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] 
Zakrzywiony Wszechświat

Niewielkie zakrzywienie czasu, obecne w sferze subnuklearnej, niesie ze sobą pewną asymetrię związaną z materią i antymaterią. Przypomnijmy sobie, że naruszenie symetrii względem T to kon-sekwencja faktu, iż tempo przemiany kaonów w antykaony jest niewystarczające do zrównoważenia procesu odwrotnego, czyli przemiany antykaonów w kaony. Jeśli występuje taka asymetria pomiędzy materią a antymaterią, nawet na równie małą skalę, jak zaobserwowano, może to służyć za naturalne wyjaśnienie, dlaczego Wszechświat składa się w przeważającej mierze z materii. Możemy sobie wyobrazić, że większość kosmicznego materiału powstała podczas gorącego Wielkiego Wybuchu. Na początku istniała wybuchowa mieszanka materii i antymaterii, jednak proporcje nie były zupełnie wyrównane: występowała lekka przewaga materii z powodu efektów naruszenia symetrii względem T. Mieszanka taka nie była w stanie przeżyć dłużej niż mniej więcej sekundę, zanim doszło do ogólnej anihilacji przekształcającej prawie wszystko w promieniowanie gamma. W jej wyniku zniknęła cała antymateria, lecz występująca wcześniej nadwyżka materii przetrwała nietknięta. Ta właśnie nadwyżka posłużyła do utworzenia galaktyk, natomiast promieniowanie gamma, znacznie osłabione ze względu na rozszerzanie się Wszechświata, obserwowane jest jako wszechobecne kosmiczne promieniowanie tła. Jeśli teoria ta jest poprawna, to całe nasze istnienie okazuje się konsekwencją niewielkiej chwiejności czasu dozwolonej przez przyrodę. Asymetria jest tak nieznaczna, że w zasadzie można nie zwrócić na nią uwagi, jednak bez niej nie byłoby nas tutaj.

Gdy już oniemiali fizycy przyjęli koncepcję naruszenia symetrii względem T, rozpoczęły się poważne poszukiwania najlepszego sposobu zmierzenia jego efektu. Podjęto je szczególnie gorliwie w pięknej dolinie rzecznej w południowo-wschodniej Francji, niedaleko modnych alpejskich miejscowości narciarskich. Tam właśnie znajduje się stare miasto Grenoble, miejsce urodzenia znanego muzyka Hectora Berlioza, który zauważył kiedyś dowcipnie: "Czas jest doskonałym nauczycielem, jednak niestety zabija wszystkich swoich uczniów". W Grenoble mieści się również główne laboratorium fizyki jądrowej. Naukowcy francuscy skierowali swoją uwagę nie na kaony, lecz na skromny neutron, którego właściwości elektromagnetyczne mogły zawierać ważną wskazówkę dotyczącą braku symetrii w przyrodzie.

Prawdopodobnie niektórzy mylnie sądzą, że skoro neutron jest obojętny elektrycznie, to nie ma żadnych właściwości elektromagnetycznych. Również większość fizyków tak uważała, gdy cząstkę tę odkryto. Dlatego wszyscy byli zaskoczeni, gdy w 1933 roku niemiecki fizyk Otto Stern stwierdził, że neutron zachowuje się tak, jak gdyby w jego środku znajdował się mały magnes sztabkowy. Dziś znamy już przyczynę występowania tych efektów magnetycznych. Wiemy, że choć neutron jako całość jest elektrycznie obojętny, nie jest cząstką punktową, lecz złożonym obiektem, składającym się z trzech kwarków naładowanych elektrycznie. Suma wszystkich ładunków wynosi zero, jednak kwarki mogą wytwarzać pola magnetyczne, ponieważ wszystkie neutrony obracają się wokół własnej osi. Można wyobrazić sobie neutron jako niewielką kulkę wirującą wokół własnej osi niczym malutka planeta, z tym że każdy neutron obraca się ze ściśle określoną prędkością - spin jest dla tych cząstek ustaloną wielkością, podobnie jak masa. Przy bliższym zbadaniu okazuje się, że sytuacja jest bardziej skomplikowana: wewnątrz neutronu krążą naładowane elektrycznie kwarki, z których każdy wytwarza maleńki prąd elektryczny, a z kolei każdy prąd elektryczny jest źródłem pola magnetycznego. W efekcie wzdłuż osi obrotu neutronu powstaje pole magnetyczne w postaci dipolowej. Nazwa bierze się stąd, że podobnie jak w magnesie sztabkowym, występuje biegun północny po jednej stronie i biegun południowy po drugiej.

Istnienie naładowanych cząstek wewnątrz neutronu otwiera nowe możliwości. Oś jego obrotu określa stały kierunek w przestrzeni. Choć całkowity ładunek elektryczny cząstki wynosi zero, może być tak, że ładunki dodatnie mają tendencje do zbierania się w pewnym obszarze względem osi obrotu, natomiast ładunki ujemne - w innym obszarze. W ten sposób powstawałoby dipolowe pole elektryczne. Jeśli neutron posiada dipolowe pole magnetyczne, to czy nie może również mieć dipolowego pola elektrycznego?

W tym właśnie miejscu pojawia się strzałka czasu. Wyobraźmy sobie odtwarzany do tyłu film ukazujący neutron. Niewiele się zmienia, tyle że cząstka obraca się w przeciwnym kierunku. Z drugiej zaś strony, jeśli neutron ma elektryczne pole dipolowe, nie uległoby ono zmianie w wyniku odwrócenia czasu, gdyż nie zależy ono od ruchu kwarków, lecz od ich położenia. Dlatego zmiana kierunku upływu czasu prowadzi do odwrócenia względnych kierunków spinu i dipola elektrycznego. Ilustruje to rysunek (ryc. 9.4). Kierunek spinu można porównać do obrotu Ziemi. Widzimy na rysunku, że neutron ma swoją półkulę północną u góry, tam gdzie gromadzi się ładunek dodatni, natomiast po odwróceniu czasu półkula północna znajduje się u dołu, tam gdzie znajdują się ładunki ujemne.

Ryc. 9.4. Rzut oka na naruszenie symetrii względem odwrócenia czasu. Spin neutronu zmienia kierunek po odwróceniu kierunku upływu czasu. Dipol elektryczny nie ulega zmianie.

Związek spinu z dipolem elektrycznym przy odwróceniu kierunku czasu ujawniłby się, gdyby neutron znajdował się w zewnętrznym polu elektrycznym. Oddziaływałoby ono na dipol elektryczny, dążąc do obrócenia neutronu tak, by + neutronu znajdował się obok - pola i na odwrót. Z oddziaływaniem tym wiąże się pewna ilość energii. Gdybyśmy byli w stanie obserwować dany neutron po odwróceniu kierunku upływu czasu, jego spin zmieniłby kierunek, natomiast dipol i zewnętrzne pole elektryczne pozostałyby takie same. Choć nie jesteśmy w stanie zmienić kierunku biegu czasu, możemy odwrócić kierunek zewnętrznego pola elektrycznego. Dzięki temu niezmienny pozostanie kierunek spinu, a zmieni się energia oddziaływania elektrycznego z dipolem (ponieważ + i - zmieniłyby położenie względem pola zewnętrznego). Jest to równoznaczne z odwróceniem czasu, ponieważ naprawdę liczy się tylko względny kierunek spinu i pola elektrycznego. Zatem możemy sprawdzić sytuację z odwróconym kierunkiem upływu czasu, zmieniając kierunek pola elektrycznego na przeciwny i obserwując, czy wpływa to na energię neutronu.

Zwróćmy uwagę, że nie można tego dokonać w przypadku pola magnetycznego neutronu. Jak już tłumaczyłem, jego dipol magnetyczny powstaje z malutkich prądów elektrycznych wewnątrz cząstki, a odwrócenie czasu zmienia również kierunek tych prądów. Inaczej niż w przypadku statycznego dipola elektrycznego, dipol magnetyczny powstały w wyniku obracających się ładunków ulega odwróceniu zgodnie z kierunkiem spinu przy zmianie kierunku upływu czasu. Zatem względna orientacja dipola magnetycznego i kierunku spinu pozostaje niezmieniona przy odwróceniu czasu. Niezmieniona pozostanie również energia oddziaływania z zewnętrznym polem magnetycznym. Wniosek z tego rozumowania jest taki, że istnienie dipola elektrycznego w neutronie byłoby znakiem, iż świat nie jest symetryczny względem czasu. Innymi słowy, jeśli neutron ma elektryczny moment dipolowy, nawet bardzo niewielki, to ma również wewnętrzne poczucie kierunku czasu.

Aby w praktyce zmierzyć dipol elektryczny, trzeba umieścić neutron w silnym polu elektrycznym, odwrócić kierunek pola i sprawdzić, czy zmieniła się energia neutronu. Chcąc monitorować energię cząstki, należy wprowadzić również pole magnetyczne. Neutron stara się przekręcić i ustawić zgodnie z liniami tego pola. Aby mu w tym pomóc, kierowane są na niego fale elektromagnetyczne o częstościach radiowych; jeśli energia fali odpowiada różnicy energii między stanami spinu "w górę" i "w dół", to fala wywołuje zmianę stanu spinu neutronu. Podczas precyzyjnego dostrajania częstości fali radiowej każda dodatkowa energia wynikająca z oddziaływania dipola elektrycznego z polem elektrycznym powinna się ujawnić. Eksperyment ten stanowi bardzo dobry sprawdzian symetrii względem odwrócenia czasu.

Jak dotąd nie odkryto żadnego naruszenia tej symetrii. Zdaniem eksperymentatorów z Francji, jeśli kwarki naładowane rozmieszczone są wewnątrz neutronu w nierównomierny sposób, to średnia odległość dzieląca obszar ładunków dodatnich od rejonu ładunków ujemnych musi być mniejsza od 10-25 centymetra, czyli jednej dziesięciobilionowej części średnicy neutronu. To naprawdę bardzo mała odległość, jednak nie zniechęca ona naukowców. Wiele popularnych teorii cząstek elementarnych przewiduje naruszenie symetrii względem T, jednak sugerują one, że symetria złamana jest na poziomie wykraczającym nieco poza zbadany w doświadczeniu francuskich fizyków. Na jeszcze słabszym poziomie to samo oddziaływanie słabe, które powoduje rozpad kaonów, ma również wpływ na neutrony, więc dostatecznie czuła aparatura pomiarowa musi wykryć elektryczny moment dipolowy.

Oczekiwania, że symetria względem odwrócenia czasu musi zostać naruszona na jakimś poziomie, popchnęły eksperymentatorów na całym świecie do poszukiwań maleńkich dipoli elektrycznych, nie tylko w neutronach, lecz również w atomach i cząsteczkach. Obecni faworyci to rtęć i fluorek talu. Doświadczenia z cząsteczkami wydają się znacznie bardziej obiecujące niż eksperymenty z jądrami atomowymi i powinny wkrótce pozwolić fizykom wyjaśnić kwestię naruszenia symetrii względem T. Grupa z Uniwersytetu Yale ma nadzieję wykryć dipole o rozmiarach zaledwie 10-28 cm, wykorzystując do tego nietypową cząsteczkę - fluorek iterbowy (YbF).

Pozytywny rezultat eksperymentów z dipolami oznaczałby, że cząstki elementarne - neutrony, z których składa się zwykła materia - mają wewnętrzne poczucie kierunku upływu czasu. Wynikałoby z tego, że materia we Wszechświecie posiada poczucie kierunku biegu czasu - efekt jest nieznaczny, lecz mimo to istotny. Przyszłość i przeszłość byłyby odciśnięte w strukturze materii na bardzo podstawowym poziomie.

SCEPTYK: To naprawdę zadziwiające! Przeszłość i przyszłość we Wszechświecie wiążą się z początkiem i końcem. Jak to możliwe, że takie malutkie kaony lub neutrony wiedzą o Wielkim Wybuchu i początku kosmosu? Przecież w czasie nie ma kierunkowskazu "Do Wielkiego Wybuchu w tę stronę", nieprawdaż?

Taki drogowskaz właśnie istnieje. Rozszerzanie się Wszechświata określa kierunek czasowy: od Wielkiego Wybuchu w stronę przyszłości.

SCEPTYK: Czy znaczy to, że kaony są w jakimś sensie dostrojone do kosmosu i potrafią "wyczuć" ekspansję Wszechświata? Oznaczałoby to, że skromne cząstki elementarne są nadzwyczaj inteligentne.

Istotnie. Taką hipotezę przedstawił w 1970 roku fizyk Yuval Ne'eman, który tworzył między innymi podstawy teorii kwarków. Twierdził, że kierunek czasu odczuwany przez kaony jest bezpośrednio związany z ruchem kosmologicznym. Dlatego gdyby Wszechświat się kurczył, a nie rozszerzał, czasowa asymetria miałaby przeciwny kierunek, a "materia we Wszechświecie kurczącym się jest identyczna jak antymateria we Wszechświecie rozszerzającym się".

SCEPTYK: Ale w jaki sposób kaon lub jakakolwiek inna cząstka elementarna może wiedzieć, co dzieje się z Wszechświatem?

Za sprawą grawitacji. To teoria grawitacji Einsteina przyniosła możliwość ekspansji Wszechświata. Niewykluczone, że istnieje jakiś niezrozumiały dotąd aspekt grawitacji, związany z naruszeniem symetrii względem T. Przecież w końcu grawitacja daje jeden z bardziej widocznych przykładów strzałki czasu - czarne dziury. Można wpaść do nich, ale nie sposób się z nich wydostać. Podobnie sam proces tworzenia się czarnych dziur w wyniku kolapsu grawitacyjnego gwiazd jest procesem nieodwracalnym. Niestety, w tej kwestii nie ma zgodności wśród ekspertów. W 1974 roku Stephen Hawking zyskał sławę dzięki odkryciu, że czarne dziury nie są wcale czarne, lecz świecą promieniowaniem kwantowym. Nieduże czarne dziury bardzo się rozgrzewają, aż w końcu wyparowują przez uwolnienie energii w wybuchu. Dokładne analizy matematyczne wykazały, że czarna dziura działa jak doskonała maszyna losująca: jeśli wpada do niej uporządkowana materia, to jej energia opuszczająca dziurę jest całkowicie wymieszana - ma postać nieuporządkowanego promieniowania o zupełnie przypadkowych fazach. (Znów pojawiają się przypadkowe fazy).

Efekt Hawkinga wprowadzał unikatową strzałkę czasu: od porządku ku chaosowi, właśnie dzięki czarnym dziurom. Jednak sam Hawking miał na ten temat inne zdanie. Krótko po tym, gdy termin "czarne dziury" stał się modny, zaczęto mówić o białych dziurach. Cóż to są białe dziury? Są to czarne dziury odwrócone w czasie. Zamiast pożerać materię z lwim apetytem, wyrzucają wszystko z siebie. Nie stwierdzono jednak ich istnienia, a większość naukowców odrzuca tę hipotezę, podobnie jak inne podstępne teorie zakładające odwrócenie kierunku czasu. Mimo to Hawking uważał, że jeśli czarne dziury emitują promieniowanie, to wyglądają bardziej jak białe dziury. Biała dziura, zamknięta w pomieszczeniu w stanie równowagi termodynamicznej, jest zupełnie nieodróżnialna od czarnej dziury. Tym intrygującym przypuszczeniom przeciwstawiał się Roger Penrose, który twierdził, że białe dziury różnią się bardzo od czarnych dziur. W połowie lat siedemdziesiątych Hawking i Penrose spierali się na ten temat podczas ciekawych spotkań publicznych.

Penrose uważa, że kluczem do kwestii strzałki czasu jest grawitacja i że w przypadku czasu istnieje pewne fundamentalne skrzywienie związane z polami grawitacyjnymi. Na pewno dzieje się tak, gdy pola te znajdują się w sąsiedztwie osobliwości czasoprzestrzennych, takich jak środki czarnych (i białych) dziur oraz Wielki Wybuch (i Wielki Kolaps). Penrose przyznaje, że nie zna powodu tej asymetrii, lecz przypuszcza, iż jest ona w jakiś sposób związana z naruszeniem symetrii względem T przez kaony.

SCEPTYK: Czy to znaczy, że strzałka czasu odwróci się, jeśli Wszechświat zacznie się kurczyć?

To interesujące pytanie. Zachęcam do dalszej lektury.

Paul Davies
Przełożył Leszek Kallas

[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