Biblioteka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:   Wirtualny Wszechświat > Biblioteka > Fizyka > Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina  



[1]  [2]  [3]  [4]  [5]  [6] 
Kwestia odwrócenia kierunku upływu czasu

Niedługo po tym jak Wheeler i Feynman przedstawili swą zabawną teorię, Wheeler zapoznał Feynmana z innym dziwacznym pomysłem na temat działania wstecz w czasie, tym razem dotyczącym antymaterii. Koncepcja antymaterii pochodzi mniej więcej z 1930 roku i wiąże się ze słynnym przewidywaniem Diraca, który starał się pogodzić nową mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności Einsteina. Dirac chciał wiedzieć, jak będzie się zachowywać cząstka kwantowa, na przykład elektron, poruszająca się z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Odkrył równanie, które - jak się wydawało - spełniało wszelkie wymagania, jednak ze zdziwieniem stwierdził, że każde rozwiązanie równania opisującego elektron pojawia się zawsze w parze z innym rozwiązaniem, które nie opisywało żadnej znanej cząstki. Po pewnym zastanowieniu Dirac postawił śmiałą hipotezę. "Lustrzane" rozwiązanie opisywało według niego cząstkę identyczną jak elektron, lecz o przeciwnych właściwościach, która, na przykład, zamiast ładunku ujemnego, ma ładunek dodatni. Minął rok lub dwa, a pozytony Diraca zostały odnalezione w promieniowaniu kosmicznym. Pozytony naprawdę istnieją.

Z czasem fizycy dowiedzieli się, że każda cząstka elementarna ma swoją antycząstkę. Poza antyelektronem (zwanym pozytonem) istnieją też antyprotony, antyneutrina i tak dalej. Dzisiaj antycząstki, rutynowo wytwarzane w laboratoriach, są dobrze poznane, jednak w latach czterdziestych wciąż wydawały się nieco zagadkowe. Wówczas bliżej znano jedynie pozytony. Powstają one wraz z bliźniaczymi elektronami podczas gwałtownego zetknięcia się promieni gamma z materią. Zwykle zderzenie fotonu z promieniowania gamma z atomem prowadzi do wytworzenia pary elektron-pozyton. Świeżo powstały elektron odlatuje, by cieszyć się mniej więcej spokojną egzystencją, natomiast na biedny pozyton od samego początku czyhają niebezpieczeństwa. Jeśli spotka się z elektronem (a pełno ich we Wszechświecie), obie cząstki ulegną natychmiastowej anihilacji, emitując fotony, co stanowi proces odwrotny do wytworzenia pary cząstka-antycząstka. Z tego powodu kariera pozytonu będzie krótka.

Powróćmy do propozycji Wheelera w wersji zaproponowanej przez Feynmana. Rycina 9.1 przedstawia diagram czasoprzestrzenny ilustrujący powstanie i późniejszą anihilację pozytonu. Zdroworozsądkowa interpretacja diagramu jest taka, że foton promieniowania gamma, przedstawiony linią falowaną idącą z dołu ku górze, tworzy parę elektron-pozyton w punkcie A, po czym elektron (oznaczony e2) odlatuje w prawą stronę, natomiast pozyton, oznaczony p, kieruje się w lewą stronę i zderza się z drugim elektronem (oznaczonym e1) w punkcie B, w wyniku czego dochodzi do anihilacji i powstania fotonu. Rezultat netto jest taki, że elektron e1 zniknął w jednym miejscu, a następnie został zastąpiony elektronem e2 w innym miejscu. Śmiała hipoteza Feynmana głosi, że elektrony e1 i e2 to w istocie jedna cząstka, mimo że pomiędzy zdarzeniami A i B istnieją oba elektrony!

Ryc. 9.1. Diagram czasoprzestrzenny ukazuje foton, który zamienia się w parę elektron-pozyton (e2, p) w punkcie A, przy czym pozyton ulega potem anihilacji w wyniku spotkania z elektronem e1 w punkcie B. W chwili t obserwator widziałby trzy cząstki: p, e1 i e2. Według Feynmana ta zygzakowata trajektoria może być interpretowana jako linia świata jednej tylko cząstki, a mianowicie elektronu, który cofa się w czasie z punktu B do A (należy zwrócić uwagę na strzałkę).

Koncepcja Feynmana polega na tym, że ciągły zygzak na rycinie 9.1 powinien być interpretowany nie jako powiązanie trzech różnych linii świata cząstek, lecz jako ciągła czasoprzestrzenna trajektoria pojedynczego elektronu. Odcinek toru odpowiadający pozytonowi przedstawia elektron poruszający się wstecz w czasie. Kierunek upływu czasu wskazuje strzałka na linii świata. W normalnej fazie, fazie elektronu, strzałka wskazuje kierunek czasu w przód, lecz podczas fazy pozytonu strzałka wskazuje odwrotnie. Patrząc na sytuację z tej strony, pierwotny elektron (e1), nie poddawany żadnym zakłóceniom, emituje foton (w punkcie B), następnie cofa się w czasie, pochłania foton (w punkcie A), po czym wraca do przyszłości. Obserwator znajdujący się w czasie pomiędzy A i B widziałby dwa elektrony i pozyton, lecz według Feynmana to tylko jedna cząstka postrzegana trzy razy: po pierwsze (jako e1) w swojej pierwotnej formie, przed oddziaływaniami, następnie (jako pozyton) wracająca z przyszłości oraz (jako e2) podróżująca w czasie w przód.

Koncepcję tę można zasadniczo uogólnić na wiele elektronów i pozytonów, dzięki czemu linia świata może składać się z licznych zygzaków (zob. ryc. 9.2).

Ryc. 9.2. Wielokrotne zygzaki wyjaśniają, dlaczego wszystkie elektrony są identyczne: stanowią w istocie jedną cząstkę krążącą w przód i wstecz w czasie. Obserwator w chwili t błędnie interpretuje jedną ciągłą linię świata jako wielość niepowiązanych odcinków.

W istocie propozycja Wheelera sprowadza się do tego, że wszystkie elektrony we Wszechświecie stanowią jedną cząstkę, która cały czas porusza się w przód i wstecz w czasie! Innymi słowy, Ty i ja, Ziemia, Słońce, Droga Mleczna i wszystkie galaktyki składają się z jednego tylko elektronu (oraz jednego protonu i neutronu) widzianego niezliczone tryliardy razy. Pozwala to wyjaśnić, dlaczego wszystkie elektrony wydają się jednakowe, a także dlaczego we Wszechświecie jest dokładnie tyle samo elektronów co pozytonów (ponieważ na każdy zygzak składać się musi jeden zyg i jeden zak). Innymi słowy, Wszechświat w połowie składa się z materii, a w połowie z antymaterii.

Związek między symetrią względem odwrócenia czasu a symetrią materia-antymateria jest w istocie bardzo głęboki. Niezależnie od tego, czy poważnie traktujemy koncepcję pozytonów jako elektronów cofających się w czasie, czy nie, można wykazać, opierając się na bardzo ogólnych założeniach, że jeśli prawa obowiązujące w całym Wszechświecie są symetryczne względem kierunku upływu czasu, to kosmos powinien składać się w równej mierze z materii i antymaterii. Właśnie to sugerowali niektórzy kosmologowie. Antymateria wygląda tak samo jak materia, więc na podstawie zwykłej obserwacji nie jesteśmy w stanie stwierdzić, czy na przykład galaktyka Andromedy złożona jest z materii czy z antymaterii. A może połowa galaktyk zbudowana jest z materii, a druga połowa - z antymaterii? Aby znaleźć odpowiedzi na te fascynujące pytania, astronomowie szukają sposobów wykrycia obecności antymaterii. Wszędzie tam, gdzie styka się ona z materią, powstają ogromne ilości promieniowania gamma o charakterystycznych energiach. Znanych jest wiele przypadków zderzeń galaktyk, więc jeśli połowa galaktyk składa się z antymaterii, należy się spodziewać, że Wszechświat przepełniony jest charakterystycznym promieniowaniem gamma. Jednak jak dotąd promieniowania tego o odpowiedniej energii znaleziono znikome ilości. Sugeruje to, że we Wszechświecie występuje znaczna przewaga elektronów nad pozytonami, a co za tym idzie, również materii nad antymaterią.

Na podstawie tych obserwacji można wysnuć bardzo ważny wniosek: natura nie jest symetryczna pod względem ilości materii i antymaterii, a więc prawa przyrody nie są dokładnie symetryczne względem czasu. Procesy fizyczne, które doprowadziły do powstania materii kosmicznej, najprawdopodobniej w ekstremalnych warunkach Wielkiego Wybuchu musiały być niesymetryczne względem czasu, przynajmniej w niewielkim stopniu. Inaczej mówiąc, musiał mieć miejsce przynajmniej jeden podstawowy proces fizyczny, który nie był dokładnie symetryczny względem odwrócenia czasu.

[1]  [2]  [3]  [4]  [5]  [6] 
[  góra strony  ]

Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach