Порушення часової симетрії. Чому це настільки важливо

Більшість процесів у нашому всесвіті є оборотними в часі, тобто фізика працює однаково в обох напрямах.
Саме тому ви не можете сказати - відтворюю я це відео в нормальному режимі чи у зворотному.
Люди, як правило, вказують на ентропію як єдиний виняток з цього правила.
Другий закон термодинаміки стверджує, що ентропія системи, або ступінь невпорядкованості, завжди зростає з часом.
Але збільшення ентропії - це емерджентна властивість, тобто результат руху величезної кількості частинок.
Постає запитання: чи можуть самі елементарні частинки щось повідомити про напрям часу?
Або іншими словами: чи існує такий фізичний процес в масштабі окремих частинок, який протікає по різному в залежності від напряму часу?
Це може звучати дивно, але відповідь - так!
У фізиці елементарних частинок існують три основні симетрії, які повинні були зберігатися: заряд, просторова парність і час.
Часова симетрія, як ми вже казали, означає, що всі взаємодії працюють однаково вперед і назад у часі.
Зарядова симетрія означає, що взаємодії не змінюються, якщо всі заряди замінити на протилежні.
Не має нічого особливого в тому, що саме ми називаємо додатним зарядом.
Природа вважає його рівним і протилежним від’ємному заряду.
Симетрія просторової парності полягає в тому, що закони фізики байдужі до право- чи ліворукості.
Тепер, щоб зрозуміти, що це означає, уявіть гігантське дзеркало, в якому відображається наш всесвіт.
У дзеркалі напрям Z інвертований і моя права рука стає лівою рукою.
Але закони фізики це не повинно турбувати, тобто вони повинні працювати в дзеркальному світі точно так само, як і у звичайному, без будь-якої переваги право- чи ліворукості.
Інакше кажучи, не повинно існувати жодного експерименту, який показав би, що ви у дзеркальному світі.
Кожна з цих симетрій відома за першими літерами англійських назв - СРТ.
У 50-х роках вважалося, що всі фундемантальні частинки підкоряються цим симетріям.
Але у 1956-му Лі і Янг у своїй статті відзначили, що симетрія парності ніколи не перевірялася в експериментах зі слабкою взаємодією.
Тож на Різдво професорка фізики Ву Дзі Сьон з Колумбійського університету планувала відпустку з чоловіком, теж фізиком.
Але натомість, будучи заінтригованою можливістю того, що слабкі сили можуть порушити парність, вона вирішила залишитися і стати першою, хто це перевірить.
Для цього вона з командою вчених в галузі низьких температур охолодили групу атомів кобальту-60 до трьох тисячних градуса вище абсолютного нуля.
Потім вони помістили ці атоми в сильне магнітне поле, щоб зорієнтувати спіни цих ядер в одному напрямі.
Кобальт-60 радіоактивний і розпадається через слабку взаємодію з випромінюванням бета-частинки, яка власне є електроном.
В експерименті вимірювалася кількість електронів, що випускалися вздовж спіну ядра і проти спіну.
Щоб побачити, як це працюватиме при симетрії парності, розгляньмо дзеркальну версію цього експерименту.
В дзеркалі напрям осі Z змінений на протилежний, але напрям ядерного спіну - ні.
Це тому, що об’єкт, який обертається за годинниковою стрілкою, обертатиметься в той же бік і в дзеркалі.
Тож, це означає, що спіни звичайних і дзеркальних ядер співнапрямлені.
Дзеркальний експеримент, насправді, аналогічний оригінальному.
Коли ядро кобальту зазнає розпаду, випромінений електрон може вилітити, скажімо, ліворуч або праворуч.
І якщо симетрія парності зберігається, то електрони повинні рівно ймовірно випромінюватися в обох напрямках.
Тож обидва експерименти, нормальний і дзеркальний, даватимуть однакові результати.
Однак, якщо електрони випромінюватимуться переважно в одному напрямі, наприклад вздовж осі Z, то в дзеркальному експерименті електрони також повинні випромінюватися переважно вздовж віддзеркаленої осі Z, яка протилежна оригінальній осі Z.
Отже, в нормальному експерименті електроні вилітатимуть в напрямку, протилежному до спіну ядра, але в дзеркальній версії вони вилітатимуть в напрямку, що збігається зі спіном ядра.
То, який в цьому сенс?
І як це може дозволити вам визначити, перебуваєте ви в задзеркаллі, чи ні?
Це як дзиґа у фільмі "Початок".
Якщо електрони з ядер кобальту-60 вилітають в один бік, ви в дзеркальному світі, якщо в іншій - то в нормальному.
Яким би дивним це не здавалося, але це саме те, що професорка Ву побачила у своєму експерименті.
Електрони випускаються переважно в одному напрямі, ані трохи більше.
Вони, в основному, випромінювались протилежно до ядерного спіну.
Тож, слабка взаємодія не просто порушує парність, вона наближається до порушення парності настільки, наскільки це фізично можливо.
Це знищило базове припущення теоретичної фізики, яке існувало протягом десятиліть.
Якимось чином, всесвіту не байдуже ліво- і праворукість.
Коли Ву оголосила свої результати, вони шокували наукове співтовариство.
Відомий фізик і лауреат Нобелівської премії Вольфганг Пауль навіть сказав: "Це повна нісенітниця!", наполягаючи на хибності результатів.
Коли ж експеримент був незалежно відтворений, фізики були змушені визнати, що всесвіт, у якому ми живемо, не такий, яким вони його уявляли.
Нобелівська премія була присуджена за відкриття порушення просторової парності у 1957-му, в той же рік, коли були опубліковані результати.
Це потребувало глибоких зрушень у мисленні фізиків, але переш, ніж викинути все і почати заново, вони сформулювали своєрідну хитрість.
Можливо, це нормально, що слабка взаємодія порушила парність, оскільки вона не є реальною симетрією самого всесвіту, а є лиш частиною більшої симетрії зарядової парності, або СР-симетрії.
Ідея полягала в тому, що дзеркало не лише перевертає осі, а й також заміняє частинки на античастинки з їхніми протилежними зарядами.
Тоді симетрія буде відновлена і математика, яка лежить в основі законів фізики працюватиме.
Це дало фізикам деяке полегшення, доки у 1964-му році не було встановлено, що деякі частинки можуть порушувати комбіновану парність.
І, бум, - ще одна Нобелівська премія.
Два правили, які фізики колись вважали фундаментальними законами природи, були порушені.
Вчені відступили за свій останній теоретичний захист - комбіновану симетрії СРТ, де Т - це час.
Звичайно, казали вони, слабка взаємодія порушує парність і комбіновано-зарядну парність, але, звісно ж не комбіновану парність і час разом.
І дотепер фізики все ще впевнені, що СРТ є справжньою симетрією всесвіту.
Досі жоден експеримент не виявив порушення СРТ інваріантності.
Фактично, якщо СРТ буде порушена, то нам доведеться переглянути багато теорій минулого століття, оскільки це означало б, що і спеціальна теорія відносності і квантова теорія поля неправильні.
Отже, припустимо, що СРТ - це реальна симетрія.
Подумайте, що це означає.
Якщо ми знаємо, що СР може бути порушена, а СРТ ні, то часова симетрія також повинна бути порушена, в іншому випадку неможливо буде зберегти трикомпонентну симетрію, в той час, як дві субсиметрії порушені.
Фізики, фактично, провели експерименти, які підтверджують, що деякі частинки безпосередньо порушують часову симетрію.
Наприклад, коли два кварки утримуються разом сильною взаємодією, можливі два різних стани цієї пари, і кварки можуть переходити від одного стану до іншого за допомогою слабкої взаємодії.
Але перехід в одному напрямі триває довше, ніж перехід назад.
Якби ви могли зробити запис цієї події, він виглядав би по різному в залежності від того, відтворюєте ви його вперед чи назад і саме це означає порушення часової симетрії.
В деяких випадках елементарні частинки можуть визначити між рухом вперед і назад у часі.
Другий закон термодинаміки не єдиний фізичний процес, для якого важливий напрям часу.
Чи є це основою нашого сприйняття того, що час тече лише в один бік, або ж це причина стріли часу нашого всесвіту?
Насправді, ми досі не знаємо, чому час іде лише в одному напрямі.
Цікаво, що фізики колись думали, що просторова парність, заряд і час є непорушними симетріями.
Але з часом кожна з цих симетрій була демонстративно порушена.
Тож, чи є остаточно СРТ-інваріантність непорушною?
Або ж вона зникне, потягнувши за собою квантову теорію поля і спеціальну теорію відносності?
І це лиш деякі з нерозгаданих фундаментальних проблем у нашому прагненні зрозуміти всесвіт.
Можливо, одного дня якийсь фізик пожертвує своєю відпусткою, щоб знайти відповідь.