Miksi aika näyttää siis liikkuvan vain yhteen suuntaan?
Yksi mahdollisista vastauksista voi myös paljastaa puuttuvan massan salaisuudet. Jotkut kokemuksemme tosiasioista ovat yhtä ilmeisiä ja laajalle levinneitä kuin ero menneisyyden ja tulevaisuuden välillä. Muistamme yhden asian, mutta odotamme toisen. Jos ajat elokuvaa vastakkaiseen suuntaan, se ei ole realistinen. Sanomme "ajan nuolen", mikä tarkoittaa polkua menneisyydestä tulevaisuuteen.
Voidaan olettaa, että ajan nuolen olemassaolo on rakennettu fysiikan peruslakeihin. Mutta päinvastoin on myös totta. Jos olet tehnyt elokuvan subatomisista tapahtumista, huomaat, että sen aika käännetty versio näyttää aivan kohtuulliselta. Tarkemmin sanottuna fysiikan peruslait - lukuun ottamatta pieniä eksoottisia poikkeuksia, joihin palaamme - toimivat riippumatta siitä, käännämmekö ajan vipua eteenpäin vai taaksepäin. Fysiikan peruslakien taustalla ajan nuoli on käännettävissä.
Loogisesti, ajankäännöstä kääntävän muutoksen on muutettava myös peruslakia. Terve järki sanelee mitä pitäisi. Mutta se ei muutu. Fyysikot kuvaavat tätä tosiasiaa sopivalla lyhenteellä. He kutsuvat muutosta, joka kääntää ajan nuolen, yksinkertaisesti T: n, ajan kääntymisestä. Ja siihen tosiasiaan, että T ei muuta peruslakia, viitataan "T-invarianssiksi" tai "T-symmetriaksi".
Jokapäiväinen kokemus rikkoo T-invarianssia, kun taas peruslakit kunnioittavat sitä. Tämä räikeä ristiriita herättää vaikeita kysymyksiä. Kuinka reaalimaailma, jonka peruslakeissa kunnioitetaan T-symmetriaa, onnistuu näyttämään niin epäsymmetriseltä? Onko mahdollista, että jonain päivänä löydämme olentoja, jotka elävät vastakkaisessa aikatahdissa - kuka ikääntyy vanhetessaan? Voimmeko jonkin fyysisen prosessin avulla kääntää oman ajan nuolen?
Nämä ovat mielenkiintoisia kysymyksiä, ja palaamme niihin myöhemmin. Tässä artikkelissa Massachusettsin teknillisen instituutin teoreettinen fyysikko ja Nobel-palkinnon saaja Frank Wilczek päätti korostaa toista asiaa. Se syntyy, kun aloitat toisesta päästä jaetun kokemuksen puitteissa. Arvoitus on tämä?
Miksi peruslakeilla on tämä ongelmallinen ja outo ominaisuus, T-invarianssi?
Vastaus, jota voidaan tarjota tänään, on verrattain syvempi ja monimutkaisempi kuin mitä voisimme tarjota 50 vuotta sitten. Tämän päivän käsitys on syntynyt kokeellisen löytön ja teoreettisen analyysin loistavasta vuorovaikutuksesta, joka on voittanut useita Nobel-palkintoja. Mutta vastauksestasi puuttuu joitain elementtejä. Niiden etsiminen voi johtaa meihin odottamattomaan palkkioon: kosmologisen "tumman aineen" määritelmään.
Mainosvideo:
T-invarianssin nykyaikainen historia alkoi vuonna 1956. Tuona vuonna T. D. Lee ja C. N. Young kyseenalaistivat toisen, mutta siihen liittyvän fyysisen lain piirteen, jota aiemmin pidettiin itsestään selvänä. T: tä itse ei häirinnyt Lee ja Youngi, mutta sen tilallinen vastine, P.: n pariteettimuutos. Vaikka T tarkoittaa ajassa taaksepäin menevien elokuvien katselemista, P sisältää peiliin heijastettujen elokuvien katselun. P-invarianssi on hypoteesi, jonka mukaan heijastuneissa elokuvissa näkemäsi tapahtumat noudattavat samoja lakeja kuin alkuperäiskappaleissa. Lee ja Young havaitsivat epäsuoria epäjohdonmukaisuuksia tässä hypoteesissa ja ehdottivat tärkeää kokeilua niiden testaamiseksi. Useiden kuukausien kokeet ovat osoittaneet, että P-invarianssia rikotaan monissa tapauksissa. (P-invarianssi säilyy painovoima-, sähkömagneettisen ja voimakkaan vuorovaikutuksen kannalta,mutta yleensä loukataan heikkojen vuorovaikutusten takia).
Nämä dramaattiset tapahtumat P- (ei) invarianssin ympärillä ovat saaneet fyysikot ajattelemaan T-invarianssia, siihen liittyvää olettamaa, jota myös kerran pidettiin itsestään selvänä. T-invarianssi-hypoteesi on kuitenkin läpikäynyt tiukan testauksen useita vuosia. Vasta vuonna 1964 James Croninin ja Valentina Fitchin johtama ryhmä löysi K-mesonien hajoamisessa ominaisen hienovaraisen vaikutuksen, joka rikkoo T-invarianssia.
John Mitchellin ymmärryksen viisaus - että "et tiedä mitä sinulla on, ennen kuin se on mennyt" - on todistettu jälkikäteen.
Jos me, kuten pienet lapset, kysymme jatkuvasti”miksi?”, Saamme syvempiä vastauksia hetkeksi, mutta lopulta saavutamme pohjan, kun tulemme totuuteen, jota emme pysty selittämään yksinkertaisemmin. Tällä hetkellä julistamme voiton: "Kaikki on sellaisena kuin se on." Mutta jos löydämme myöhemmin poikkeuksia oletetusta totuudestamme, tämä vastaus ei enää tyydytä meitä. Meidän on jatkettava.
Niin kauan kuin T-invarianssi on universaali totuus, ei ole selvää, kuinka hyödyllistä alussa oleva kysymyksemme tulee. Miksi maailmankaikkeus oli T-invariantti? Vain koska. Mutta Croninin ja Fitchin jälkeen T-invarianssin palapeliä ei yksinkertaisesti voida sivuuttaa.
Monet teoreettiset fyysikot ovat kohdanneet kiusallisen ongelman ymmärtää, kuinka T-invarianssi voi olla erittäin tarkka, mutta ei aivan. Ja täällä Makoto Kobayashin ja Toshihide Maskawan työ oli hyödyllinen. Vuonna 1973 he ehdottivat, että likimääräinen T-invarianssi on sattumanvarainen seuraus muista, syvemmistä periaatteista.
Aika on kulunut. Ei kauan ennen sitä piirrettiin hiukkasfysiikan nykyaikaisen standardimallin ääriviivat, ja niiden kanssa perusteellisten vuorovaikutusten uusi avoimuustaso. Vuoteen 1973 mennessä oli olemassa tehokas ja empiirisesti onnistunut teoreettinen kehys, joka perustui useisiin "pyhiin periaatteisiin". Nämä ovat suhteellisuussuunta, kvantti mekaniikka ja matemaattiset yhdenmukaisuussäännöt, joita kutsutaan mittarisymmetriaksi.
Mutta kaikkien näiden ideoiden saaminen toimimaan yhdessä osoittautui vaikeaksi. Yhdessä ne rajoittavat merkittävästi perustoimintojen mahdollisuuksia.
Kobayashi ja Maskawa tekivät kahdessa lyhyessä kappaleessa kaksi asiaa. Ensinnäkin, he osoittivat, että jos rajoitamme fysiikan silloin tunnetuille hiukkasille (esimerkiksi jos kvarkkeja ja leptoneja oli vain kaksi perhettä), niin kaikki pyhien periaatteiden sallimat vuorovaikutukset seuraavat myös T-invarianssia. Jos Cronin ja Fitch eivät olisi koskaan löytäneet löytöjään, niin ei pidä paikkaansa. Mutta he tekivät, ja Kobayashi ja Maskawa menivät vielä pidemmälle. He osoittivat, että jos esittelemme erityisen joukon uusia hiukkasia (kolmas perhe), nämä hiukkaset johtavat uusiin vuorovaikutuksiin, mikä johtaa T-invarianssin rikkomuksiin. Ensi silmäyksellä, mitä lääkäri määräsi.
Seuraavina vuosina heidän loistava esimerkki etsivätyöstä oli täysin perusteltua. Uudet partikkelit, joiden Kobayashi ja Maskawa tunnustivat olevan olemassa, löydettiin, ja heidän vuorovaikutuksensa osoittautuivat juuri sellaisiksi kuin heidän piti olla.
Huomio, kysymys. Ovatko nämä pyhät periaatteet todella pyhiä? Ei tietenkään. Jos kokeet johtavat tutkijoita täydentämään näitä periaatteita, ne varmasti täydentävät. Tällä hetkellä pyhät periaatteet näyttävät aika pirun hyvältä. Ja he olivat riittävän hedelmällisiä ottaakseen heidät vakavasti.
Toistaiseksi se on ollut tarina voitosta. Kysymykseen, jonka esitimme alussa, yksi vaikeimmista arvoituksista maailman toiminnasta, saatiin osittainen vastaus: syvä, kaunis, hedelmällinen.
Muutama vuosi Kobayashin ja Maskawan työn jälkeen Gerard t'Hooft löysi aukon heidän selityksessään T-invarianssista. Pyhät periaatteet sallivat uudenlaisen vuorovaikutuksen. Mahdollinen uusi vuorovaikutus on melko hienovaraista, ja t'Hooftin löytö tuli yllätyksenä useimmille teoreettisille fyysikoille.
Uusi vuorovaikutus, mikäli läsnä on huomattavaa vahvuutta, rikkoisi T-invarianssia paljon ilmeisemmässä määrin kuin Croninin, Fitchin ja heidän kollegansa havaitsema vaikutus. Erityisesti se sallii neutronin pyörimisen tuottaa sähkökenttää sen aiheuttaman magneettikentän lisäksi. (Pyörivän neutronin magneettikenttä on analoginen sen kanssa, mitä kehrävä maapallomme tuottaa, tosin täysin eri mittakaavassa.) Kokeilijat ovat etsineet kovasti tällaisia sähkökenttiä, mutta heidän haunsa eivät ole tuottaneet tulosta.
Tuntuu kuin luonto ei halua käyttää t'Hooftin aukkoa. Tietenkin, tämä on hänen oikeutensa, mutta tämä oikeus herättää jälleen kysymyksemme: miksi luonto seuraa T-invarianssia niin tarkkaan?
Tarjotaan useita selityksiä, mutta vain yksi on kestänyt ajan testin. Keskeinen idea kuuluu Roberto Pezzielle ja Helen Quinnille. Heidän ehdotuksensa, kuten Kobayashin ja Maskawan ehdotus, käsittää standardimallin laajentamisen erityisellä tavalla. Esimerkiksi neutraloivan kentän kautta, jonka käyttäytyminen on erityisen herkkä uudelle t'Hooft-vuorovaikutukselle. Jos uusi vuorovaikutus on läsnä, neutraloiva kenttä säätää omaa suuruuttaan kompensoidakseen tämän vuorovaikutuksen vaikutuksen. (Tämä viritysprosessi on yleensä samanlainen kuin kuinka negatiivisesti varautuneet elektronit kiinteissä aineissa kerääntyvät positiivisesti varautuneiden epäpuhtauksien ympärille ja suojaavat niiden vaikutusta.) Tällainen neutraloiva kenttä, osoittautuu, sulkee porsaanreiän.
Pezzie ja Quinn ovat unohtaneet ideansa tärkeät testattavat vaikutukset. Neutraloivan kentän - sen kvanttien - tuottamilla hiukkasilla on oltava merkittävät ominaisuudet. Koska he unohtivat partikkelinsa, he eivät myöskään nimenneet niitä. Tämän avulla sain toteuttaa lapsuuden unelma.
Muutama vuosi aiemmin olin nähnyt kirkkaanvärisen laatikon Axion-nimisessä supermarketissa. Minusta näytti, että "aksio" kuulostaa hiukkaselta ja näyttää siltä, että on. Joten kun löysin uuden hiukkasen, joka "puhdistaa" ongelman "aksiaalisella" virtauksella, minusta tuntui, että minulla oli mahdollisuus. (Sain pian tietää, että Steven Weinberg löysi itsenäisesti myös tämän hiukkasen. Hän kutsui sitä Higgletiksi. Onneksi hän suostui luopumaan kyseisestä nimestä.) Näin alkoi eepos, jonka johtopäätös on vielä kirjoitettava.
Hiukkastietoryhmän kronikot -sivulta löydät useita sivuja, jotka kattavat kymmeniä kokeita, jotka kuvaavat epäonnistunutta aksion etsintää. Mutta optimismille on edelleen syitä.
Aksioniteoria ennustaa yleisesti, että aksioiden tulisi olla erittäin kevyitä, erittäin pitkäikäisiä hiukkasia, jotka ovat heikossa vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa. Mutta verrataksesi teoriaa ja kokeilua täytyy luottaa lukuihin. Ja tässä kohtaamme epäselvyyttä, koska olemassa oleva teoria ei korjaa aksionimassan arvoa. Jos tiedämme aksionin massan, ennustamme sen muut ominaisuudet. Mutta massa itse voi olla monilla arvoalueilla. (Sama ongelma oli viehätetyssä kvarkin, Higgs-hiukkasen, yläkvarkin ja muutamien muiden kanssa. Ennen kunkin näiden hiukkasten löytämistä teoria ennusti kaikkia niiden ominaisuuksia paitsi massa-arvoa). Kävi ilmi, että akselin vuorovaikutusvoima on verrannollinen sen massaan. Siksi akselin massan arvon pienentyessä siitä tulee yhä vaikeampaa.
Aikaisemmin fyysikot ovat keskittyneet malleihin, joissa akseli liittyy läheisesti Higgs-hiukkasiin. Oletetaan, että aksionin massan tulisi olla luokkaa 10 keV - yksi viisikymmentä elektronin massasta. Suurin osa kokeista, joista aiemmin puhuimme, etsivät akselin juuri tällaisesta suunnitelmasta. Tällä hetkellä voimme olla varmoja, että sellaisia aksioita ei ole.
Pimeä aine
Ja siksi kiinnitettiin huomio aksionimassojen paljon pienempiin arvoihin, joita ei jätetty pois kokeellisesti. Tällaiset aksiaalit esiintyvät melko luonnollisesti malleissa, joissa yhdistyvät vuorovaikutukset standardimallissa. Ne esiintyvät myös jousiteoriassa.
Laskimme, että akselien olisi pitänyt tuottaa runsaasti Ison räjähdyksen varhaisina hetkinä. Jos aksioita on lainkaan, niin aksionineste täyttää maailmankaikkeuden. Aksioninesteen alkuperä muistuttaa suunnilleen kuuluisan kosmisen mikroaaltotaustan alkuperää, mutta näiden kahden välillä on kolme suurta eroa. Ensin havaitaan mikroaaltouuni tausta ja aksionineste pysyy puhtaasti hypoteettisena. Toiseksi, koska aksioilla on massa, niiden neste vaikuttaa maailmankaikkeuden kokonaismassatiheyteen. Periaatteessa lasimme, että niiden massan tulisi suunnilleen vastata massaa, jonka tähtitieteilijät ovat määrittäneet pimeän aineen takana! Kolmanneksi, koska akselit ovat vuorovaikutuksessa niin heikosti, niiden pitäisi olla vaikeammin havaita kuin CMB-fotoneja.
Akselien kokeellinen haku jatkuu useilla rintamilla. Kaksi lupaavimpaa kokeilua on suunnattu aksionesteen löytämiseen. Yksi niistä, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), käyttää erityisiä erittäin herkkiä antenneja muuntaakseen taustaakselit sähkömagneettisiksi pulsseiksi. Toinen, CASPEr (kosmisen aksionin spinniä edeltävä kokeilu), etsii pieniä heilahteluita ydinpiikkejen liikkeessä, jotka aksionineste voi aiheuttaa. Lisäksi nämä hienostuneet kokeet lupaavat kattaa melkein koko mahdollisten aksionimassojen alueen.
Onko aksioita olemassa? Emme tiedä vielä. Heidän olemassaolonsa tekee dramaattiset ja tyydyttävät johtopäätökset ajan palautuvan nuolen historiaan ja ehkä myös ratkaisee edullisen pimeän aineen mysteerin. Peli alkoi.
Frank Wilczek, joka perustuu Quanta Magazine -lehteen