Το (σχεδόν) αναστρέψιμο βέλος του χρόνου

Εγώ.

Λίγα γεγονότα εμπειρίας είναι τόσο προφανή και διάχυτα όσο η διάκριση μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος. Θυμόμαστε το ένα, αλλά προσδοκούμε το άλλο. Εάν προβάλλετε μια ταινία προς τα πίσω, δεν φαίνεται ρεαλιστική. Λέμε ότι υπάρχει ένα βέλος του χρόνου, που δείχνει από το παρελθόν στο μέλλον.

Θα περίμενε κανείς ότι ένα γεγονός τόσο βασικό όσο η ύπαρξη του βέλους του χρόνου θα ενσωματωθεί στους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής. Όμως ισχύει το αντίθετο. Εάν μπορούσατε να τραβήξετε μια ταινία με υποατομικά συμβάντα, θα διαπιστώσατε ότι η έκδοση με καθυστέρηση στο χρόνο φαίνεται απολύτως λογική. Ή, για να το θέσω ακριβέστερα:Οι θεμελιώδεις νόμοι της φυσικής - μέχρι και κάποιες μικροσκοπικές, εσωτερικές εξαιρέσεις, όπως θα συζητήσουμε σύντομα - θα φαίνεται να τηρούνται, είτε ακολουθούμε τη ροή του χρόνου προς τα εμπρός είτε προς τα πίσω. Στους θεμελιώδεις νόμους, το βέλος του χρόνου είναι αναστρέψιμο.

Λογικά μιλώντας, ο μετασχηματισμός που αντιστρέφει την κατεύθυνση του χρόνου μπορεί να έχει αλλάξει τους θεμελιώδεις νόμους. Η κοινή λογική θα πρότεινε ότι πρέπει. Αλλά δεν το κάνει. Οι φυσικοί χρησιμοποιούν βολική συντομογραφία - που ονομάζεται επίσης ορολογία - για να περιγράψουν αυτό το γεγονός. Ονομάζουν τον μετασχηματισμό που αντιστρέφει το βέλος του χρόνου «χρονική αντιστροφή», ή απλά T. Και αναφέρονται στο (κατά προσέγγιση) γεγονός ότι το T δεν αλλάζει τους θεμελιώδεις νόμους ως «Αμετάβλητο Τ» ή «Συμμετρία Τ». P>

Η καθημερινή εμπειρία παραβιάζει την T αμετάβλητη, ενώ οι θεμελιώδεις νόμοι τη σέβονται. Αυτή η κατάφωρη αναντιστοιχία εγείρει προκλητικά ερωτήματα. Πώς καταφέρνει ο πραγματικός κόσμος, του οποίου οι θεμελιώδεις νόμοι σέβονται τη συμμετρία Τ, να φαίνεται τόσο ασύμμετρος; Είναι δυνατόν κάποια μέρα να συναντήσουμε όντα με την αντίθετη ροή - όντα που γίνονται νεότερα όσο μεγαλώνουμε; Θα μπορούσαμε, μέσω κάποιας φυσικής διαδικασίας, να γυρίσουμε γύρω από το βέλος του χρόνου του σώματός μας;

David Kaplan, Petr Stepanek και Ryan Griffin για το Quanta Magazine. μουσική από τον Kevin MacLeod

Βίντεο: Ο David Kaplan εξηγεί πώς η αναζήτηση για κρυφές συμμετρίες οδηγεί σε ανακαλύψεις όπως το μποζόνιο Higgs.

Αυτές είναι υπέροχες ερωτήσεις και ελπίζω να γράψω για αυτές σε μια προηγούμενη μελλοντική ανάρτηση. Εδώ, όμως, θέλω να εξετάσω μια συμπληρωματική ερώτηση. Προκύπτει όταν ξεκινάμε από την άλλη άκρη, στα γεγονότα της κοινής εμπειρίας. Από αυτή την άποψη, το παζλ είναι το εξής:

Γιατί οι θεμελιώδεις νόμοι πρέπει να έχουν αυτή την παράξενη και προβληματική ιδιότητα, την αναλλοίωτη Τ;

Η απάντηση που μπορούμε να προσφέρουμε σήμερα είναι ασύγκριτα βαθύτερη και πιο περίπλοκη από αυτή που θα μπορούσαμε να προσφέρουμε πριν από 50 χρόνια. Η σημερινή κατανόηση προέκυψε από μια λαμπρή αλληλεπίδραση πειραματικής ανακάλυψης και θεωρητικής ανάλυσης, η οποία απέδωσε πολλά βραβεία Νόμπελ. Ωστόσο, η απάντησή μας εξακολουθεί να περιέχει ένα σοβαρό κενό. Όπως θα εξηγήσω, το κλείσιμο αυτού του κενού μπορεί κάλλιστα να μας οδηγήσει, ως απροσδόκητο μπόνους, να αναγνωρίσουμε την κοσμολογική «σκοτεινή ύλη».

II.

Η σύγχρονη ιστορία της T αμετάβλητης ξεκινά το 1956. Εκείνη τη χρονιά, οι T. D. Lee και C. N. Yang αμφισβήτησαν ένα διαφορετικό αλλά σχετικό χαρακτηριστικό του φυσικού νόμου, το οποίο μέχρι τότε θεωρούνταν δεδομένο. Ο Lee και ο Yang δεν ασχολήθηκαν με το ίδιο το T, αλλά με το χωρικό του ανάλογο, τον μετασχηματισμό ισοτιμίας, "P". Ενώ το T περιλαμβάνει την εξέταση ταινιών που τρέχουν προς τα πίσω στο χρόνο, το P περιλαμβάνει την εξέταση ταινιών που αντανακλώνται σε έναν καθρέφτη. Η αναλλοίωτη ισοτιμία είναι η υπόθεση ότι τα γεγονότα που βλέπετε στις αντικατοπτρισμένες ταινίες ακολουθούν τους ίδιους νόμους με τις πρωτότυπες. Οι Lee και Yang εντόπισαν περιστασιακά στοιχεία ενάντια σε αυτήν την υπόθεση και πρότειναν κρίσιμα πειράματα για να τη δοκιμάσουν. Μέσα σε λίγους μήνες, τα πειράματα απέδειξαν ότι η αναλλοίωτη P αποτυγχάνει σε πολλές περιπτώσεις. (Η μεταβλητότητα P ισχύει για βαρυτικές, ηλεκτρομαγνητικές και ισχυρές αλληλεπιδράσεις, αλλά γενικά αποτυγχάνει στις λεγόμενες ασθενείς αλληλεπιδράσεις.)

Αυτές οι δραματικές εξελίξεις γύρω από την P (μη) αναλλοίωτη παρακίνησαν τους φυσικούς να αμφισβητήσουν την αναλλοίωτη Τ, μια συγγενική υπόθεση που είχαν επίσης κάποτε θεωρήσει δεδομένη. Αλλά η υπόθεση της αναλλοίωτης Τ επιβίωσε από τον στενό έλεγχο για αρκετά χρόνια. Μόλις το 1964 μια ομάδα με επικεφαλής τον James Cronin και τον Valentine Fitch ανακάλυψε ένα περίεργο, μικροσκοπικό αποτέλεσμα στις διασπάσεις των μεσονίων Κ που παραβιάζει την αναλλοίωτη Τ.

III.

Η σοφία της διορατικότητας της Joni Mitchell — ότι «δεν ξέρεις τι έχεις μέχρι να φύγει» — αποδείχθηκε στη συνέχεια.

Αν, όπως τα μικρά παιδιά, συνεχίσουμε να ρωτάμε:"Γιατί;" μπορεί να λάβουμε βαθύτερες απαντήσεις για λίγο, αλλά τελικά θα πιάσουμε πάτο, όταν φτάσουμε σε μια αλήθεια που δεν μπορούμε να εξηγήσουμε με τίποτα πιο απλό. Σε εκείνο το σημείο πρέπει να σταματήσουμε, δηλώνοντας ουσιαστικά τη νίκη:«Έτσι ακριβώς είναι». Αλλά αν αργότερα βρούμε εξαιρέσεις στην υποτιθέμενη αλήθεια μας, αυτή η απάντηση δεν θα ισχύει πλέον. Θα πρέπει να συνεχίσουμε.

Όσο η αναλλοίωτη Τ φαινόταν να είναι μια καθολική αλήθεια, δεν ήταν σαφές ότι η ερώτησή μας με πλάγια γραφή ήταν χρήσιμη. Γιατί το σύμπαν Τ ήταν αμετάβλητο; Απλώς ήταν. Αλλά μετά τον Cronin και τον Fitch, το μυστήριο της αναλλακτικότητας T δεν μπορούσε να αποφευχθεί.

Πολλοί θεωρητικοί φυσικοί πάλεψαν με την ενοχλητική πρόκληση της κατανόησης του τρόπου με τον οποίο η αναλλακτικότητα Τ θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά ακριβής, αλλά όχι αρκετά ακριβής. Εδώ η δουλειά των Makoto Kobayashi και Toshihide Maskawa αποδείχθηκε καθοριστική. Το 1973, πρότειναν ότι η κατά προσέγγιση αναλλοίωτη Τ είναι μια τυχαία συνέπεια άλλων, πιο βαθιών αρχών.

Η ώρα είχε ωριμάσει. Λίγο πριν, είχαν εμφανιστεί τα περιγράμματα του σύγχρονου Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής και μαζί με αυτό ένα νέο επίπεδο σαφήνειας σχετικά με τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις. Μέχρι το 1973 υπήρχε ένα ισχυρό — και εμπειρικά επιτυχημένο! — θεωρητικό πλαίσιο, βασισμένο σε μερικές «ιερές αρχές». Αυτές οι αρχές είναι η σχετικότητα, η κβαντική μηχανική και ένας μαθηματικός κανόνας ομοιομορφίας που ονομάζεται "συμμετρία μετρητή".

Αποδεικνύεται ότι είναι αρκετά δύσκολο να συνεργαστούν όλες αυτές οι ιδέες. Μαζί, περιορίζουν σε μεγάλο βαθμό τις δυνατότητες για βασικές αλληλεπιδράσεις.

Ο Kobayashi και ο Maskawa, σε μερικές σύντομες παραγράφους, έκαναν δύο πράγματα. Πρώτα έδειξαν ότι εάν η φυσική περιοριζόταν στα τότε γνωστά σωματίδια (για τους ειδικούς:αν υπήρχαν μόνο δύο οικογένειες κουάρκ και λεπτονίων), τότε όλες οι αλληλεπιδράσεις που επιτρέπονται από τις ιερές αρχές σέβονται επίσης την αναλλοίωτη Τ. Αν οι Cronin και Fitch δεν είχαν κάνει ποτέ την ανακάλυψή τους, αυτό το αποτέλεσμα θα ήταν ένας θρίαμβος χωρίς κράμα. Αλλά το είχαν, οπότε ο Kobayashi και ο Maskawa προχώρησαν ένα κρίσιμο βήμα παραπέρα. Έδειξαν ότι εάν κάποιος εισάγει ένα πολύ συγκεκριμένο σύνολο νέων σωματιδίων (μια τρίτη οικογένεια), τότε αυτά τα σωματίδια φέρνουν νέες αλληλεπιδράσεις που οδηγούν σε μια μικροσκοπική παραβίαση της αναλλοίωτης Τ. Φαινόταν, εκ πρώτης όψεως, να είναι ακριβώς αυτό που διέταξε ο γιατρός.

Τα επόμενα χρόνια, το λαμπρό κομμάτι της θεωρητικής αστυνομικής τους δουλειάς δικαιώθηκε πλήρως. Τα νέα σωματίδια των οποίων την ύπαρξη συμπέραναν οι Kobayashi και Maskawa έχουν όλα παρατηρηθεί και οι αλληλεπιδράσεις τους είναι ακριβώς ό,τι πρότειναν οι Kobayashi και Maskawa.

Πριν τελειώσω αυτήν την ενότητα, θα ήθελα να προσθέσω έναν φιλοσοφικό κώδικα. Είναι πράγματι ιερές οι ιερές αρχές; Φυσικά και όχι. Εάν τα πειράματα αναγκάσουν τους επιστήμονες να τροποποιήσουν αυτές τις αρχές, θα το κάνουν. Αλλά αυτή τη στιγμή, οι ιερές αρχές φαίνονται απαίσια καλές. Και προφανώς ήταν καρποφόρο να τους πάρουμε πολύ στα σοβαρά.

IV.

Μέχρι στιγμής έχω πει μια ιστορία θριάμβου. Η πλάγια ερώτησή μας, ένα από τα πιο εντυπωσιακά παζλ για το πώς λειτουργεί ο κόσμος, έλαβε μια απάντηση βαθιά, όμορφη και γόνιμη.

Αλλά υπάρχει ένα σκουλήκι στο τριαντάφυλλο.

Λίγα χρόνια μετά το έργο του Kobayashi και του Maskawa, ο Gerard ’t Hooft ανακάλυψε ένα κενό στην εξήγησή τους για την αναλλοίωτη T. Οι ιερές αρχές επιτρέπουν ένα επιπλέον είδος αλληλεπίδρασης. Η πιθανή νέα αλληλεπίδραση είναι αρκετά λεπτή και η ανακάλυψη του 't Hooft ήταν μια μεγάλη έκπληξη για τους περισσότερους θεωρητικούς φυσικούς.

Η νέα αλληλεπίδραση, εάν υπήρχε με σημαντική ισχύ, θα παραβίαζε την αναλλοίωτη Τ με τρόπους που είναι πολύ πιο προφανείς από το αποτέλεσμα που ανακάλυψαν οι Cronin, Fitch και οι συνεργάτες τους. Συγκεκριμένα, θα επέτρεπε στο σπιν ενός νετρονίου να δημιουργήσει ένα ηλεκτρικό πεδίο, επιπλέον του μαγνητικού πεδίου που παρατηρείται ότι προκαλεί. (Το μαγνητικό πεδίο ενός περιστρεφόμενου νετρονίου είναι σε γενικές γραμμές ανάλογο με αυτό της περιστρεφόμενης Γης μας, αν και φυσικά σε εντελώς διαφορετική κλίμακα.) Οι πειραματιστές έχουν ψάξει πολύ για τέτοια ηλεκτρικά πεδία, αλλά μέχρι στιγμής έχουν βγει άδεια.

Η φύση δεν επιλέγει να εκμεταλλευτεί το παραθυράκι του Hooft. Αυτό είναι το προνόμιό της, φυσικά, αλλά εγείρει εκ νέου το πλάγιο ερώτημά μας:Γιατί η Φύση επιβάλλει την Τ αμετάβλητη με τόση ακρίβεια;

Έχουν δοθεί αρκετές εξηγήσεις, αλλά μόνο μία έχει αντέξει στη δοκιμασία του χρόνου. Η κεντρική ιδέα οφείλεται στους Roberto Peccei και Helen Quinn. Η πρότασή τους, όπως αυτή των Kobayashi και Maskawa, περιλαμβάνει την επέκταση του τυπικού μοντέλου με έναν αρκετά συγκεκριμένο τρόπο. Το ένα εισάγει ένα πεδίο εξουδετέρωσης, του οποίου η συμπεριφορά είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στη νέα αλληλεπίδραση του Hooft. Πράγματι, εάν υπάρχει αυτή η νέα αλληλεπίδραση, τότε το πεδίο εξουδετέρωσης θα προσαρμόσει τη δική του τιμή, έτσι ώστε να ακυρώσει την επιρροή αυτής της αλληλεπίδρασης. (Αυτή η διαδικασία προσαρμογής είναι σε γενικές γραμμές παρόμοια με τον τρόπο με τον οποίο τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια σε ένα στερεό θα συγκεντρωθούν γύρω από μια θετικά φορτισμένη ακαθαρσία και ως εκ τούτου θα ελέγξουν την επιρροή της.) Το πεδίο εξουδετέρωσης κλείνει έτσι το κενό μας.

Ο Peccei και ο Quinn παρέβλεψαν μια σημαντική, ελεγχόμενη συνέπεια της ιδέας τους. Τα σωματίδια που παράγονται από το εξουδετερωτικό τους πεδίο — τα κβάντα του — προβλέπεται να έχουν αξιόλογες ιδιότητες. Δεδομένου ότι δεν έλαβαν υπόψη αυτά τα σωματίδια, δεν τα κατονόμασαν επίσης. Αυτό μου έδωσε την ευκαιρία να εκπληρώσω ένα όνειρο της εφηβείας μου.

Λίγα χρόνια πριν, μια έκθεση σούπερ μάρκετ με κουτιά με έντονα χρώματα με ένα απορρυπαντικό πλυντηρίου που ονομαζόταν Axion είχε τραβήξει το μάτι μου. Μου ήρθε στο μυαλό ότι το «άξιον» ακουγόταν σαν το όνομα ενός σωματιδίου και θα έπρεπε πραγματικά να είναι ένα. Έτσι, όταν παρατήρησα ένα νέο σωματίδιο που «καθάρισε» ένα πρόβλημα με ένα «αξονικό» ρεύμα, είδα την ευκαιρία μου. (Σύντομα έμαθα ότι ο Steven Weinberg είχε επίσης παρατηρήσει αυτό το σωματίδιο, ανεξάρτητα. Το αποκαλούσε "Higglet". Με ευγένεια, και νομίζω σοφά, συμφώνησε να εγκαταλείψει αυτό το όνομα.) Έτσι ξεκίνησε ένα έπος του οποίου το συμπέρασμα μένει να γραφτεί .

Στα χρονικά της Ομάδας Δεδομένων Σωματιδίων θα βρείτε πολλές σελίδες, που καλύπτουν δεκάδες πειράματα, που περιγράφουν ανεπιτυχείς αναζητήσεις άξονα.

Ωστόσο, υπάρχουν λόγοι για αισιοδοξία.

Η θεωρία των αξόνων προβλέπει, με γενικό τρόπο, ότι τα αξιόνια θα πρέπει να είναι πολύ ελαφριά, πολύ μακρόβια σωματίδια των οποίων οι αλληλεπιδράσεις με τη συνηθισμένη ύλη είναι πολύ αδύναμες. Αλλά για να συγκρίνουμε θεωρία και πείραμα πρέπει να είμαστε ποσοτικοί. Και εδώ συναντάμε ασάφεια, γιατί η υπάρχουσα θεωρία δεν καθορίζει την τιμή της μάζας του άξιον. Αν γνωρίζουμε τη μάζα του άξονα, μπορούμε να προβλέψουμε όλες τις άλλες ιδιότητές του. Αλλά η ίδια η μάζα μπορεί να ποικίλλει σε ένα ευρύ φάσμα. (Το ίδιο βασικό πρόβλημα προέκυψε για το γοητευμένο κουάρκ, το σωματίδιο Higgs, το κουάρκ κορυφής και πολλά άλλα. Πριν ανακαλυφθεί καθένα από αυτά τα σωματίδια, η θεωρία προέβλεψε όλες τις ιδιότητές του εκτός από για την τιμή της μάζας του.) Αποδεικνύεται ότι η ισχύς των αλληλεπιδράσεων του άξονα είναι ανάλογη με τη μάζα του. Έτσι, καθώς η υποτιθέμενη τιμή για τη μάζα του άξονα μειώνεται, ο άξονας γίνεται πιο αόριστος.

Τις πρώτες μέρες οι φυσικοί επικεντρώθηκαν σε μοντέλα στα οποία το άξιον σχετίζεται στενά με το σωματίδιο Higgs. Αυτές οι ιδέες πρότειναν ότι η μάζα του άξονα πρέπει να είναι περίπου 10 keV — δηλαδή περίπου το ένα πενήντα της μάζας ενός ηλεκτρονίου. Τα περισσότερα από τα πειράματα στα οποία αναφέρθηκα νωρίτερα έψαχναν για άξιον αυτού του χαρακτήρα. Μέχρι τώρα μπορούμε να είμαστε βέβαιοι ότι τέτοιου είδους axions δεν υπάρχουν.

Επομένως, η προσοχή στράφηκε προς πολύ μικρότερες τιμές της μάζας του άξονα (και κατά συνέπεια ασθενέστερες συζεύξεις), οι οποίες δεν αποκλείονται από το πείραμα. Άξονες αυτού του είδους προκύπτουν πολύ φυσικά σε μοντέλα που ενοποιούν τις αλληλεπιδράσεις του τυπικού μοντέλου. Προκύπτουν επίσης στη θεωρία χορδών.

Τα Άξιον, υπολογίζουμε, θα έπρεπε να είχαν παραχθεί άφθονα κατά τις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης. Εάν υπάρχουν καθόλου αξιόνια, τότε ένα ρευστό άξονα θα διαποτίσει το σύμπαν. Η προέλευση του ρευστού του άξονα είναι πολύ περίπου παρόμοια με την προέλευση της περίφημης ακτινοβολίας κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου (CMB), αλλά υπάρχουν τρεις μεγάλες διαφορές μεταξύ αυτών των δύο οντοτήτων. Πρώτον:Το υπόβαθρο μικροκυμάτων έχει παρατηρηθεί, ενώ το υγρό του άξονα είναι ακόμα υποθετικό. Δεύτερον:Επειδή τα αξιόνια έχουν μάζα, το ρευστό τους συμβάλλει σημαντικά στη συνολική πυκνότητα μάζας του σύμπαντος. Στην πραγματικότητα, υπολογίζουμε ότι συνεισφέρουν κατά προσέγγιση στο ποσό της μάζας που οι αστρονόμοι έχουν αναγνωρίσει ως σκοτεινή ύλη! Τρίτον:Επειδή τα αξιόνια αλληλεπιδρούν τόσο αδύναμα, είναι πολύ πιο δύσκολο να παρατηρηθούν από τα φωτόνια από το CMB.

Η πειραματική αναζήτηση για άξιον συνεχίζεται σε πολλά μέτωπα. Δύο από τα πιο πολλά υποσχόμενα πειράματα στοχεύουν στην ανίχνευση του ρευστού άξονα. Ένα από αυτά, το ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) χρησιμοποιεί ειδικά κατασκευασμένες, υπερευαίσθητες κεραίες για τη μετατροπή των αξόνων φόντου σε ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς. Το άλλο, το CASPer (Cosmic Axion Spin Precession Experiment) αναζητά μικροσκοπικές κινήσεις στην κίνηση των πυρηνικών περιστροφών, οι οποίες θα προκληθούν από το ρευστό του άξονα. Ανάμεσά τους, αυτά τα δύσκολα πειράματα υπόσχονται να καλύψουν σχεδόν ολόκληρο το φάσμα των πιθανών μαζών αξόνων.

Άξιον υπάρχουν; Ακόμα δεν ξέρουμε με σιγουριά. Η ύπαρξή τους θα έφερνε την ιστορία του αναστρέψιμου βέλους του χρόνου σε ένα δραματικό, ικανοποιητικό συμπέρασμα και πολύ πιθανόν θα έλυνε το αίνιγμα της σκοτεινής ύλης. Το παιχνίδι είναι σε εξέλιξη.