Hvorfor ser det ut til at tiden bare beveger seg i en retning?
Et av de mulige svarene kan også avsløre hemmelighetene til den manglende massen. Noen av faktaene om vår erfaring er like åpenbare og utbredte som forskjellen mellom fortid og fremtid. Vi husker en ting, men vi forventer en annen. Hvis du kjører filmen i motsatt retning, vil den ikke være realistisk. Vi sier "tidens pil", og betyr veien fra fortiden til fremtiden.
Man kan anta at eksistensen av tidens pil er innebygd i fysikkens grunnleggende lover. Men det motsatte er også sant. Hvis du lagde en film om subatomiske hendelser, ville du funnet ut at den tids reverserte versjonen ser ganske rimelig ut. Mer presist, fysiske grunnleggende lover - med unntak av bittesmå eksotiske unntak, som vi vil komme tilbake til - vil fungere uansett om vi vender tidsspaken fremover eller bakover. På bakgrunn av fysikkens grunnleggende lover er tidens pil reversibel.
Logisk sett må en transformasjon som snur tidens retning også endre grunnleggende lover. Sunn fornuft dikterer hva som skal. Men det endrer seg ikke. Fysikere bruker et praktisk forkortelse for å beskrive dette faktum. De kaller transformasjonen som snur tidens pil, ganske enkelt T, fra tids reversering. Og det at T ikke endrer grunnleggende lover, blir referert til som "T-invariance" eller "T-symmetry".
Hverdagserfaring bryter med T-invarians, mens grunnleggende lover respekterer den. Dette blanke avviket reiser vanskelige spørsmål. Hvordan klarer den virkelige verden, hvis grunnleggende lover respekterer T-symmetri, å se så asymmetrisk ut? Er det mulig at vi en dag vil finne vesener som lever i motsatt tidsrytme - som blir yngre når vi blir eldre? Kan vi gjennom en eller annen fysisk prosess reversere vår egen pil?
Dette er interessante spørsmål, og vi vil komme tilbake til dem senere. I denne artikkelen bestemte Frank Wilczek, en teoretisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology og nobelprisvinneren, seg for å dekke et annet spørsmål. Det oppstår når du starter i den andre enden, innenfor rammen av en delt opplevelse. Gåten er dette?
Hvorfor har grunnleggende lover denne problematiske og rare egenskapen T-invariance?
Svaret som kan tilbys i dag er uten tvil dypere og mer sammensatt enn hva vi kunne tilby for 50 år siden. Dagens forståelse har fremkommet fra det strålende samspillet mellom eksperimentell oppdagelse og teoretisk analyse, som har vunnet flere nobelpriser. Men svaret vårt mangler noen elementer. Å søke etter dem kan føre oss til en uventet belønning: definisjonen av kosmologisk "mørk materie".
Salgsfremmende video:
Den moderne T-invarianshistorien begynte i 1956. Det året avhørte T. D. Lee og C. N. Young et annet, men beslektet trekk ved fysisk lov som tidligere hadde blitt tatt for gitt. Lee og Young ble ikke plaget av T selv, men av dens romlige motstykke, paritetstransformasjonen av P. Mens T innebærer å se filmer som går tilbake i tid, inkluderer P å se filmer reflektert i et speil. P-invarians er hypotesen om at hendelsene du ser i reflekterte filmer overholder de samme lovene som i originalene. Lee og Young identifiserte indirekte uoverensstemmelser i denne hypotesen og foreslo et viktig eksperiment for å teste dem. Eksperimenter over flere måneder har vist at P-invariance er krenket i mange tilfeller. (P-invarians er bevart for gravitasjonelle, elektromagnetiske og sterke interaksjoner,men generelt krenket for svake interaksjoner).
Disse dramatiske hendelsene rundt P- (in) invariance har fått fysikere til å tenke på T-invariance, en beslektet antakelse som også en gang ble tatt for gitt. Imidlertid har T-invariance-hypotesen gjennomgått en streng testing i flere år. Det var først i 1964 at en gruppe ledet av James Cronin og Valentina Fitch oppdaget en særegen, subtil effekt i forfallene til K-mesons, som krenker T-invariansen.
Visdommen i John Mitchells forståelse - at "du vet ikke hva du har før den er borte" - har blitt bevist i ettertid.
Hvis vi, som små barn, fortsetter å spørre "hvorfor?", Vil vi få dypere svar på en stund, men etter hvert vil vi treffe rock bottom når vi kommer til en sannhet som vi ikke kan forklare enklere. I dette øyeblikket erklærer vi seier: "Alt er som det er." Men hvis vi senere finner unntak fra vår antatte sannhet, vil dette svaret ikke lenger tilfredsstille oss. Vi må gå videre.
Så lenge T-invariance er en universell sannhet, er det ikke klart hvor nyttig spørsmålet vårt i begynnelsen vil være. Hvorfor var universet T-invariant? Bare fordi. Men etter Cronin og Fitch, kan T-invariance-puslespillet ganske enkelt ikke ignoreres.
Mange teoretiske fysikere har møtt det irriterende problemet med å forstå hvordan T-invarians kan være ekstremt nøyaktig, men ikke helt. Og her kom arbeidet til Makoto Kobayashi og Toshihide Maskawa godt. I 1973 antydet de at den omtrentlige T-invariansen er en tilfeldig konsekvens av andre, dypere prinsipper.
Tiden har gått. Ikke lenge før det ble konturene av den moderne standardmodellen for elementær partikkelfysikk tegnet, og med dem et nytt nivå av åpenhet om grunnleggende interaksjoner. I 1973 var det et kraftig - og empirisk vellykket - teoretisk rammeverk basert på flere "hellige prinsipper." Dette er relativitet, kvantemekanikk og en matematisk ensartet regel som kalles målesymmetri.
Men det var vanskelig å få alle disse ideene til å fungere sammen. Sammen begrenser de betydelig mulighetene for grunnleggende interaksjoner.
Kobayashi og Maskawa, i to korte avsnitt, gjorde to ting. Først viste de at hvis vi begrenser fysikken til de da kjente partiklene (for eksempel hvis det bare var to familier med kvarker og leptoner), følger alle interaksjoner som er tillatt etter hellige prinsipper også T-invarians. Hvis Cronin og Fitch aldri hadde gjort oppdagelsen, ville dette ikke være tilfelle. Men det gjorde de, og Kobayashi og Maskawa gikk enda lenger. De viste at hvis vi introduserer et spesielt sett med nye partikler (den tredje familien), vil disse partiklene føre til nye interaksjoner, noe som vil føre til brudd på T-invariance. Ved første øyekast nøyaktig hva legen bestilte.
I årene som fulgte var deres strålende eksempel på detektivarbeid fullt ut berettiget. De nye partiklene som Kobayashi og Maskawa innrømmet å eksistere ble oppdaget, og interaksjonene deres viste seg å være nøyaktig hva de burde ha vært.
Oppmerksomhet, spørsmål. Er disse hellige prinsippene virkelig hellige? Selvfølgelig ikke. Hvis eksperimenter får forskere til å utfylle disse prinsippene, vil de absolutt utfylle. For øyeblikket ser hellige prinsipper ganske forbanna godt ut. Og de var fruktbare nok til å ta dem på alvor.
Så langt har det vært en historie om triumf. Spørsmålet som vi stilte i begynnelsen, et av de vanskeligste gåtene om hvordan verden fungerer, fikk et delvis svar: dyp, vakker, fruktbar.
Noen år etter arbeidet med Kobayashi og Maskawa, oppdaget Gerard t'Hooft et smutthull i deres forklaring av T-invariance. Hellige prinsipper tillater en ekstra form for samhandling. Den mulige nye samhandlingen er ganske subtil, og t'Hoofts oppdagelse kom som en overraskelse for de fleste teoretiske fysikere.
Den nye interaksjonen, hvis den er til stede med betydelig styrke, ville krenke T-invariansen i mye mer åpenbar grad enn effekten oppdaget av Cronin, Fitch og deres kolleger. Spesielt vil det tillate rotasjonen av nøytronet å generere et elektrisk felt, i tillegg til magnetfeltet det kan indusere. (Magnetfeltet til et spinnende nøytron er analogt med hva vår spinnende jord produserer, om enn i en helt annen skala.) Eksperimenter har søkt hardt etter slike elektriske felt, men søket har ikke gitt noen resultater.
Det er som om naturen ikke vil bruke t'Hooft smutthull. Selvfølgelig er dette hennes rett, men denne retten reiser igjen spørsmålet vårt: hvorfor følger naturen T-invarians så nøye?
Flere forklaringer er blitt tilbudt, men bare en har stått tidens prøve. Den sentrale ideen tilhører Roberto Pezzie og Helen Quinn. Forslaget deres, som Kobayashi og Maskawa, innebærer å utvide standardmodellen på en spesiell måte. For eksempel gjennom et nøytraliserende felt, hvis oppførsel er spesielt følsom for den nye t'Hooft-interaksjonen. Hvis en ny interaksjon er til stede, justerer nøytraliseringsfeltet sin egen størrelse for å kompensere for påvirkningen av denne samhandlingen. (Denne innstillingsprosessen ligner generelt hvordan negativt ladede elektroner i faste stoffer samles rundt positivt ladede urenheter og beskytter deres innflytelse.) Et slikt nøytraliserende felt, viser det seg, stenger smutthullet vårt.
Pezzie og Quinn har glemt de viktige testbare implikasjonene av ideen deres. Partiklene produsert av deres nøytraliseringsfelt - dets kvanta - må ha bemerkelsesverdige egenskaper. Siden de glemte partiklene sine, ga de heller ikke navn. Dette tillot meg å oppfylle barndomsdrømmen min.
Noen år tidligere hadde jeg sett en farget boks i et supermarked kalt Axion. Det syntes for meg at "aksjonen" høres ut som en partikkel, og det virker som den er. Så da jeg oppdaget en ny partikkel som "rydder opp" problemet med en "aksial" flyt, følte jeg at jeg hadde en sjanse. (Jeg fikk snart vite at Steven Weinberg også oppdaget denne partikkelen, uavhengig av hverandre. Han kalte den Higglet. Heldigvis gikk han med på å droppe navnet.) Dermed begynte det episke, hvor konklusjonen bare gjenstår å skrive.
I Chronicles of the Particle Data Group, vil du finne flere sider som dekker dusinvis av eksperimenter som beskriver mislykkede søk etter aksjonen. Men det er fortsatt grunner til optimisme.
Aksjonsteori forutsier, generelt sett, at aksjoner skal være veldig lette, veldig langlivede partikler som samvirker svakt med vanlig materie. Men for å sammenligne teori og eksperiment, må du stole på tall. Og her står vi overfor tvetydighet, siden den eksisterende teorien ikke fikser verdien av aksjonsmassen. Hvis vi visste aksjonenes masse, ville vi forutsi resten av dens egenskaper. Men massen i seg selv kan være i et bredt spekter av verdier. (Det samme problemet var med det sjarmerte kvarket, Higgs-partikkel, toppkvark og flere andre. Før oppdagelsen av hver av disse partiklene, spådde teorien alle deres egenskaper, bortsett fra masseverdien). Det viste seg at aksjonenes interaksjonskraft er proporsjonal med dens masse. Når verdien på aksjonenes masse synker, blir den derfor mer og mer unnvikende.
I det siste har fysikere fokusert på modeller der aksjonen er nært beslektet med Higgs-partikkelen. Det ble antatt at massen til aksjonen skulle være i størrelsesorden 10 keV - en femti av massen til et elektron. De fleste eksperimentene som vi snakket om tidligere, så etter en aksjon av akkurat en slik plan. For øyeblikket kan vi være sikre på at slike aksjoner ikke eksisterer.
Mørk materie
Og derfor ble oppmerksomheten rettet mot mye mindre verdier av aksjonsmassene, som ikke ble ekskludert eksperimentelt. Aksjoner av denne typen vises ganske naturlig i modeller som kombinerer interaksjoner i standardmodellen. De vises også i strengteori.
Vi beregnet at aksjoner burde vært produsert i overflod i de tidlige øyeblikkene av Big Bang. Hvis aksjoner i det hele tatt eksisterer, fyller aksjonsvæsken Universet. Opprinnelsen til aksjonsvæske ligner omtrent opprinnelsen til den berømte kosmiske mikrobølgebakgrunnen, men det er tre store forskjeller mellom de to. Først observeres mikrobølgebakgrunnen, og aksjonsvæsken forblir rent hypotetisk. For det andre, fordi aksjoner har masse, påvirker deres væske den generelle massetettheten i universet. I utgangspunktet beregnet vi at deres masse omtrent burde samsvare med massen som astronomene har bestemt bak mørk materie! For det tredje, fordi aksjoner samvirker så svakt, bør de være vanskeligere å observere enn CMB-fotoner.
Det eksperimentelle søket etter aksjoner fortsetter på flere fronter. To av de mest lovende eksperimentene er rettet mot å finne aksjonsvæske. En av dem, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), bruker spesielle supersensitive antenner for å konvertere bakgrunnsaksjoner til elektromagnetiske pulser. Et annet, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), ser etter ørsmå svingninger i bevegelsen av kjernefysiske spinn som kan være forårsaket av aksjonsvæske. I tillegg lover disse sofistikerte eksperimentene å dekke nesten hele spekteret av mulige aksjonsmasser.
Eksisterer aksjoner? Vi vet ikke ennå. Deres eksistens ville bringe en dramatisk og tilfredsstillende konklusjon til historien til tidens reversible pil, og kanskje også løse mysteriet med mørk materie i kjøpet. Spillet startet.
Frank Wilczek, basert på Quanta Magazine
