Miks tundub, et aeg liigub ainult ühes suunas?
Üks võimalikest vastustest võib paljastada ka puuduva massi saladused. Mõned meie kogemuse faktid on sama ilmsed ja laialt levinud kui erinevus mineviku ja tuleviku vahel. Me mäletame ühte asja, kuid ootame teist. Kui juhite filmi vastupidises suunas, pole see realistlik. Me ütleme "aja nool", mis tähendab teed minevikust tulevikku.
Võib eeldada, et aja noole olemasolu on sisse ehitatud füüsika põhiseadustesse. Kuid ka vastupidi. Kui teeksite filmi alaatomiliste sündmuste kohta, siis näeksite, et selle ajaga ümberpööratud versioon tundub üsna mõistlik. Täpsemalt, füüsika põhiseadused - välja arvatud pisikesed eksootilised erandid, mille juurde me naaseme - toimivad sõltumata sellest, kas pöörame aja hooba edasi või tagasi. Füüsika põhiseaduste taustal on aja nool pöörduv.
Loogiliselt võttes peab aja suunda vastupidine muutmine muutma ka põhiseadusi. Terve mõistus dikteerib, mida peaks. Kuid see ei muutu. Füüsikud kasutavad selle fakti kirjeldamiseks mugavat lühendit. Nad kutsuvad ümberkujundamist, mis pöörab aja noolt, lihtsalt T, aja pöördest ümber. Ja seda, et T ei muuda põhiseadusi, nimetatakse "T-invariantsiks" või "T-sümmeetriaks".
Igapäevased kogemused rikuvad T-invariantsi, samas kui põhiseadused austavad seda. See silmnähtav lahknevus tekitab keerulisi küsimusi. Kuidas reaalmaailm, mille põhiseadused austavad T-sümmeetriat, välja nägema nii asümmeetriline? Kas on võimalik, et ühel päeval leiame olendeid, kes elavad vastupidises ajarütmis - kes saavad nooremaks, kui vananeme? Kas me suudame mingi füüsilise protsessi kaudu oma aja noole ümber pöörata?
Need on huvitavad küsimused ja tuleme nende juurde hiljem tagasi. Selles artiklis otsustas Massachusettsi tehnoloogiainstituudi teoreetiline füüsik ja Nobeli preemia laureaat Frank Wilczek käsitleda veel ühte teemat. See tekib siis, kui alustate teisest otsast, jagatud kogemuste raames. Mõistatus on see?
Miks on põhiseadustel see problemaatiline ja kummaline omadus, T-invariants?
Vastus, mida tänapäeval pakkuda saab, on võrreldamatult sügavam ja keerulisem kui see, mida me võiksime 50 aastat tagasi pakkuda. Tänapäevane arusaam on tekkinud eksperimentaalsete avastuste ja teoreetilise analüüsi hiilgavast koosmõjust, mis on võitnud mitu Nobeli preemiat. Kuid meie vastusel puuduvad mõned elemendid. Nende otsimine võib meid viia ootamatu tasuni: kosmoloogilise "tumeaine" määratluseni.
Reklaamvideo:
T-invariantsi tänapäevane ajalugu algas 1956. aastal. Sel aastal pidasid T. D. Lee ja C. N. Young kahtluse alla füüsilise õiguse veel ühe, kuid sellega seotud tunnuse, mida varem peeti enesestmõistetavaks. Lee ja Youngi ei häirinud mitte T, vaid selle ruumiline vastaspool - P. paarsuse muutmine. Kuigi T hõlmab ajas tagasi suunatud filmide vaatamist, hõlmab P peeglist peegeldatud filmide vaatamist. P-invariants on hüpotees, et peegeldunud filmides nähtavad sündmused järgivad samu seadusi nagu originaalides. Lee ja Young tuvastasid selle hüpoteesi kaudsed vastuolud ja pakkusid välja olulise katse nende testimiseks. Mitme kuu katsed on näidanud, et P-invariants on paljudel juhtudel rikutud. (P-invariants on säilinud gravitatsiooniliste, elektromagnetiliste ja tugevate koostoimete korral,kuid üldiselt rikutakse nõrkade koostoimete tõttu).
Need P- (in) invariantsi ümber käinud dramaatilised sündmused on pannud füüsikud mõtlema T-invariantsile - sellega seotud oletusele, mida ka kunagi iseenesestmõistetavaks peeti. T-invariantsuse hüpotees on aga mitu aastat läbinud range testimise. Alles 1964. aastal avastas James Cronini ja Valentina Fitchi juhitud grupp K-mesoonide lagunemisel omapärase ja peene efekti, mis rikub T-invariantsi.
John Mitchelli mõistmise tarkus - et "sa ei tea, mis sul on, kuni see pole kadunud" - on tagantjärele tõestatud.
Kui me, nagu väikesed lapsed, küsime pidevalt “miks?”, Saame mõneks ajaks sügavamad vastused, kuid lõpuks jõuame põhjani, kui jõuame tõde, mida me ei oska lihtsalt lahti seletada. Praegu kuulutame võidu: "Kõik on nii nagu on." Kuid kui leiame hiljem oma väidetavast tõest erandeid, ei rahulda see vastus meid enam. Peame edasi liikuma.
Kuni T-invariants on universaalne tõde, pole selge, kui kasulik on meie küsimus alguses. Miks oli universum T-invariant? Lihtsalt sellepärast. Kuid pärast Cronini ja Fitchit ei saa T-invariantsi mõistatust lihtsalt tähelepanuta jätta.
Paljud teoreetilised füüsikud on silmitsi vaevava probleemiga mõista, kuidas T-invariants võib olla äärmiselt täpne, kuid mitte päris. Ja siin tulid kasuks Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa tööd. 1973. aastal pakkusid nad välja, et ligikaudne T-invariants on juhuslik tagajärg teistele sügavamatele põhimõtetele.
Aeg on möödunud. Juba ammu enne seda joonistati elementaarse osakeste füüsika tänapäevase standardmudeli kontuurid ja koos nendega põhimõtteliste vastasmõjude uus läbipaistvuse tase. 1973. aastaks oli olemas võimas - ja empiiriliselt edukas - teoreetiline raamistik, mis põhines mitmetel „pühadel põhimõtetel“. Need on relatiivsus, kvantmehaanika ja matemaatiline ühtluse reegel, mida nimetatakse gabariidi sümmeetriaks.
Kuid kõigi nende ideede koostööks saamine osutus keeruliseks. Üheskoos piiravad need märkimisväärselt põhiliste interaktsioonide võimalusi.
Kobayashi ja Maskawa tegid kahes lühikeses lõigus kahte asja. Esiteks näitasid nad, et kui piirduda füüsikas tollal teadaolevate osakestega (näiteks kui kvarke ja leptone oli ainult kaks perekonda), siis järgivad ka kõik pühade põhimõtetega lubatud interaktsioonid T-invariantsi. Kui Cronin ja Fitch poleks kunagi oma avastust teinud, poleks see nii. Kuid nad said hakkama ja Kobayashi ja Maskawa läksid veelgi kaugemale. Nad näitasid, et kui tutvustame spetsiaalset uute osakeste komplekti (kolmas perekond), põhjustavad need osakesed uut koostoimet, mis põhjustab T invariantsi rikkumisi. Esmapilgul täpselt see, mida arst käskis.
Järgnenud aastatel oli nende geniaalne näide detektiivitööst igati õigustatud. Avastati uued osakesed, mille olemasolu Kobayashi ja Maskawa tunnistasid, ning nende koostoimimine osutus täpselt selliseks, nagu nad pidid olema.
Tähelepanu, küsimus. Kas need pühad põhimõtted on tõesti püha? Muidugi mitte. Kui eksperimendid viivad teadlased neid põhimõtteid täiendama, siis nad kindlasti täiendavad. Praegu näevad pühad põhimõtted üsna kuradi head välja. Ja nad olid piisavalt viljakad, et neid tõsiselt võtta.
Siiani on see olnud võidukäigu lugu. Küsimusele, mille esitasime alguses, üks keerulisemaid mõistatusi maailma toimimisest, saime osalise vastuse: sügav, ilus, viljakas.
Mõni aasta pärast Kobayashi ja Maskawa tööd avastas Gerard t'Hooft lünga T-invariantsi selgitamisel. Pühad põhimõtted võimaldavad täiendavat suhtlemist. Võimalik uus interaktsioon on üsna peen ja t'Hoofti avastus tuli enamikule teoreetilistest füüsikutest üllatusena.
Uus interaktsioon, kui see on märkimisväärse tugevusega, rikuks T-invariantsi palju ilmsemal määral kui Cronini, Fitchi ja nende kolleegide avastatud mõju. Eelkõige võimaldaks see neutroni pöörlemisel tekitada lisaks magnetväljale, mida see võib indutseerida, ka elektrivälja. (Keerava neutroni magnetväli on analoogne sellega, mida meie ketrav Maa tekitab, ehkki täiesti teisel skaalal.) Katsetajad on selliseid elektrivälju kõvasti otsinud, kuid nende otsing pole tulemusi andnud.
Justkui loodus ei taha t'Hoofti lünka kasutada. Muidugi, see on tema õigus, kuid see õigus tõstatab taas meie küsimuse: miks loodus järgib T-invariantsi nii hoolikalt?
Pakutud on mitmeid selgitusi, kuid ainult üks on ajaproovile vastu pidanud. Keskne idee kuulub Roberto Pezziele ja Helen Quinnile. Nende ettepanek, nagu Kobayashi ja Maskawa ettepanek, hõlmab standardmudeli laiendamist erilisel viisil. Näiteks neutraliseeriva välja kaudu, mille käitumine on uue t'Hoofti interaktsiooni suhtes eriti tundlik. Uue interaktsiooni olemasolul kohandab neutraliseeriv väli selle suuruse kompenseerimiseks selle interaktsiooni mõju. (See häälestamisprotsess on üldiselt sarnane sellega, kuidas tahkete ainete negatiivselt laetud elektronid kogunevad positiivselt laetud lisandite ümber ja kaitsevad nende mõju.) Selgub, et selline neutraliseeriv väli sulgeb meie lünga.
Pezzie ja Quinn on unustanud oma idee olulised kontrollitavad tagajärjed. Neutraliseeriva välja - selle kvandi - poolt toodetud osakestel peavad olema märkimisväärsed omadused. Kuna nad unustasid oma osakesed, ei nimetanud nad neid ka. See võimaldas mul oma lapsepõlveunistuse täita.
Mõni aasta varem olin näinud Axioni nime kandvas supermarketis erksavärvilist kasti. Mulle tundus, et "aksioon" kõlab osakesena ja tundub, et on. Nii et kui avastasin uue osakese, mis "aksiaalse" vooluga probleemi "puhastab", tundsin, et mul on võimalus. (Sain varsti teada, et Steven Weinberg avastas selle osakese ka iseseisvalt. Ta nimetas seda Higgletiks. Õnneks nõustus ta selle nime maha jätma.) Nii sai alguse eepos, mille järeldus jääb alles kirjutada.
Osakeste andmete rühma kroonikates leiate mitu lehte, mis hõlmavad kümneid katseid, mis kirjeldavad ebaõnnestunud teljeotsinguid. Kuid optimismil on siiski põhjust.
Aksiooniteooria ennustab üldjoontes, et aksioonid peaksid olema väga kerged, väga pikaealised osakesed, mis suhtlevad tavalise mateeriaga nõrgalt. Kuid teooria ja eksperimendi võrdlemiseks peate tuginema arvudele. Ja siin seisame silmitsi mitmetähenduslikkusega, kuna olemasolev teooria ei fikseeri aksioonimassi väärtust. Kui me teaksime aksiooni massi, ennustaksime selle ülejäänud omadusi. Kuid mass ise võib olla laias valikus väärtusi. (Sama probleem oli võlutud kvargi, Higgsi osakese, ülemise kvargi ja mitmete teistega. Enne kõigi nende osakeste avastamist ennustas teooria kõiki nende omadusi, välja arvatud massiväärtus). Selgus, et telje interaktsiooni jõud on võrdeline selle massiga. Seetõttu, kui aksiooni massi väärtus väheneb, muutub see üha raskemaks.
Varem on füüsikud keskendunud mudelitele, mille telg on tihedalt seotud Higgsi osakesega. Eeldati, et aksiooni mass peaks olema suurusjärgus 10 keV - üks viiskümmend elektroni massist. Enamik katsetest, millest me varem rääkisime, otsis just sellise plaani telge. Praegu võime olla kindlad, et selliseid telgi pole olemas.
Tume aine
Seetõttu juhiti tähelepanu aksioonimasside palju väiksematele väärtustele, mida eksperimentaalselt ei välistatud. Seda tüüpi teljed ilmuvad üsna loomulikult mudelites, mis ühendavad interaktsioone tavamudelis. Need esinevad ka keelteoorias.
Arvestasime, et Suure Paugu varajastel hetkedel oleks aksioone tulnud toota ohtralt. Kui aksioonid on üldse olemas, täidab aksioonivedelik Universumi. Aksioonivedeliku päritolu sarnaneb laias laastus kuulsa kosmilise mikrolaine taustaga, kuid nende kahe vahel on kolm peamist erinevust. Esiteks vaadeldakse mikrolaine tausta ja aksioonivedelik jääb puhtalt hüpoteetiliseks. Teiseks, kuna telgedel on mass, mõjutab nende vedelik universumi üldist massitihedust. Põhimõtteliselt arvutasime, et nende mass peaks ligikaudselt vastama massile, mille astronoomid on tumeda aine taga kindlaks määranud! Kolmandaks, kuna aksioonid suhtlevad nii nõrgalt, peaks neid olema raskem jälgida kui CMB footoneid.
Aksioonide katseline otsimine jätkub mitmel rindel. Kaks kõige lootustandvamat eksperimenti on suunatud aksioonivedeliku leidmisele. Üks neist, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), kasutab spetsiaalseid ülitundlikke antenne, et teisendada taustaaksioonid elektromagnetilisteks impulssideks. Veel üks, CASPEr (kosmilise telje spinni pretsessiooni eksperiment) otsib tuumakeerutuste liikumises väikseid kõikumisi, mida aksioonivedelik võib põhjustada. Lisaks lubavad need keerukad katsed hõlmata peaaegu kogu võimalike aksioonimasside vahemikku.
Kas aksioonid on olemas? Me ei tea veel. Nende olemasolu toob dramaatilise ja rahuldustpakkuva järelduse aja pöörduva noole ajalukku ning võib-olla lahendab see ka tumeda aine saladuse. Mäng algas.
Frank Wilczek, ajakirja Quanta põhjal
