Hvorfor ser det ud til, at tiden kun bevæger sig i en retning?
Et af de mulige svar kan muligvis også afsløre hemmelighederne for den manglende masse. Nogle af vores kendsgerninger er lige så indlysende og udbredte som forskellen mellem fortid og fremtid. Vi kan huske en ting, men vi forventer en anden. Hvis du kører filmen i den modsatte retning, vil den ikke være realistisk. Vi siger "tidens pil", hvilket betyder stien fra fortiden til fremtiden.
Man kan antage, at eksistensen af tidens pil er indbygget i de grundlæggende fysiske love. Men det modsatte er også sandt. Hvis du lavede en film om subatomiske begivenheder, ville du opdage, at dens tidsvendte version ser ganske rimelig ud. Mere præcist fungerer de grundlæggende fysiske love - med undtagelse af små eksotiske undtagelser, som vi vil vende tilbage til - uanset om vi drejer tidshåndtaget fremad eller bagud. På baggrund af fysikens grundlæggende love er tidens pil reversibel.
Logisk set skal en transformation, der vender tidsretningen, også ændre grundlæggende love. Sund fornuft dikterer, hvad der skal. Men det ændrer ikke. Fysikere bruger et praktisk akronym for at beskrive dette. De kalder transformationen, der vender tidens pil, simpelthen T, fra tiden vending. Og det faktum, at T ikke ændrer grundlæggende love, kaldes "T-invariance" eller "T-symmetry".
Hverdagsoplevelse krænker T-invariance, mens grundlæggende love respekterer den. Dette blændende uoverensstemmelse rejser vanskelige spørgsmål. Hvordan lykkes den virkelige verden, hvis grundlæggende love respekterer T-symmetri, at se så asymmetrisk ud? Er det muligt, at vi en dag vil finde væsener, der lever i den modsatte rytme i tiden - som bliver yngre, når vi bliver ældre? Kan vi gennem en eller anden fysisk proces vende vores egen pil af tid?
Dette er interessante spørgsmål, og vi vil vende tilbage til dem senere. I denne artikel besluttede Frank Wilczek, en teoretisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology og en nobelprisvinder, at dække et andet emne. Det opstår, når du starter i den anden ende inden for rammerne af en delt oplevelse. Gåde er dette?
Hvorfor har grundlæggende love denne problematiske og underlige egenskab, T-invariance?
Svaret, der kan tilbydes i dag, er uforlignelig dybere og mere komplekst end hvad vi kunne tilbyde for 50 år siden. Dagens forståelse er kommet frem fra det strålende samspil eksperimentel opdagelse og teoretisk analyse, der har vundet adskillige Nobelpriser. Men vores svar mangler nogle elementer. Søgning efter dem kan føre os til en uventet belønning: definitionen af kosmologisk "mørk materie".
Salgsfremmende video:
Den moderne historie med T-invariance begyndte i 1956. Det år spørgsmålstegn ved T. D. Lee og C. N. Young et andet, men beslægtet træk ved fysisk lov, der tidligere var taget for givet. Lee og Young blev ikke generet af T selv, men af dets rumlige modstykke, paritetstransformationen af P. Mens T involverer at se film, der går tilbage i tiden, inkluderer P at se film reflekteret i et spejl. P-invariance er hypotesen om, at begivenhederne, du ser i reflekterede film, overholder de samme love som i originaler. Lee og Young identificerede indirekte uoverensstemmelser i denne hypotese og foreslog et vigtigt eksperiment for at teste dem. Eksperimenter over flere måneder har vist, at P-invariance er krænket i mange tilfælde. (P-invarians er bevaret for tyngdekraft, elektromagnetisk og stærk interaktion,men generelt krænket for svage interaktioner).
Disse dramatiske begivenheder omkring P- (in) invariance har ført til, at fysikere har tænkt på T-invariance, en beslægtet antagelse, der også engang blev taget for givet. Imidlertid har T-invariance-hypotesen gennemgået en streng test i flere år. Det var først i 1964, at en gruppe ledet af James Cronin og Valentina Fitch opdagede en ejendommelig, subtil effekt i henfaldet af K-mesoner, hvilket krænker T-invariance.
Visdom i John Mitchells forståelse - at "du ved ikke, hvad du har, før den er væk" - er blevet bevist bagefter.
Hvis vi ligesom små børn fortsat spørger “hvorfor?” Vi får dybere svar i et stykke tid, men til sidst vil vi ramme rock bunden, når vi kommer til en sandhed, som vi ikke kan forklare mere enkelt. I dette øjeblik erklærer vi sejr: "Alt er som det er." Men hvis vi senere finder undtagelser fra vores formodede sandhed, vil dette svar ikke længere tilfredsstille os. Vi skal gå videre.
Så længe T-invariance er en universel sandhed, er det ikke klart, hvor nyttigt vores spørgsmål i begyndelsen vil være. Hvorfor var universet T-invariant? Bare fordi. Men efter Cronin og Fitch kan T-invariance-puslespillet simpelthen ikke ignoreres.
Mange teoretiske fysikere har været udsat for det irriterende problem med at forstå, hvordan T-invariance kan være ekstremt nøjagtig, men ikke helt. Og her kom Makoto Kobayashis og Toshihide Maskawas arbejde godt med. I 1973 foreslog de, at den omtrentlige T-invariance er en utilsigtet konsekvens af andre, dybere principper.
Tiden er gået. Ikke længe før blev tegningerne af den moderne standardmodel for elementær partikelfysik tegnet og med dem et nyt niveau af gennemsigtighed i grundlæggende interaktioner. I 1973 var der en stærk - og empirisk vellykket - teoretisk ramme baseret på adskillige "hellige principper." Dette er relativitet, kvantemekanik og en matematisk ensartethedsregel kaldet gauge symmetri.
Men det var vanskeligt at få alle disse ideer til at arbejde sammen. Sammen begrænser de markant mulighederne for basale interaktioner.
Kobayashi og Maskawa gjorde i to korte afsnit to ting. Først viste de, at hvis vi begrænser fysik til de daværende kendte partikler (for eksempel hvis der kun var to familier af kvarker og leptoner), følger alle interaktioner, der er tilladt efter hellige principper, også T-invarians. Hvis Cronin og Fitch aldrig havde gjort deres opdagelse, ville dette ikke være tilfældet. Men det gjorde de, og Kobayashi og Maskawa gik endnu længere. De viste, at hvis vi introducerer et specielt sæt nye partikler (den tredje familie), vil disse partikler føre til nye interaktioner, hvilket fører til krænkelser af T-invarians. Ved første øjekast nøjagtigt, hvad lægen beordrede.
I de følgende år var deres strålende eksempel på detektivarbejde fuldt ud berettiget. De nye partikler, som Kobayashi og Maskawa indrømmede at eksistere, blev opdaget, og deres interaktion viste sig at være nøjagtigt, hvad de burde have været.
Opmærksomhed, spørgsmål. Er disse hellige principper virkelig hellige? Selvfølgelig ikke. Hvis eksperimenter får forskere til at supplere disse principper, vil de helt sikkert supplere. I øjeblikket ser hellige principper temmelig godt ud. Og de var frugtbare nok til at tage dem alvorligt.
Indtil videre har det været en historie om triumf. Spørgsmålet, som vi stillede i starten, et af de mest vanskelige gåder om, hvordan verden fungerer, fik et delvist svar: dyb, smuk, frugtbar.
Få år efter Kobayashis og Maskawas arbejde opdagede Gerard t'Hooft et smuthul i deres forklaring af T-invariance. Hellige principper tillader en yderligere form for interaktion. Den mulige nye interaktion er ganske subtil, og t'Hoofts opdagelse kom som en overraskelse for de fleste teoretiske fysikere.
Den nye interaktion, hvis den er til stede med betydelig styrke, ville krænke T-invariance i meget mere indlysende grad end den effekt, der blev opdaget af Cronin, Fitch og deres kolleger. Især vil det tillade, at neutronen roterer til at generere et elektrisk felt ud over det magnetiske felt, det kan inducere. (Magnetfeltet i et spindende neutron er analogt med det, som vores roterende jord producerer, omend i en helt anden skala.) Eksperimenter har søgt hårdt efter sådanne elektriske felter, men deres søgning har ikke givet nogen resultater.
Det er som om naturen ikke vil bruge t'Hooft's smuthul. Naturligvis er dette hendes ret, men denne ret rejser igen vores spørgsmål: hvorfor følger naturen T-invariance så nøje?
Flere forklaringer er blevet tilbudt, men kun en har stået tidens prøve. Den centrale idé hører til Roberto Pezzie og Helen Quinn. Deres forslag, som Kobayashi og Maskawa, involverer at udvide standardmodellen på en særlig måde. For eksempel gennem et neutraliserende felt, hvis opførsel er særlig følsom over for den nye t'Hooft-interaktion. Hvis der er en ny interaktion, justerer det neutraliserende felt sin egen størrelse for at kompensere for påvirkningen af denne interaktion. (Denne indstillingsproces svarer generelt til, hvordan negativt ladede elektroner i faste stoffer samles omkring positivt ladede urenheder og beskytter deres indflydelse.) Sådan et neutraliserende felt, viser det sig, lukker vores smuthul.
Pezzie og Quinn har glemt de vigtige testbare implikationer af deres idé. Partiklerne produceret af deres neutraliserende felt - dets kvanta - skal have bemærkelsesværdige egenskaber. Da de glemte deres partikler, navngav de heller ikke dem. Dette gjorde det muligt for mig at opfylde min barndomsdrøm.
Et par år tidligere havde jeg set en lys farvekasse i et supermarked kaldet Axion. Det syntes for mig, at "aksionen" lyder som en partikel, og det ser ud til at være. Så da jeg opdagede en ny partikel, der "renser" problemet med en "aksial" strømning, følte jeg det som om jeg havde en chance. (Jeg fandt snart ud af, at Steven Weinberg også opdagede denne partikel, uafhængigt. Han kaldte det Higglet. Heldigvis accepterede han at droppe det navn.) Således begyndte det episke, hvis konklusion kun er tilbage til at blive skrevet.
I Chronicles of the Particle Data Group finder du flere sider, der dækker snesevis af eksperimenter, der beskriver mislykkede søgninger efter aksionen. Men der er stadig grunde til optimisme.
Axionteori forudsiger generelt, at aksioner skal være meget lette, meget langlivede partikler, der interagerer svagt med almindeligt stof. Men for at sammenligne teori og eksperiment skal du stole på tal. Og her står vi over for tvetydighed, da den eksisterende teori ikke fastlægger værdien af aksionsmassen. Hvis vi kendte aksionens masse, ville vi forudsige resten af dens egenskaber. Men selve massen kan være i en lang række værdier. (Det samme problem var med den charmerede kvark, Higgs-partikel, øverste kvark og et par andre. Før opdagelsen af hver af disse partikler forudsagde teorien alle deres egenskaber, bortset fra masseværdien). Det viste sig, at kraftens interaktionskraft af aksionen er proportional med dens masse. Efterhånden som værdien af massen på aksien falder, bliver den mere og mere undvigende.
Tidligere har fysikere fokuseret på modeller, hvor aksionen er tæt knyttet til Higgs-partiklen. Det blev antaget, at aksionens masse skulle være i størrelsesordenen 10 keV - en halvtreds af massen af et elektron. De fleste af de eksperimenter, som vi talte om tidligere, ledte efter en aksion af netop sådan en plan. På nuværende tidspunkt kan vi være sikre på, at sådanne aksioner ikke findes.
Mørkt stof
Og derfor blev opmærksomheden henledt til meget mindre værdier af aksionmasserne, som ikke blev udelukket eksperimentelt. Axioner af denne art forekommer ganske naturligt i modeller, der kombinerer interaktioner i standardmodellen. De vises også i strengteori.
Vi beregnet, at aksioner skulle være produceret i overflod i de tidlige øjeblikke af Big Bang. Hvis der overhovedet findes aksioner, fylder aksionsvæsken universet. Oprindelsesvæskens oprindelse ligner omtrent oprindelsen af den berømte kosmiske mikrobølgebakgrund, men der er tre store forskelle mellem de to. Først observeres mikrobølgebaggrunden, og aksionsvæsken forbliver rent hypotetisk. For det andet, fordi aksioner har masse, påvirker deres væske universets samlede massetæthed. Grundlæggende beregnet vi, at deres masse groft skulle svare til den masse, som astronomer har bestemt bag mørkt stof! For det tredje, fordi aksioner interagerer så svagt, burde de være vanskeligere at observere end CMB-fotoner.
Den eksperimentelle søgning efter aksioner fortsætter på flere fronter. To af de mest lovende eksperimenter er rettet mod at finde aksionsvæske. En af dem, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), bruger specielle supersensitive antenner til at konvertere baggrundsakse til elektromagnetiske impulser. Et andet, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), ser efter små svingninger i bevægelsen af nukleare spins, der kan være forårsaget af aksionsfluid. Derudover lover disse sofistikerede eksperimenter at dække næsten hele spektret af mulige aksionsmasser.
Findes aksioner? Vi ved ikke endnu. Deres eksistens ville bringe en dramatisk og tilfredsstillende konklusion til historien om den vendbare pil i tid og måske også løse mysteriet med mørk materie i købet. Spillet startede.
Frank Wilczek, baseret på Quanta Magazine