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] 
Cząstka, która wskazuje czas

Koncepcji, że jedno z podstawowych praw fizyki mogłoby nie zachowywać dokładnej symetrii względem odwrócenia czasu, w ogóle nie rozważano wtedy, gdy Feynman doskonalił swoje pomysły dotyczące antymaterii i odwrócenia kierunku upływu czasu. Przypadek sprawił jednak, że odkryto wówczas nową cząstkę elementarną, która, jak się okazało, była kluczem do rozwiązania problemu symetrii względem czasu. Nazwano ją kaonem. Choć coś słyszałem o kaonach w szkole średniej - że są bardzo niestabilnymi i krótko żyjącymi cząstkami elementarnymi - pierwszy raz zwróciłem na nie uwagę w 1966 roku, gdy przeczytałem w londyńskiej prasie o pewnej dziwacznej teorii. Artykuł sugerował, że kaony mogłyby czasem prześlizgnąć się do innego Wszechświata, gdzie czas biegnie w przeciwnym kierunku, by wrócić później do naszego Wszechświata. Brzmiało to jak science fiction i bardzo mnie zaintrygowało, zwłaszcza że autorem teorii był Russell Stannard, jeden z moich wykładowców w University College.

Rozważania Stannarda opierały się na zadziwiającym odkryciu sprzed dwóch lat, zgodnie z którym kaony mogły "wyczyniać dziwne rzeczy" z czasem. Jego wyjaśnienie wymaga pewnego wprowadzenia. Kaony odkryto w 1947 roku, ich istnienie ujawniły tajemnicze tory w kształcie litery V widoczne w komorze mgłowej wystawionej na działanie promieni kosmicznych. Od samego początku fizycy podejrzewali, że cząstki te są nietypowe. Powstają w zderzeniach cząstek jądrowych, czyli protonów i neutronów, jednak nie żyją zbyt długo. Po upływie kilku nanosekund większość kaonów ulega rozpadowi, głównie do pionów. Zarówno kaony, jak i piony należą do tej samej grupy cząstek elementarnych, zwanej mezonami. Ważną własnością mezonów, a także protonów i neutronów, jest to, że oddziałują ze sobą bardzo silnie. W rezultacie tego reakcje przemiany jednej cząstki w inną zachodzą natychmiast. Oddziaływania silne bardzo różnią się od innych, słabych oddziaływań jądrowych. Te z kolei, niezwykle wątłe z natury, są odpowiedzialne za szereg bardzo powolnych procesów jądrowych, takich jak promieniotwórczy rozpad beta. I tak na przykład typowe oddziaływanie silne trwa jedną bilionową bilionowej części sekundy, natomiast rozpad neutronu, powodowany przez oddziaływania słabe, zachodzi mniej więcej po piętnastu minutach.

Wszystkie cząstki uczestniczące w oddziaływaniach silnych składają się z mniejszych tworów, zwanych kwarkami. Na przykład protony i neutrony zbudowane są z trzech kwarków, mezony zaś - z dwóch (a dokładniej, z kwarka i antykwarka). Najprawdopodobniej istnieje sześć rodzajów kwarków (pięć znanych jest na pewno) oraz tyleż samo odpowiadających im antykwarków, mamy więc trzydzieści sześć kombinacji kwarka i antykwarka. Może zatem istnieć wiele mezonów. Tak się stało, że jako pierwsze odkryto kaony i piony, gdyż są najlżejsze. Kaony występują w trzech odmianach: elektrycznie obojętne, naładowane dodatnio oraz naładowane ujemnie.

Fizycy zaciekawieni sposobem rozpadania się kaonów zwrócili uwagę na osobliwe właściwości tych cząstek. Zwykły kaon powstaje dzięki oddziaływaniom silnym w okamgnieniu, w następstwie zderzenia dwóch silnie oddziałujących cząstek jądrowych. Jednak choć ulega on rozpadowi na inne, równie silnie oddziałujące cząstki (piony), to proces ten trwa aż nanosekundę. Był to prawdziwy szok. Jeśli cząstka powstaje w procesie trwającym zaledwie jedną bilionową bilionowej części sekundy, to dlaczego jej rozpad nie odbywa się w tej samej skali czasowej i w identycznym procesie? Obie sytuacje powinny być symetryczne. To trochę tak, jak gdyby rzucić piłkę do góry i czekać miliony lat, aż spadnie w dół. Co sprawia, że rozpad kaonu trwa biliony razy dłużej niż jego powstanie?

Stawką była niemal święta zasada fizyki, przyjmowana bez zastrzeżeń, odkąd sięgnąć pamięcią - zasada odwracalności wszystkich procesów fizycznych. Można próbować wyobrazić ją sobie jako odtwarzanie w odwrotnym kierunku filmu ukazującego jakiś proces. Jeśli jest on odwracalny w czasie, to film odtwarzany w odwrotnym kierunku powinien również przedstawiać jakiś możliwy proces fizyczny. Na przykład na filmie pokazującym obieg planety wokół Słońca odtwarzanym w odwrotnym kierunku widać planetę obracającą się w przeciwną stronę. Nie ma w tym nic dziwnego. Oczywiście, wszyscy pamiętamy śmieszne filmy odtwarzane w przeciwnym kierunku, przedstawiające rzeki płynące w górę czy ludzi chodzących do tyłu. Jednak sceny te ukazują skomplikowane procesy, a ja ograniczam się przez chwilę do podstawowych zjawisk z udziałem zaledwie paru cząstek elementarnych.

Odwracalność podstawowych procesów fizycznych wynika z symetrii względem czasu praw fundamentalnych. Odwrócenie czasu jest zwykle oznaczane literą T. Można myśleć o T jako o swego rodzaju operacji odwrócenia kierunku upływu czasu - na przykład zamianie przyszłości i przeszłości. Symetryczne względem czasu prawa fizyki mają następującą własność: po odwróceniu kierunku upływu czasu równania pozostają niezmienne, czyli są inwariantne względem czasu. Dobry przykład stanowią tu równania elektro-magnetyzmu Maxwella, które oczywiście są T-inwariantne. Jeśli zastosować T do fali przedwczesnej, otrzymamy falę opóźnioną, jak już to wcześniej opisałem. Fale przedwczesne są możliwe z fizycznego punktu widzenia, jednak z jakiegoś powodu ich nie obserwujemy.

Można bez żadnego wysiłku odwrócić kierunek czasu w równaniach matematycznych, ale nie jest łatwo dokonać tego w laboratorium. Jednak symetria względem T może być sprawdzona eksperymentalnie przez odwrócenie samego procesu - można sprawić, że wszystko w procesie odbywa się do tyłu, a więc jest to swego rodzaju odwrócenie biegu, które z reguły jest równoznaczne z odwróceniem czasu. Zwykle okazuje się wówczas, że pierwotny proces fizyczny ulega odwróceniu, więc na koniec znajdujemy się w tym samym miejscu co na początku, a wyjściowy stan fizyczny zostaje przywrócony. Ponadto proces odwrócony przebiega z tą samą prędkością co proces pierwotny.

Przez dziesięciolecia fizycy byli pewni dokładnej odwracalności w czasie, w zasadzie bez powodu. Panowało niejasne poczucie, że rzeczy tak proste, jak cząstki elementarne lub fale elektromagnetyczne, nie mogą mieć wewnętrznego zmysłu pozwalającego rozróżnić przeszłość i przyszłość. Fakt, że kaony łamią tę zasadę, gdyż rozpadają się biliony razy dłużej, niż powstają, wydawał się bardzo dziwny - tak dziwny, że naukowcy uczestniczący w jego odkryciu uznali, iż kaon posiada pewną nową właściwość, którą nazwali dziwnością. Nie upłynęło wiele czasu, a odkryto kolejne dziwne cząstki. Wyśledzono powód ich dziwności: każda dziwna cząstka zawiera pewien szczególny rodzaj kwarka - kwark dziwny.

Wkrótce powód dziwnego zachowania dziwnych cząstek stał się jasny. Oto jak przedstawia się istota sprawy, tak jak to rozumiemy obecnie. Cząstka dziwna powstaje wtedy, gdy wytworzony zostanie kwark dziwny, między innymi w rezultacie wysokoenergetycznego zderzenia cząstek jądrowych. Podczas tego zderzenia powstaje również antykwark dziwny. Ponieważ ma on własność antydziwności, w zderzeniu netto nie powstaje dziwność, co znaczy, że proces mógłby zostać odwrócony, czyli kwark i antykwark mogą ulec anihilacji. Jednak para kwark-antykwark natychmiast zostaje rozdzielona, a dziwny kwark - zamknięty w kaonie. Dlatego kaon nie jest w stanie się rozpaść dopóty, dopóki nie spotka rzadkiej cząstki zawierającej antykwark antydziwny, co w praktyce jest mało prawdopodobne. Proces byłby zupełnie nieodwracalny, gdyby nie to, że słabe siły jądrowe są w stanie zmienić jeden typ kwarka w inny. W szczególności potrafią one zamienić kwark dziwny w jeden z wielu bardziej typowych kwarków niedziwnych. Gdy do tego dojdzie, droga do rozpadu stoi przed kaonem otworem. Jednak oddziaływanie słabe jest bardzo powolne, dlatego (stosunkowo) dużo czasu upłynie, zanim kaon się rozpadnie. Wynika z tego, że procesy produkcji i rozpadu kaonu nie stanowią wcale swoich odwrotności, a te dziwne procesy nie naruszają zasady odwracalności.

Jak się okazało, to dopiero początek opowieści. Wciąż coś niezwykłego działo się z elektrycznie obojętnym kaonem, oznaczanym symbolem K0. Gdy fizycy starali się zmierzyć, jak długo trwa rozpad kaonów na piony, ze zdziwieniem stwierdzili, że kaony te miały dwa różne czasy życia. Czasem rozpadają się na dwa piony po upływie około dziesięciu bilionowych sekundy, a czasem - na trzy piony po czasie tysiące razy dłuższym. To tak, jak gdyby dwa różne charaktery zamieszkiwały tę samą cząstkę - mister Jekyll i doktor Hyde.

Wkrótce znaleziono rozwiązanie tej zagadki. K0 składa się z antykwarka antydziwnego związanego z kwarkiem innego typu, zwanym kwarkiem dolnym (zob. ryc. 9.3).

Ryc. 9.3. Kryzys tożsamości. Kaon obojętny, K0, składa się z dwóch mniejszych cząstek: antydziwnego antykwarka s z kreseczką i kwarka dolnego (d). Antycząstka, K0 z kreseczką, składa się z kwarka dziwnego (s) i antykwarka antydolnego (d z kreseczką). Siła słaba może zmienić d na s, a s z kreseczką na d z kreseczką, i na odwrót. Powoduje to, że kaon rozdarty jest pomiędzy dwiema tożsamościami, K0 i K0 z kreseczką.

Oddziaływania słabe są w stanie zmienić kwark dolny w kwark dziwny, a zarazem antykwark antydziwny w antykwark antydolny. Wynik netto obu tych operacji jest taki, że K0 zamienia się w swoją antycząstkę, oznaczaną symbolem K0 z kreseczką. Ta spontaniczna zmiana tożsamości zachodzi również w drugą stronę, K0 z kreseczką staje się z powrotem K0. Zatem obojętny kaon cierpi na swego rodzaju permanentny kryzys tożsamości: nie wie, czy jest cząstką K0 czy antycząstką K0 z kreseczką, i cały czas oscyluje pomiędzy nimi dwoma. Takie gwałtowne pomieszanie tożsamości sprawiło, że fizycy badający rozpad kaonu zaobserwowali pewien hybrydowy stan: układ kaon-antykaon. W rzeczywistości sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana. Istnieją dwa takie stany, ponieważ mieszanie K0 i K0 z kreseczką może odbywać się na dwa różne sposoby, zależnie od tego, czy układ jest symetryczny względem odbicia przestrzennego. (Mam tu na myśli to, że gdyby obie "mieszanki" były oglądane w lustrze, to jedna z nich okazałaby się odwróconym obrazem stanu pierwotnego, a druga nie). Dzięki odkryciu istnienia dwóch różnych trybów mieszania fizycy mogli wytłumaczyć, dlaczego występują dwa schematy rozpadu. "Mieszanka" 1, lepiej znana pod nazwą K1, nie ulega zmianie po odbiciu w lustrze, więc powinna rozpadać się na parzystą liczbę pionów, zachowując symetrię względem obrazu lustrzanego. Z drugiej zaś strony, "mieszanka" 2, zwana K2, ulega odwróceniu po odbiciu w lustrze, więc powinna rozpadać się na nieparzystą liczbę pionów. Istnieją zatem dwa schematy rozpadu - na dwa piony i na trzy piony - zależnie od tego, który stan mieszany K0 i K0 z kreseczką istnieje w chwili, gdy dochodzi do dezintegracji. Ponieważ proces z trzema pionami trwa dłużej, ścieżka tego rozpadu ma odpowiednio dłuższy czas życia.

Aby w pełni zrozumieć znaczenie tych dwóch schematów rozpadu, trzeba wziąć pod uwagę, że istnieje fundamentalny związek między odbiciem w lustrze a odwróceniem czasu. Na przykład, sfera obracająca się wokół własnej osi, oglądana w lustrze do tyłu w czasie, wygląda dokładnie tak, jak gdyby zmieniono kierunek ruchu. Można wykazać ogólnie, że lustrzane odbicie jest fizycznie równoważne odwróceniu czasu - z jedną małą modyfikacją, mianowicie trzeba zamienić cząstki na odpowiednie antycząstki. Zatem istnienie dwóch odmiennych schematów rozpadu, przy zachowaniu symetrii względem odbicia lustrzanego, w zgrabny sposób wyraża niezmienność przyrody względem odwrócenia kierunku biegu czasu.

Dotąd wszystko było w porządku. Jednak fizyków czekał dalszy szok, gdy zespół z Princeton, którym kierowali Val Fitch i James Cronin, odkrył w 1964 roku, że jedna na kilkaset cząstek K2 rozpadała się na dwa piony, a nie na trzy piony! Pamiętam, że byłem wówczas w szkole średniej i o tym odkryciu dowiedziałem się z niespodziewanego źródła, a mianowicie z wykładu gościa honorowego podczas dorocznego święta szkoły. Implikacje eksperymentu Fitcha-Cronina były prawdziwie obrazoburcze (i dlatego właśnie wspomniany gość honorowy uznał to za odpowiedni temat na tę formalną okazję). Wkrótce zrozumiano, że ekscentryczne zachowanie się kaonów oznaczało pogwałcenie uświęconej dotąd symetrii względem odwrócenia czasu.

Naruszenie symetrii względem T przez kaony można rozumieć następująco. Stany K1 i K2 powstają, jak już wyjaśniałem, jako swego rodzaju hybrydy, stany mieszane kaonu i antykaonu. Wyobraźmy sobie cząstkę gwałtownie zmieniającą tożsamość: kaon-antykaon-kaon-antykaon... Można postawić pytanie, czy przeskoki te są doskonale symetryczne, to znaczy, czy tempo zmieniania się kaonu w antykaon jest dokładnie takie samo jak w przypadku przemiany antykaonu w kaon. Jeśli nie, to stan hybrydowy mógłby dłużej istnieć jako kaon lub jako antykaon, albo na odwrót. Wszyscy zakładali, że skoro przemiany kaon-antykaon powinny być dokładnie symetryczne względem czasu, natura nie powinna rozróżniać danego procesu od procesu do niego odwrotnego, a oba tempa powinny być identyczne. Kaony mają jednak zwyczaj więcej czasu spędzać jako K0 z kreseczką niż K0.

To niespodziewane zachowanie oznacza, że kaony posiadają wewnętrzny zmysł rozróżniania przeszłości od przyszłości. Choć zaobserwowany efekt jest ilościowo niewielki, ma głębokie znaczenie i jest bardzo tajemniczy - stąd swobodne spekulacje Russella Stannarda. Próbował on wyjaśnić zachowanie kaonu tym, że na chwilę przeskakuje do Wszechświata równoległego, w którym czas biegnie w odwrotnym kierunku. Martin Gardner, felietonista "Scientific American", komentował: "Wizja Stannarda prowadzi do rozdwojenia kosmosu na sąsiadujące ze sobą rejony, rozwijające swoje magiczne dywany równocześnie (cokolwiek może znaczyć ťrównocześnieŤ), lecz w przeciwnych kierunkach".

PYTANIE SCEPTYKA: Długo się nie odzywałem, teraz jednak czegoś zupełnie nie rozumiem. Myślałem, że Einstein wyeliminował koncepcje przeszłości i przyszłości. Jak więc fizycy mogą twierdzić, że kaony mają wbudowane poczucie asymetrii pomiędzy przeszłością a przyszłością?

Trafna uwaga. Mamy tu do czynienia z problemem językowym. Einstein wyeliminował absolutny podział na przeszłość i przyszłość, które miały być rozdzielone uniwersalnym momentem teraźniejszości, chwilą "teraz". Jednak to nie wyklucza absolutnego rozróżnienia kierunków upływu czasu, w stronę przeszłości i w stronę przyszłości. Słów "przeszłość" i "przyszłość" używamy w dwóch nieco odmiennych znaczeniach. Podobna różnica pojawia się w przypadku terminów "północ" i "południe". Często mówimy o Północy i Południu, mając na myśli konkretne miejsca, innym razem z kolei północ i południe oznaczają kierunki w przestrzeni. W Ameryce Południe oznacza stany takie jak Alabama i Teksas; w Anglii Północ kojarzy się z miastami Manchester, Newcastle i innymi. Z powodu obrotu Ziemi występuje nawet asymetria pomiędzy północą a południem. Uwidacznia się ona przez położenie igły kompasu, która w przypadku asymetrii przestrzennej gra podobną rolę co strzałka czasu. Skromny kaon ma poczucie czasu tylko w ograniczonym sensie: zna różnicę między dwoma kierunkami upływu czasu, przeszłością i przyszłością. Jednak w żaden sposób nie jest w stanie podzielić czasu na przeszłość, teraźniejszość i przyszłość.

[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