experimentale și a analizei teoretice, care au câștigat mai multe Premii Nobel. Dar răspunsul nostru lipsește unele elemente. Căutarea lor ne poate duce la o recompensă neașteptată: definiția „materiei întunecate” cosmologice.
Video promotional:
Istoria modernă a invarianței T a început în 1956. În acel an, T. D. Lee și C. N. Young au pus sub semnul întrebării o altă caracteristică, dar înrudită a dreptului fizic, care fusese deja considerată de fapt. Lee și Young nu s-au deranjat de T în sine, ci de omologul său spațial, transformarea parității P. P-invariance este ipoteza conform căreia evenimentele pe care le vedeți în filmele reflectate respectă aceleași legi ca în original. Lee și Young au identificat inconsecvențele indirecte în această ipoteză și au propus un experiment important pentru a le testa. Experimentele efectuate pe parcursul mai multor luni au arătat că invarianța P este încălcată în multe cazuri. (Invarianța P este conservată pentru interacțiuni gravitaționale, electromagnetice și puternice,dar în general încălcate pentru interacțiuni slabe).
Aceste evenimente dramatice în jurul invarianței P (ne) i-au determinat pe fizicieni să se gândească la invarianța T, o presupunere înrudită care a fost, de asemenea, odată luată de la sine. Cu toate acestea, ipoteza invariantei T a fost supusă testării riguroase de câțiva ani. Abia în 1964, un grup condus de James Cronin și Valentina Fitch au descoperit un efect ciudat, subtil, în decăderea K-mesonilor, care încalcă invarianța T.
Înțelepciunea înțelegerii lui John Mitchell - că „nu știți ce aveți până când nu mai este” - a fost dovedită după aceea.
Dacă noi, ca și copiii mici, continuăm să ne întrebăm „de ce?”, Vom primi răspunsuri mai profunde pentru o perioadă, dar în cele din urmă vom ajunge pe fundul stâncii atunci când vom ajunge la un adevăr pe care nu îl putem explica mai simplu. În acest moment declaram victoria: „Totul este așa cum este”. Dar dacă ulterior vom găsi excepții de la presupusul nostru adevăr, acest răspuns nu ne va mai satisface. Trebuie să mergem mai departe.
Atâta timp cât invarianța T este un adevăr universal, nu este clar cât de utilă va fi întrebarea noastră de la început. De ce a fost invariantul universului T? Doar pentru că. Dar după Cronin și Fitch, puzzle-ul invariantelor T pur și simplu nu poate fi ignorat.
Mulți fizicieni teoretici s-au confruntat cu problema de a înțelege modul în care invarianța T poate fi extrem de precisă, dar nu chiar. Și aici lucrările lui Makoto Kobayashi și Toshihide Maskawa au venit la îndemână. În 1973, ei au sugerat că invarianța T aproximativă este o consecință accidentală a altor principii mai profunde.
Timpul a trecut. Nu cu mult înainte de aceasta, s-au trasat contururile modelului standard modern al fizicii elementare a particulelor, iar odată cu acestea a fost creat un nou nivel de transparență a interacțiunilor fundamentale. Până în 1973, a existat un cadru teoretic puternic - și empiric de succes - bazat pe mai multe „principii sacre”. Acestea sunt relativitatea, mecanica cuantică și o regulă matematică a uniformității numită simetrie calibru.
Dar a obține toate aceste idei pentru a lucra împreună s-a dovedit dificil. Împreună limitează semnificativ posibilitățile de interacțiuni de bază.
Kobayashi și Maskawa, în două paragrafe scurte, au făcut două lucruri. Mai întâi, ei au arătat că dacă restricționăm fizica la particulele cunoscute atunci (de exemplu, dacă nu existau decât două familii de quark și leptoni), atunci toate interacțiunile permise de principiile sacre urmează și invariantele T. Dacă Cronin și Fitch nu ar fi făcut niciodată descoperirea lor, nu ar fi cazul. Dar au făcut-o, iar Kobayashi și Maskawa au mers și mai departe. Ei au arătat că dacă introducem un set special de particule noi (a treia familie), aceste particule vor duce la interacțiuni noi, ceea ce duce la încălcări ale invarianței T. La prima vedere, exact ceea ce a comandat medicul.
În anii care au urmat, genialul lor exemplu de muncă în detectiv a fost pe deplin justificat. Noile particule pe care Kobayashi și Maskawa au recunoscut-le că au fost descoperite, iar interacțiunile lor s-au dovedit a fi exact ceea ce ar fi trebuit să fie.
Atenție, întrebare. Sunt aceste principii sacre cu adevărat sacre? Desigur că nu. Dacă experimentele îi determină pe oamenii de știință să completeze aceste principii, ele vor completa cu siguranță. În acest moment, principiile sacre arată destul de bine. Și au fost suficient de fructuoși pentru a le lua în serios.
Până acum, a fost o poveste de triumf. Întrebarea pe care ne-am pus-o la început, unul dintre cele mai dificile puzzle-uri despre modul în care funcționează lumea, a primit un răspuns parțial: profund, frumos, roditor.
La câțiva ani după munca lui Kobayashi și Maskawa, Gerard t'Hooft a descoperit o lacună în explicația lor despre invarianța T. Principiile sacre permit un alt tip de interacțiune. Posibilă nouă interacțiune este destul de subtilă, iar descoperirea lui HoHoft a venit ca o surpriză pentru majoritatea fizicienilor teoretici.
Noua interacțiune, dacă este prezentă cu o putere semnificativă, ar încălca invariția T într-un grad mult mai evident decât efectul descoperit de Cronin, Fitch și colegii lor. În special, ar permite rotirea neutronului pentru a genera un câmp electric, pe lângă câmpul magnetic pe care îl poate induce. (Câmpul magnetic al unui neutron învârtit este analog cu ceea ce produce Pământul nostru învârtit, deși pe o scară complet diferită.) Experimentatorii au căutat din greu pentru astfel de câmpuri electrice, dar căutarea lor nu a dat rezultate.
Este ca și cum natura nu ar dori să folosească lacunele lui t’Hooft. Desigur, acesta este dreptul ei, dar acest drept ne ridică din nou întrebarea: de ce natura respectă T-invarianța atât de atent?
Au fost oferite mai multe explicații, dar doar una a fost testul timpului. Ideea centrală aparține lui Roberto Pezzie și Helen Quinn. Propunerea lor, precum cea a lui Kobayashi și Maskawa, implică extinderea modelului standard într-un mod special. De exemplu, printr-un câmp de neutralizare, al cărui comportament este sensibil mai ales la noua interacțiune t'Hooft. Dacă este prezentă o nouă interacțiune, câmpul de neutralizare își ajustează propria mărime pentru a compensa influența acestei interacțiuni. (Acest proces de reglare este în general similar cu modul în care electronii încărcați negativ în solide se adună în jurul impurităților încărcate pozitiv și protejează influența lor.) Se pare că un astfel de câmp neutralizant ne închide portița.
Pezzie și Quinn au uitat de implicațiile testabile importante ale ideii lor. Particulele produse de câmpul lor de neutralizare - cantitatea sa - trebuie să aibă proprietăți remarcabile. De când au uitat de particulele lor, nici nu le-au numit. Acest lucru mi-a permis să-mi îndeplinesc visul din copilărie.
Cu câțiva ani mai devreme, văzusem o cutie viu colorată într-un supermarket numit Axion. Mi s-a părut că „axionul” sună ca o particulă și, se pare, este. Așadar, când am descoperit o particulă nouă care „curăță” problema cu un flux „axial”, am simțit că am o șansă. (Am aflat curând că Steven Weinberg a descoperit și această particulă, în mod independent. El a numit-o Higglet. Din fericire, a acceptat să renunțe la acest nume.) A început astfel epopeea, a cărei concluzie rămâne doar de scris.
În Cronici ale grupului de date despre particule, veți găsi mai multe pagini care acoperă zeci de experimente care descriu căutările nereușite ale axionului. Dar mai există motive pentru optimism.
Teoria axionului prezice, în termeni generali, că axiunile ar trebui să fie particule foarte ușoare, cu o durată de viață foarte lungă, care să interacționeze slab cu materia obișnuită. Dar pentru a compara teoria și experimentul, trebuie să vă bazați pe numere. Și aici ne confruntăm cu ambiguitatea, deoarece teoria existentă nu stabilește valoarea masei de axie. Dacă am cunoaște masa axionului, am prezice restul proprietăților sale. Dar masa în sine poate fi într-o gamă largă de valori. (Aceeași problemă a fost cu quark-ul fermecat, particula Higgs, quark-ul de sus și alte câteva. Înainte de descoperirea fiecăreia dintre aceste particule, teoria a prezis toate proprietățile lor, cu excepția valorii de masă). S-a dovedit că forța de interacțiune a axionului este proporțională cu masa ei. Prin urmare, pe măsură ce valoarea masei axionului scade, aceasta devine din ce în ce mai evazivă.
În trecut, fizicienii s-au concentrat pe modele în care axiunea este strâns legată de particula Higgs. S-a presupus că masa axionului ar trebui să fie de ordinul a 10 keV - o cincizeci din masa unui electron. Majoritatea experimentelor despre care am vorbit anterior au căutat o axiune a unui astfel de plan. În prezent, putem fi siguri că astfel de axiuni nu există.
Materie întunecată
Și, prin urmare, s-a atras atenția asupra valorilor mult mai mici ale maselor de axie, care nu au fost excluse experimental. Acizii de acest fel apar destul de natural la modelele care combină interacțiunile din modelul standard. Ele apar și în teoria corzilor.
Am calculat că axiunile ar fi trebuit să fie produse din abundență în primele momente ale Big Bang. Dacă axiunile există deloc, atunci fluidul de axiune umple Universul. Originea fluidului de axiune seamănă aproximativ cu originea celebrului fundal cosmic cu microunde, dar există trei diferențe majore între cele două. În primul rând, se observă fundalul cu microunde, iar lichidul de axiune rămâne pur ipotetic. În al doilea rând, deoarece axiile au masă, fluidul lor afectează densitatea totală de masă a universului. Practic, am calculat că masa lor ar trebui să corespundă aproximativ masei pe care astronomii au determinat-o în spatele materiei întunecate! În al treilea rând, deoarece axiunile interacționează atât de slab, ar trebui să fie mai dificil de observat decât fotonii CMB.
Căutarea experimentală a axiilor continuă pe mai multe fronturi. Două dintre cele mai promițătoare experimente vizează găsirea lichidului de axie. Unul dintre ei, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), utilizează antene super-sensibile speciale pentru a converti axiile de fundal în impulsuri electromagnetice. Un alt, CASPEr (Experimentul cosmic Axion Precession Spin), caută fluctuații minuscule în mișcarea rotirilor nucleare care ar putea fi cauzate de fluidul de axie. În plus, aceste experimente sofisticate promit să acopere aproape întreaga gamă de mase axiale posibile.
Există axiuni? Încă nu știm. Existența lor ar aduce o concluzie dramatică și satisfăcătoare în istoria săgeții reversibile a timpului și, probabil, ar rezolva și misterul materiei întunecate din chilipir. Jocul a început.
Frank Wilczek, bazat pe revista Quanta
