Долгое время считалось, что временная симметрия, наряду с пространственной и зарядовой чётностью — это фундаментальные законы природы, которые ничто не может нарушить. Но как это часто происходит в науке, всё оказалось немного иначе. В этом видео Дерек Маллер расскажет о том что такое C, P, CP и T-симметрии, как некоторые частицы их нарушают и почему это очень важно.
Скрытый текст
Большинство процессов в нашей Вселенной обратимы во времени. То есть физические законы одинаково работают в обоих направлениях. Поэтому нельзя понять, что тут нормальное видео… а что перемотка назад.
Обычно про энтропию говорят как про единственное исключение из правила. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия системы, — или количество беспорядка, — со временем может только расти.
Но растущая энтропия — это эмерджентное свойство, результат движения большого количества частиц. Возникает вопрос: существует ли для них направление времени? Другими словами, есть ли такой процесс на уровне элементарных частиц, который в обоих направлениях выглядит не одинаково? Как ни странно, оказывается, что есть.
В физике частиц существует три фундаментальных типа симметрии: заряда, пространственной чётности и времени.
Симметрия времени подразумевает, что любые взаимодействия прекрасно работают в любом направлении.
Симметрия заряда говорит о том, при взаимодействиях не важно, где плюс, а где минус. Ничего особенного в так называемом “положительном” заряде нет. Он равен и противоположен отрицательному — не более того.
Симметрия чётности означает, что среди физических законов нет “левшей” и “правшей”. Чтобы было понятнее, представьте, что к Вселенной поднесли гигантское зеркало: в нём ось Зэт смотрит в обратную сторону, а моя правая рука становится левой. Но что до этого законам физики?
В зеркальном мире они должны работать так же, как и в нашем, вне зависимости от того, где левая рука, а где правая. Другими словами: по идее, невозможно экспериментально доказать, что вы находитесь НЕ в зазеркалье.
Симметрии называют по первым буквам английских названий: Цэ, Пэ и Тэ. В начале пятидесятых считалось, что им подчиняются все фундаментальные частицы. Но в пятьдесят шестом году Янг и Ли в своей статье отметили, что симметрия чётности не проверялась в экспериментах со слабым взаимодействием.
В том же году Цзяньсюн Ву преподававшая физику в Колумбийском университете планировала рождественский отпуск со своим мужем, — который, кстати, тоже физик, — но её так увлекла идея о возможном нарушении симметрии чётности, что она решила отложить отпуск и первой провести эксперимент.
Команда специалистов по низким температурам помогла ей охладили атомы кобальта шестьдесят до одной трёхтысячной градуса выше абсолютного нуля. Их поместили их в сильное магнитное поле, чтобы их спины были, так сказать, направлены в одну сторону.
Кобальт шестьдесят радиоактивен — он распадается за счет слабого взаимодействия, выпуская бета-частицу — то есть электрон. Учёные наблюдали, в каком направлении относительно спина ядра кобальта вылетали эти электроны.
Чтобы понять, как этот процесс должен выглядеть при соблюдении симметрии чётности, поднесём к нему зеркало: в отражении ось зэт отзеркалена, а направление спина ядра — нет. Ведь в зеркале вращение по часовой стрелке сохраняет своё направление. А это значит, и там спины ядер будут обращены в ту же сторону. Эксперимент в зеркале, по сути, это тот же самый эксперимент.
Когда ядро кобальта шестьдесят распадается, выпущенный электрон может полететь, скажем, вперед или назад. Если симметрия чётности соблюдается, вероятность и того и другого варианта одинакова, а зеркальный эксперимент покажет тот же результат, что и реальный.
Однако если электроны летят преимущественно в одном направлении — вдоль оси Зэт по возрастанию, то в отражении они полетят по возрастанию отраженной оси зет, то есть в противоположном направлении от обычных частиц.
Обычный электрон движется назад, относительно ядер вращающихся по часовой, то отраженный полетит туда, куда они смотрят. Но это же какой-то бред. Получается, можно определить, Находитесь вы в зазеркалье или нет.
Как волчок из фильма «Начало» — если электроны из ядра кобальта летят в одну сторону — ты в отражении; а если в другую — то в реальности.
Звучит довольно дико, но именно это увидели во время эксперимента. В одну сторону электронов летело больше, чем в другую, и не просто больше: почти все электроны летели против направления ядер. Слабое взаимодействие нарушает симметрию пространственной четности практически насколько это вообще возможно.
Эксперимент Ву разрушил один из принципов, на который физика опиралась десятилетиями. Каким-то образом Вселенная все-таки знает где лево, а где право.
Результаты эксперимента потрясли всё научное сообщество. Известный физик и нобелевский лауреат Вольфганг Паули, услышав про опыт, назвал его «полнейшей чепухой» и настаивал, что результат — ошибка. Когда результаты эксперимента удалось воспроизвести, физикам-теоретикам пришлось признать, что наша вселенная устроена не совсем так, как им казалось.
Нобелевскую премию за открытие несохранения чётности вручили в 57-ом году, то есть в год публикации результатов опыта. Открытие заставило физиков переосмыслить многое, но они не стали горячиться и выбрасывать все что до этого знали, а просто сделали уточнение — может, не так уж и страшно, что в слабые взаимодействия нарушают чётность. Это не какой-то отдельный принцип симметрии, вместе с симметрией заряда они формируют комбинированную четность.
Таким образом, если наше зеркало не только отражает оси, но и меняет все частицы на античастицы с противоположными зарядами, то никакого нарушения симметрии не происходит, и математика физических законов будет работать.
Это немного успокоило физиков, пока в 64-ом году не выяснилось, что некоторые частицы могут нарушать даже комбинированную чётность. И тут бац! Ещё одна нобелевка.
Так были нарушены два принципа которые физики считали фундаментальными законами природы. Пришлось отступить к последнему теоретическому рубежу под названием «Цэ-Пэ-Тэ — инвариантность» (где Тэ — это время).
Ладно, — решили физики, — в слабых взаимодействиях нарушается симметрия чётности и заряда, но ведь не симметрия заряда, чётности и времени. По сей день учёные считают «Цэ-Пэ-Тэ — инвариантность» действующим законом Вселенной.
По крайней мере, пока ни один эксперимент его не нарушил. Если это все-таки произойдет, то нам придётся переписать множество работ двадцатого века, потому, что специальная теория относительности и квантовая теория поля окажутся ошибкой.
Хорошо, допустим, с инвариантностью всё будет в порядке. Тогда остается небольшая проблема. Если две симметрии по отдельности нарушаются, а все три — уже нет, то время не должна быть исключением.
Не получится сохранить общую инвариантность, если только две из трех частей можно нарушить. Физики провели эксперимент, который показал, что некоторые частицы напрямую нарушают временную симметрию.
Например: два кварка связаны сильным взаимодействием, но могут находиться в двух разных положениях и даже переходить из одного в другое благодаря слабому взаимодействию. Но переход в одну сторону происходит дольше, чем обратно. Если бы мы записали этот процесс на видео, то на обратной перемотке он выглядел бы не как при обычном просмотре; Так и выглядит нарушение тэ-симметрии.
Получается, что для некоторых частиц есть разница — двигаться во времени вперёд или назад. Второй закон термодинамики — не единственный физический процесс, для которого направление времени играет роль.
Выходит, из-за этого нам и кажется, что время идет только вперед? Поэтому у времени вообще есть направление?
По правде говоря, мы до сих пор не знаем ответа, почему время течёт в одну сторону. Раньше физики считали, зарядовую, чётную и временную симметрии нерушимыми законами. Но результаты экспериментов пошли против каждого из них.
Возможно Цэ-пэ-тэ инвариантность тоже падет, прихватив с собой квантовую теорию поля и специальную теорию относительности.
Это одна из многих нерешенных фундаментальных проблем на нашем пути к пониманию Вселенной. Возможно кто-нибудь из ученых, пожертвует своим отпуском, чтобы с ней разобраться.
