Oleh itu, mengapa masa seolah-olah bergerak hanya dalam satu arah?
Salah satu jawapan yang mungkin juga dapat mengungkap rahsia jumlah yang hilang. Sebilangan fakta pengalaman kami sama jelas dan luasnya dengan perbezaan antara masa lalu dan masa depan. Kita ingat satu perkara, tetapi kita mengharapkan yang lain. Sekiranya anda menjalankan filem ke arah yang bertentangan, ia tidak akan realistik. Kami mengatakan "panah masa", yang bermaksud jalan dari masa lalu ke masa depan.
Seseorang mungkin menganggap bahawa keberadaan anak panah waktu terbentuk dalam undang-undang asas fizik. Tetapi sebaliknya juga berlaku. Sekiranya anda membuat filem mengenai peristiwa subatomik, anda akan dapat melihat bahawa versi terbalik masa itu agak masuk akal. Lebih tepat lagi, undang-undang asas fizik - kecuali pengecualian eksotik kecil, yang akan kita kembali - akan berfungsi tanpa mengira sama ada kita memusingkan masa ke depan atau ke belakang. Terhadap latar belakang undang-undang asas fizik, anak panah masa boleh dibalikkan.
Secara logiknya, transformasi yang membalikkan arah masa juga mesti mengubah undang-undang asas. Akal akal menentukan apa yang sepatutnya. Tetapi ia tidak berubah. Ahli fizik menggunakan akronim yang sesuai untuk menerangkan fakta ini. Mereka memanggil transformasi yang membalikkan anak panah masa, hanya T, dari pembalikan masa. Dan fakta bahawa T tidak mengubah undang-undang asas disebut sebagai "T-invariance" atau "T-simetri".
Pengalaman setiap hari melanggar T-invariance, sementara undang-undang asas menghormatinya. Perbezaan yang mencolok ini menimbulkan persoalan sukar. Bagaimana dunia nyata, yang undang-undang asasnya menghormati simetri T, dapat kelihatan begitu tidak simetri? Adakah mungkin suatu hari kita akan menemui makhluk yang hidup dalam rentak masa yang berlawanan - yang semakin muda seiring bertambahnya usia? Bolehkah kita, melalui beberapa proses fizikal, membalikkan panah masa kita sendiri?
Ini adalah soalan menarik, dan kami akan mengemukakannya kemudian. Dalam artikel ini, Frank Wilczek, seorang ahli fizik teori di Massachusetts Institute of Technology dan pemenang Hadiah Nobel, memutuskan untuk membahas isu lain. Ini timbul ketika anda bermula di hujung yang lain, dalam kerangka pengalaman bersama. Teka-teki ini?
Mengapa undang-undang asas mempunyai harta benda T-invariance yang bermasalah dan pelik ini?
Jawapan yang dapat ditawarkan hari ini jauh lebih dalam dan lebih kompleks daripada yang kita tawarkan 50 tahun yang lalu. Pemahaman hari ini telah muncul dari interaksi penemuan eksperimental dan analisis teori yang cemerlang, yang telah memenangi beberapa Hadiah Nobel. Tetapi jawapan kita tidak mempunyai beberapa elemen. Mencari mereka mungkin membawa kita kepada ganjaran yang tidak dijangka: definisi "perkara gelap" kosmologi.
Video promosi:
Sejarah moden T-invariance bermula pada tahun 1956. Pada tahun itu, T. D. Lee dan C. N. Young mempersoalkan ciri undang-undang fizikal yang lain tetapi berkaitan yang sebelumnya dianggap tidak wajar. Lee dan Young tidak terganggu oleh T itu sendiri, tetapi oleh rakan spasialnya, transformasi paritas P. Walaupun T melibatkan menonton filem pada masa yang lalu, P termasuk menonton filem yang dipantulkan dalam cermin. P-invariance adalah hipotesis bahawa peristiwa yang anda lihat dalam filem yang dipantulkan mematuhi undang-undang yang sama seperti pada asalnya. Lee dan Young mengenal pasti ketidakkonsistenan tidak langsung dalam hipotesis ini dan mencadangkan eksperimen penting untuk mengujinya. Eksperimen selama beberapa bulan menunjukkan bahawa P-invariance dilanggar dalam banyak kes. (P-invariance dikekalkan untuk interaksi graviti, elektromagnetik dan kuat,tetapi secara amnya dilanggar kerana interaksi yang lemah).
Kejadian-kejadian dramatik di sekitar invarian P- (in) telah menyebabkan ahli fizik berfikir tentang T-invariance, suatu anggapan yang berkaitan yang juga pernah dianggap begitu saja. Walau bagaimanapun, hipotesis T-invariance telah menjalani ujian yang ketat selama beberapa tahun. Baru pada tahun 1964 kumpulan yang diketuai oleh James Cronin dan Valentina Fitch menemui kesan yang aneh dan halus dalam penghancuran K-meson, yang melanggar T-invariance.
Kebijaksanaan pemahaman John Mitchell - bahawa "anda tidak tahu apa yang anda miliki sehingga hilang" - telah terbukti selepas itu.
Sekiranya kita terus bertanya "mengapa?" Seperti anak-anak kecil, kita akan mendapat jawapan yang lebih dalam untuk sementara waktu, tetapi akhirnya kita akan jatuh ke dasar ketika kita mencapai kebenaran yang tidak dapat kita jelaskan dengan lebih sederhana. Pada saat ini kami menyatakan kemenangan: "Semuanya ada sebagaimana adanya." Tetapi jika kita kemudian menemui pengecualian terhadap kebenaran yang kita anggap, jawapan ini tidak akan memuaskan kita lagi. Kita mesti terus maju.
Selagi T-invariance adalah kebenaran sejagat, tidak jelas betapa berguna soalan kita pada awalnya. Mengapa alam semesta T-invarian? Hanya kerana. Tetapi selepas Cronin dan Fitch, teka-teki invarian T tidak dapat diabaikan.
Banyak ahli fizik teori telah menghadapi masalah menjengkelkan untuk memahami bagaimana T-invariance boleh menjadi sangat tepat, tetapi tidak cukup. Dan di sini karya Makoto Kobayashi dan Toshihide Maskawa sangat berguna. Pada tahun 1973, mereka menyarankan bahawa anggaran T-invariance adalah akibat yang tidak disengajakan dari prinsip lain yang lebih mendalam.
Masa telah berlalu. Tidak lama sebelum itu, kontur Model Piawai moden fizik partikel asas telah dilukis, dan dengan itu tahap ketelusan interaksi asas. Menjelang tahun 1973, terdapat kerangka teori yang kuat - dan berjaya secara empirikal berdasarkan beberapa "prinsip suci." Ini adalah relativiti, mekanik kuantum, dan peraturan keseragaman matematik yang disebut sukatan pengukur.
Tetapi mendapatkan semua idea ini untuk bekerjasama terbukti sukar. Bersama-sama mereka membatasi kemungkinan untuk interaksi asas.
Kobayashi dan Maskawa, dalam dua perenggan pendek, melakukan dua perkara. Pertama, mereka menunjukkan bahawa jika kita mengehadkan fizik pada zarah yang diketahui (misalnya, jika hanya ada dua keluarga quark dan lepton), maka semua interaksi yang dibenarkan oleh prinsip suci juga mengikuti T-invariance. Sekiranya Cronin dan Fitch tidak pernah membuat penemuan mereka, ini tidak akan berlaku. Tetapi mereka melakukannya, dan Kobayashi dan Maskawa melangkah lebih jauh. Mereka menunjukkan bahawa jika kita memperkenalkan sekumpulan khusus partikel baru (keluarga ketiga), zarah-zarah ini akan menyebabkan interaksi baru, yang menyebabkan pelanggaran T-invariance. Pada pandangan pertama, tepat apa yang diperintahkan oleh doktor.
Pada tahun-tahun berikutnya, contoh kerja detektif yang cemerlang mereka dibenarkan sepenuhnya. Zarah-zarah baru yang diakui oleh Kobayashi dan Maskawa telah ditemui, dan interaksi mereka ternyata seperti yang seharusnya.
Perhatian, soalan. Adakah prinsip-prinsip suci ini benar-benar suci? Sudah tentu tidak. Sekiranya eksperimen mendorong para saintis untuk melengkapkan prinsip-prinsip ini, mereka pasti akan melengkapi. Pada masa ini, prinsip-prinsip suci kelihatan sangat bagus. Dan mereka cukup berbuah untuk menganggap mereka serius.
Sejauh ini, ia adalah kisah kemenangan. Soalan yang kami ajukan pada awalnya, salah satu teka-teki paling sukar mengenai bagaimana dunia berfungsi, mendapat sebahagian jawapan: mendalam, indah, berbuah.
Beberapa tahun selepas karya Kobayashi dan Maskawa, Gerard t'Hooft menemui celah dalam penjelasan mereka mengenai T-invariance. Prinsip suci membolehkan jenis interaksi tambahan. Kemungkinan interaksi baru agak halus, dan penemuan t'Hooft mengejutkan kebanyakan ahli fizik teori.
Interaksi baru, jika ada dengan kekuatan yang signifikan, akan melanggar T-invariance ke tahap yang jauh lebih jelas daripada kesan yang ditemui oleh Cronin, Fitch dan rakan-rakan mereka. Secara khusus, ia membolehkan putaran neutron menghasilkan medan elektrik, selain medan magnet yang dapat menyebabkannya. (Medan magnet neutron berputar serupa dengan apa yang dihasilkan Bumi berputar kita, walaupun pada skala yang sama sekali berbeza.) Eksperimen telah berusaha keras untuk mencari medan elektrik seperti itu, tetapi pencarian mereka tidak menghasilkan hasil.
Seolah-olah alam semula jadi tidak mahu menggunakan celah t'Hooft. Sudah tentu, ini haknya, tetapi hak ini sekali lagi menimbulkan persoalan kita: mengapa alam mengikuti T-invariance dengan begitu teliti?
Beberapa penjelasan telah ditawarkan, tetapi hanya satu yang bertahan dalam ujian waktu. Idea utamanya adalah milik Roberto Pezzie dan Helen Quinn. Usul mereka, seperti Kobayashi dan Maskawa, melibatkan pengembangan Model Piawai dengan cara yang istimewa. Sebagai contoh, melalui medan peneutralan, tingkah laku yang sangat sensitif terhadap interaksi t'Hooft yang baru. Sekiranya terdapat interaksi baru, medan peneutralan menyesuaikan besarannya sendiri untuk mengimbangi pengaruh interaksi ini. (Proses penalaan ini umumnya serupa dengan bagaimana elektron bermuatan negatif dalam pepejal berkumpul di sekitar kotoran bermuatan positif dan melindungi pengaruhnya.) Medan peneutralan seperti itu, ternyata, menutup celah kita.
Pezzie dan Quinn telah melupakan implikasi penting dari idea mereka. Zarah-zarah yang dihasilkan oleh medan peneutralannya - kuantanya - mesti mempunyai sifat yang luar biasa. Oleh kerana mereka lupa tentang zarah mereka, mereka juga tidak menamakannya. Ini membolehkan saya memenuhi impian masa kecil saya.
Beberapa tahun sebelumnya, saya melihat kotak berwarna terang di pasar raya bernama Axion. Saya nampaknya "aksion" terdengar seperti zarah dan, sepertinya, adalah. Oleh itu, ketika saya menemui zarah baru yang "membersihkan" masalah dengan aliran "aksial", saya merasa seperti mempunyai peluang. (Saya segera mengetahui bahawa Steven Weinberg juga menemui zarah ini secara bebas. Dia memanggilnya Higglet. Nasib baik, dia bersetuju untuk menjatuhkan nama itu.) Oleh itu bermulanya epik, yang kesimpulannya masih perlu ditulis.
Dalam Chronicles of Particle Data Group, anda akan menemui beberapa halaman yang merangkumi puluhan eksperimen yang menggambarkan carian yang tidak berjaya untuk axion. Tetapi masih ada sebab untuk optimisme.
Teori paksi meramalkan, secara umum, bahawa paksi harus menjadi zarah yang sangat ringan, jangka panjang yang berinteraksi lemah dengan jirim biasa. Tetapi untuk membandingkan teori dan eksperimen, anda perlu bergantung pada nombor. Dan di sini kita berhadapan dengan kesamaran, kerana teori yang ada tidak menetapkan nilai jisim aksion. Sekiranya kita mengetahui jisim paksi, kita akan meramalkan sisa sifatnya. Tetapi jisim itu sendiri boleh berada dalam pelbagai nilai. (Masalah yang sama adalah dengan quark terpesona, partikel Higgs, quark atas, dan beberapa yang lain. Sebelum penemuan setiap zarah ini, teori meramalkan semua sifatnya kecuali untuk nilai jisim). Ternyata daya interaksi paksi sebanding dengan jisimnya. Oleh itu, apabila nilai jisim aksion menurun, ia semakin sukar difahami.
Pada masa lalu, ahli fizik telah memfokus pada model di mana aksion berkait rapat dengan zarah Higgs. Diandaikan bahawa jisim aksion harus berada pada urutan 10 keV - satu-lima puluh jisim elektron. Sebilangan besar eksperimen yang telah kita bincangkan sebelumnya mencari rancangan yang serupa. Pada masa ini, kita dapat memastikan bahawa paksi seperti itu tidak wujud.
Perkara gelap
Oleh itu, perhatian diberikan kepada nilai-nilai massa aksion yang jauh lebih kecil, yang tidak dikecualikan secara eksperimen. Paksi semacam ini kelihatan secara semula jadi dalam model yang menggabungkan interaksi dalam Model Piawai. Mereka juga muncul dalam teori rentetan.
Kami mengira bahawa paksi seharusnya dihasilkan dengan banyak semasa momen awal Big Bang. Sekiranya paksi wujud sama sekali, maka cecair paksi memenuhi Alam Semesta. Asal cairan aksion kira-kira menyerupai asal usul latar gelombang mikro kosmik yang terkenal, tetapi terdapat tiga perbezaan utama antara keduanya. Pertama, latar belakang gelombang mikro diperhatikan, dan cecair aksion tetap hipotetis. Kedua, kerana paksi mempunyai jisim, cecairnya mempengaruhi kepadatan jisim keseluruhan alam semesta. Pada asasnya, kami mengira jisimnya kira-kira sesuai dengan jisim yang telah ditentukan oleh para astronom di sebalik jirim gelap! Ketiga, kerana paksi berinteraksi dengan begitu lemah, mereka mesti lebih sukar untuk memerhatikan daripada foton CMB.
Pencarian eksperimen untuk paksi diteruskan di beberapa bahagian. Dua eksperimen yang paling menjanjikan bertujuan untuk mencari cecair aksion. Salah satunya, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), menggunakan antena sensitif super khas untuk menukar paksi latar menjadi denyutan elektromagnetik. CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment) yang lain, mencari fluktuasi kecil dalam gerakan putaran nuklear yang mungkin disebabkan oleh cairan aksion. Sebagai tambahan, eksperimen canggih ini menjanjikan untuk merangkumi hampir keseluruhan jisim aksion yang mungkin.
Adakah paksi wujud? Kami belum tahu. Keberadaan mereka akan membawa kesimpulan yang dramatik dan memuaskan untuk sejarah panah masa yang dapat dipulihkan, dan mungkin juga dapat menyelesaikan misteri masalah gelap dalam tawar-menawar. Permainan dimulakan.
Frank Wilczek, berdasarkan Quanta Magazine
