(Практически) обратимая стрела времени может привести нас к черной материи

    Законы физики ишачят как только вперед, эдак и обратно во времени. Посему тогда-то кажется, что время движется только в одном направлении? Один из потенциальных ответов может а также распахнуть секреты недостающей массы. Некие факты нашего эксперимента настолько же явны и обширно всераспространены, как только различие меж прошедшим и грядущем. Мы помним одно, однако ожидаем иного. Ежели запустить кинофильм в оборотном направлении, он и не будет близким к реальности. Мы говорим «стрела времени», имея в образу путь из минувшего в будущее.

    (Практически) обратимая стрела времени может привести нас к черной материи

    Можно существовало бы представить, что существование стрелы времени вмонтировано в фундаментальные законы физики. Однако правильно и оборотное. Если б вы засняли кинофильм об субатомных событиях, вы бы нашли, что его обращенная во времени версия смотрится полностью логично. Ежели наиболее определенно: фундаментальные законы физики — за исключением крохотных экзотичных исключений, к которым мы гораздо вернемся — будут ишачить вне зависимости от тамошнего, поворачиваем мы рычажок времени вперед либо обратно. На фоне базовых законов физики, стрела времени является обратимой.

    Ежели следовать логике, преобразование, которое обменивает направление времени, обязано поменять и фундаментальные законы. Здравый смысл дает подсказку, что обязано. Однако и не обменивает. Физики задействуют практичное сокращение для описания сего факта. Они именуют преобразование, которое направляет стрелу времени, ординарно T, от «time reversal». И относят тамошний факт, что T и не обменивает фундаментальные законы, к «Т-инвариантности», либо «Т-симметрии».

    Ежедневный эксперимент нарушает Т-инвариантность, тогда-то как только фундаментальные законы ее уважают. Это же возмутительное несоответствие поднимает сложноватые вопросцы. Каким образом настоящий мир, фундаментальные законы коего уважают Т-симметрию, умудряется высмотреть этаким асимметричным? Может быть ли этакое, что в один прекрасный момент мы обнаружим созданий, проживающих в обратном темпе времени — которые стают молодее, когда мы становимся старше? Можем ли мы, при помощи некоего физического процесса, перевернуть нашу свою стрелу времени?

    Это же достойные внимания вопросцы, и к ним мы гораздо вернемся. В данной статье Франк Вилчек, физик-теоретик Массачусетского технологического колледжа, лауреат Нобелевской премии, решил осветить альтернативный вопросец. Он появляется, ежели начинать с иного финала, в рамках общего эксперимента. Загадка вот в чем?

    Посему фундаментальные законы имеют это же проблемное и странноватое свойство, Т-инвариантность?

    Ответ, который можно предложить сейчас, несравнимо поглубже и труднее тамошнего, что мы могли предложить 50 годов назад. Нынешнее осознание появилось из хромированного взаимодействия экспериментального открытия и теоретического анализа, заслуживших несколько Нобелевских премий. Однако в нашем ответе недостает энных частей. Них поиск может привести нас к нежданной заслуге: определению космологической «темной материи».

    Современная история Т-инвариантности началась в 1956 году. В фолиант году Т. Дюйма. Ли и К. Н. Янг поставили под вопросец другую, однако связанную индивидуальность физического закона, которую перед началом их воспринимали как только подабающее. Ли и Янг и не были обеспокоены самой Т, однако ее пространственным аналогом, преобразованием четности P. В то время как только Т включает просмотр кинофильмов, идущих обратно во времени, P включает просмотр кинофильмов, отраженных в зеркале. P-инвариантность — это же догадка об фолиант, что действия, кои вы видите в отраженных фильмах, подчиняются этим же законам, что и в оригиналах. Ли и Янг обусловили косвенные противоречия в данной догадке и предложили важнейший опыт для них проверки. За несколько месяцев опыты продемонстрировали, что P-инвариантность нарушается в почти всех вариантах. (P-инвариантность сохраняется для гравитационных, электрических и мощных взаимодействий, однако в целом нарушается для хлипких взаимодействий).

    Эти драматические действия вокруг P-(и не)инвариантности принудили физиков призадуматься об Т-инвариантности, схожем допущении, которое тоже когда-то принималось за подабающее. Но догадка Т-инвариантности пережила кропотливую проверку в течение пары лет. И только в 1964 году группа под управлением Джеймса Кронина и Валентины Фитч нашла типичный, плоский спецэффект в распадах К-мезонов, который нарушает Т-инвариантность.

    Мудрость осознания Джона Митчелла — что «вы и не понимаете, что у вас существуют, пока что оно и не уйдет» — была подтверждена потом.

    Ежели мы будем как только мизерные детки продолжать спрашивать «почему?», мы энное время будем приобретать наиболее глубочайшие ответы, однако в итоге достигнем дна, когда придем к правде, которую и не сможем растолковать наиболее ординарно. В этот момент мы объявляем победу: «Все эдак, как только оно есть». Однако ежели мы потом обнаружим исключения для нашей предполагаемой правды, этот ответ уже и не будет нас удовлетворять. Мы обязаны двигаться далее.

    Пока что Т-инвариантность будет всепригодной правдой, невнятно, как наш вопросец, данный сначала, будет полезен. Посему Вселенная существовала Т-инвариантна? Да ординарно эдак. Однако опосля Кронина и Фитча загадку Т-инвариантности ординарно нельзя игнорировать.

    Почти все теоретические физики столкнулись с противной неувязкой осознания тамошнего, как только Т-инвариантность возможно очень четкой, однако и не вконец. И тут понадобилась работа Макото Кобаяси и Тосихиде Маскава. В 1973 году они представили, что ориентировочная Т-инвариантность является произвользым следствием остальных, наиболее глубочайших принципов.

    Прошло время. Незадолго прежде нарисовались контуры современной Обычной фотомодели физики простых частиц, а уж наряду с ними и новейший уровень прозрачности базовых взаимодействий. К 1973 году был массивный — и эмпирически удачный — теоретический фреймворк, основанный на пары «сакральных принципах». Это же относительность, квантовая механика и математическое царило однородности под заглавием калибровочная симметрия.

    Однако вынудить все эти идеи ишачить совместно оказалось мудрено. Совместно они изрядно ограничивают способности базисных взаимодействий.

    Кобаяси и Маскава, в двух маленьких параграфах, создали две вещи. Во-первых, они продемонстрировали, что ежели ограничить физику знаменитыми тогда-то частичками (к примеру, если б существовало всего две семьи кварков и лептонов), то все взаимодействия, позволенные сакральными принципами, а также следуют Т-инвариантности. Если б Кронин и Фитч ни разу и не создали собственного открытия, все существовало бы и не эдак. Однако они создали, и Кобаяси с Маскавой отправь гораздо далее. Они продемонстрировали, что ежели внедрить особенный комплект новеньких частиц (третье семейство), эти крупицы приведут к новейшим взаимодействиям, приводящим к нарушениям Т-инвариантности. На первый взор — прям то, что целитель прописал.

    В дальнейшие годы них хромированный пример детективной работы был целиком оправдан. Новейшие крупицы, существование которых допустили Кобаяси и Маскава, были обнаружены, а уж них взаимодействия оказались в точности таковыми, какими обязаны были быть.

    Внимание, вопросец. Являются ли эти сакральные принципы вправду сакральными? Конечно же, нет. Ежели опыты приводят к тамошнему, что ученые обязаны дополнить эти принципы, они, конечно же, дополнят. На текущий момент сакральные принципы выглядят катастрофически ладно. И были довольно плодотворными, дабы относиться к ним всерьез.

    (Практически) обратимая стрела времени может привести нас к черной материи

    До сего времени это же существовала история триумфа. Вопросец, который мы поставили сначала, одна из самых сложноватых головоломок об фолиант, как только ишачит мир, получил частичный ответ: глубочайший, великолепный, плодотворный.

    Однако в этом яблоке существуют червячок.

    Сквозь пару лет опосля работы Кобаяси и Маскавы, Джерард т’Хоофт нашел лазейку в них разъяснении Т-инвариантности. Сакральные принципы дозволяют доп общий вид взаимодействия. Потенциальное новое взаимодействие достаточно тонкое, и открытие т’Хоофта предстало сюрпризом для большинства физиков-теоретиков.

    Новое взаимодействие, в случае присутствия с значимой силой, нарушило бы Т-инвариантность в еще наиболее тривиальной степени, чем спецэффект, открытый Кронином, Фитчем и них сотрудниками. А именно, оно дозволило бы вращению нейтрона производить электромагнитное поле, в дополнение к магнитному полю, которое он может вызывать. (Магнитное поле крутящегося нейтрона — аналог тамошнего, что осуществляет наша крутящаяся Планета земля, хотя и в совсем остальных масштабах). Экспериментаторы усиленно отыскивали этакие электромагнитные поля, однако них поиски и не приносили результатов.

    Природа как будто и не намерено применять лазейку т’Хоофта. Конечно же, это же ее право, однако это же право опять поднимает наш вопросец: посему природа эдак подробно следует Т-инвариантности?

    Предлагалось несколько разъяснений, однако лишь одно прошло проверку временем. Центральная мысль принадлежит Роберто Пеццеи и Хелен Квинн. Них предложение, как только у Кобаяси и Маскавы, включает расширение Обычной фотомодели специальным образом. Например, сквозь нейтрализующее поле, поведение коего в особенности чувствительно к новенькому взаимодействию т’Хоофта. Ежели находится новое взаимодействие, нейтрализующее поле подстраивает свою величину, дабы возместить воздействие сего взаимодействия. (Этот процесс подстройки в общем похож на то, как только негативно заряженные электроны в жестких субстанциях собираются вокруг положительно заряженных примесей и экранируют них воздействие). Этакое нейтрализующее поле, выходит, закрывает нашу лазейку.

    Пеццеи и Квинн запамятовали об немаловажных проверяемых последствиях собственной идеи. Крупицы, производимые них нейтрализующим полем — ее квантами — обязаны владеть восхитительными качествами. Так как они запамятовали об собственных крупицах, они них а также не окрестили. Это же дозволило лично мне выполнить мечту юношества.

    За пару лет прежде я заметил в гипермаркете красочно раскрашенную коробочку с заглавием «Аксион» (Axion). Лично мне показалось, что «аксион» звучит как только частичка и, как бы, такой является. Потому когда я нашел новейшую частичку, которая «очищает» неурядицу при помощи «осевого» (axial) потока, лично мне показалось, что выпал шанс. (Вскоре я познал, что Стивен Вайнберг тоже нашел эту частичку, независимо. Он именовал ее «хигглет». К счастью, он согласился отрешиться от сего наименования). Эдак началась эпопея, заключение которой лишь осталось написать.

    В хрониках Particle Data Group вы отыщите несколько страничек, обхватывающих десятки тестов, описывающих безуспешные поиски аксиона. Однако поводы для оптимизма есть еще.

    Теория аксионов предвещает, в общих чертах, что аксионы обязаны быть максимально несложными, максимально долгоживущими частичками, кои малосильно ведут взаимодействие с стандартной материей. Однако дабы ассоциировать теорию и опыт, надо опираться на цифры. И тут мы сталкиваемся с двусмысленностью, так как существующая теория и не фиксирует значение массы аксиона. Если б мы знали толпу аксиона, мы бы предсказали и другие его характеристики. Однако сама толпа возможно в широченном промежутке значений. (Тамошняя же неполадка существовала с очарованным кварком, крупицей Хиггса, топ-кварком и несколькими иными. Перед началом обнаружения каждой из этих частиц, теория предсказала все них характеристики, за исключением значения массы). Оказалось, что сила взаимодействия аксиона пропорциональна его толпе. Потому по мере уменьшения значения массы аксиона, он становится все наиболее неуловимым.

    Ранее физики были сосредоточены на моделях, в каких аксион плотно сплетен с крупицей Хиггса. Представили, что толпа аксиона обязана быть порядка 10 кэВ — одна пятидесятая массы электрона. Большая часть тестов, об которых мы сообщили раньше, отыскивали аксион конкретно этакого замысла. В текущее время мы можем быть убеждены, что этаких аксионов и не бытует.

    (Практически) обратимая стрела времени может привести нас к черной материи

    И потому внимание направили на еще наименьшие значения масс аксиона, кои и не были исключены экспериментально. Аксионы этакого рода полностью конечно появляются в моделях, объединяющих взаимодействия в Обычной фотомодели. Они а также появляются в теории струн.

    Мы высчитали, что аксионы обязаны были в обилии выполняться в течение первых моментов Немалого взрыва. Ежели аксионы вообщем есть, то аксионная жидкость заполняет Вселенную. Происхождение аксионной воды грубо припоминает происхождение легендарного галлактического микроволнового фона, однако существуют три больших разницы меж двумя этими понятиями. Первое: микроволновый фон наблюдается, а уж аксионная жидкость останется чисто гипотетичной. Второе: так как аксионы владеют толпой, них жидкость оказывает влияние на общую герметичность массы Вселенной. По большому счету, мы подсчитали, что них толпа обязана грубо соответствовать толпе, которую астрологи обусловили за черной материей! Третье: так как аксионы эдак малосильно ведут взаимодействие, них обязано быть труднее следить, чем фотоны реликтового излучения.

    Экспериментальный поиск аксионов длится на пары фронтах. Два из самых перспективных тестов ориентированы на поиск аксионной воды. Какой-то из них, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), употребляет специфические сверхчувствительные антенны для преобразования фоновых аксионов в электрические импульсы. Альтернативный, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), отыскивает крохотные колебания в движении ядерных спинов, кои умеют быть вызваны аксионной жидкостью. Кроме сего, эти сложноватые опыты обещают окутать практически весь спектр потенциальных масс аксиона.

    Есть ли аксионы? Мы пока что и не знаем. Них существование привнесет в историю обратимой стрелы времени драматическое и удовлетворительное заключение, также, может быть, решит загадку черной материи в придачу. Игра началась.

    Франк Вилчек, по материалам Quanta Magazine