Varför verkar tiden då röra sig i en riktning?
Ett av de möjliga svaren kan också avslöja den saknade massans hemligheter. Några av fakta i vår erfarenhet är lika uppenbara och utbredda som skillnaden mellan förflutna och framtiden. Vi minns en sak, men vi förväntar oss en annan. Om du kör filmen i motsatt riktning kommer den inte att vara realistisk. Vi säger "tidens pil", vilket betyder vägen från det förflutna till framtiden.
Man kan anta att existensen av tidens pil är inbyggd i fysikens grundläggande lagar. Men det motsatta är också sant. Om du gjorde en film om subatomära händelser skulle du upptäcka att dess tidsåterförda version ser ganska rimlig ut. Mer exakt kommer fysiska grundläggande lagar - med undantag för små exotiska undantag, till vilka vi kommer tillbaka - att fungera oavsett om vi vrider tidsspaken framåt eller bakåt. Mot bakgrund av fysikens grundläggande lagar är tidens pil reversibel.
Logiskt måste en transformation som vänder tidens riktning också ändra grundläggande lagar. Sunt förnuft dikterar vad som borde. Men det förändras inte. Fysiker använder en bekväm akronym för att beskriva detta faktum. De kallar transformationen som vänder tidens pil, helt enkelt T, från tiden vändning. Och att T inte ändrar grundläggande lagar kallas "T-invarians" eller "T-symmetri".
Daglig upplevelse bryter mot T-invarians, medan grundläggande lagar respekterar den. Denna bländande avvikelse väcker svåra frågor. Hur lyckas den verkliga världen, vars grundläggande lagar respekterar T-symmetri, se så asymmetrisk ut? Är det möjligt att vi en dag kommer att hitta varelser som lever i motsatt tidrytme - som blir yngre när vi blir äldre? Kan vi genom någon fysisk process vända vår egen tidspil?
Det här är intressanta frågor, och vi kommer tillbaka till dem senare. I den här artikeln beslutade Frank Wilczek, en teoretisk fysiker vid Massachusetts Institute of Technology och en Nobelpristagare, att täcka en annan fråga. Det uppstår när du börjar i andra änden, inom ramen för en delad upplevelse. Gåta är det här?
Varför har grundläggande lagar denna problematiska och konstiga egenskap, T-invarians?
Svaret som kan erbjudas idag är jämförbart djupare och mer komplexa än vad vi kunde erbjuda för 50 år sedan. Dagens förståelse har framkommit från det lysande samspelet mellan experimentell upptäckt och teoretisk analys, som har vunnit flera nobelpriser. Men vårt svar saknar några element. Sökning efter dem kan leda till en oväntad belöning: definitionen av kosmologisk "mörk materia".
Kampanjvideo:
T-invarians modern historia började 1956. Det året ifrågasatte T. D. Lee och C. N. Young ett annat men relaterat inslag i fysisk lag som tidigare hade tagits för givet. Lee och Young stördes inte av T själv, utan av dess rumsliga motsvarighet, paritetsomvandlingen av P. Medan T handlar om att titta på filmer som går tillbaka i tiden, inkluderar P att titta på filmer reflekterade i en spegel. P-invarians är hypotesen att händelserna du ser i reflekterade filmer följer samma lagar som i originalen. Lee och Young identifierade indirekta inkonsekvenser i denna hypotes och föreslog ett viktigt experiment för att testa dem. Experiment under flera månader har visat att P-invarians kränks i många fall. (P-invarians bevaras för gravitationella, elektromagnetiska och starka interaktioner,men generellt kränks för svaga interaktioner).
Dessa dramatiska händelser kring P- (icke) invarians har fått fysiker att tänka på T-invarians, ett relaterat antagande som också en gång var givet för givet. T-invarianshypotesen har emellertid genomgått rigorösa tester i flera år. Det var först 1964 som en grupp under ledning av James Cronin och Valentina Fitch upptäckte en märklig, subtil effekt i förfall av K-mesons, vilket strider mot T-invariansen.
Visdomen i John Mitchells förståelse - att "du vet inte vad du har förrän den är borta" har bevisats efteråt.
Om vi, som små barn, fortsätter att fråga "varför?" Kommer vi att få djupare svar under en stund, men så småningom kommer vi att träffa rock när vi kommer till en sanning som vi inte kan förklara enklare. Just nu förklarar vi seger: "Allt är som det är." Men om vi senare hittar undantag från vår antagna sanning, kommer detta svar inte längre att tillfredsställa oss. Vi måste gå vidare.
Så länge T-invarians är en universell sanning är det inte klart hur användbar vår fråga i början kommer att vara. Varför var universum T-invariant? Bara för att. Men efter Cronin och Fitch kan T-invariance-pusslet helt enkelt inte ignoreras.
Många teoretiska fysiker har mött det irriterande problemet att förstå hur T-invarians kan vara extremt korrekt, men inte riktigt. Och här kom Makoto Kobayashis och Toshihide Maskawas arbete till nytta. 1973 föreslog de att den ungefärliga T-invariansen är en oavsiktlig följd av andra, djupare principer.
Tiden har gått. Inte länge innan drogs konturerna av den moderna standardmodellen för elementär partikelfysik och med dem en ny nivå av öppenhet i grundläggande interaktioner. År 1973 fanns ett kraftfullt - och empiriskt framgångsrikt - teoretiskt ramverk baserat på flera "heliga principer". Dessa är relativitet, kvantmekanik och en matematisk regel för enhetlighet som kallas mätsymmetri.
Men att få alla dessa idéer att arbeta tillsammans visade sig vara svårt. Tillsammans begränsar de avsevärt möjligheterna till grundläggande interaktioner.
Kobayashi och Maskawa gjorde i två korta stycken två saker. Först visade de att om vi begränsar fysiken till de då kända partiklarna (till exempel om det bara fanns två familjer med kvarkar och leptoner), så följer alla interaktioner som tillåts enligt heliga principer också T-invarians. Om Cronin och Fitch aldrig hade gjort sin upptäckt, skulle detta inte vara fallet. Men de gjorde det, och Kobayashi och Maskawa gick ännu längre. De visade att om vi introducerar en speciell uppsättning nya partiklar (den tredje familjen), kommer dessa partiklar att leda till nya interaktioner, vilket leder till kränkningar av T-invarians. Vid första anblicken exakt vad läkaren beställde.
Under åren som följde var deras lysande exempel på detektivarbete fullständigt motiverad. De nya partiklarna som Kobayashi och Maskawa medgav att existerade upptäcktes och deras interaktioner visade sig vara exakt vad de borde ha varit.
Uppmärksamhet, fråga. Är dessa heliga principer verkligen heliga? Självklart inte. Om experiment leder forskare att komplettera dessa principer kommer de säkert att komplettera. För närvarande ser heliga principer ganska jävla bra ut. Och de var fruktbara nog att ta dem på allvar.
Hittills har det varit en triumfhistoria. Frågan som vi ställde i början, ett av de svåraste pussel om hur världen fungerar, fick ett delvis svar: djupt, vackert, fruktbart.
Några år efter Kobayashis och Maskawas arbete upptäckte Gerard t'Hooft ett kryphål i deras förklaring av T-invarians. Heliga principer tillåter en ytterligare typ av interaktion. Den möjliga nya interaktionen är ganska subtil och t'Hoofts upptäckt kom som en överraskning för de flesta teoretiska fysiker.
Den nya interaktionen, om den finns med betydande styrka, skulle kränka T-invariansen i mycket tydligare grad än effekten som upptäckts av Cronin, Fitch och deras kollegor. I synnerhet skulle det tillåta neutronens rotation att generera ett elektriskt fält, utöver det magnetiska fältet det kan inducera. (Magnetfältet för en snurrande neutron är analogt med vad vår snurrande jord producerar, om än i en helt annan skala.) Experimentörer har sökt hårt efter sådana elektriska fält, men deras sökning har inte gett några resultat.
Det är som om naturen inte vill använda t'Hofts kryphål. Naturligtvis är det hennes rätt, men denna rätt väcker vår fråga: varför följer naturen T-invarians så noggrant?
Flera förklaringar har erbjudits, men bara en har stått tidens prov. Den centrala idén tillhör Roberto Pezzie och Helen Quinn. Deras förslag, som Kobayashi och Maskawa, innebär att utvidga standardmodellen på ett speciellt sätt. Till exempel genom ett neutraliserande fält vars beteende är särskilt känsligt för den nya t'Hooft-interaktionen. Om en ny interaktion är närvarande justerar det neutraliserande fältet sin egen storlek för att kompensera för påverkan av denna interaktion. (Denna avstämningsprocess liknar vanligtvis hur negativt laddade elektroner i fasta ämnen samlas runt positivt laddade föroreningar och skyddar deras inflytande.) Ett sådant neutraliserande fält, visar det sig, stänger vårt kryphål.
Pezzie och Quinn har glömt de viktiga testbara konsekvenserna av deras idé. Partiklarna som produceras av deras neutraliserande fält - dess kvanta - måste ha anmärkningsvärda egenskaper. Eftersom de glömde bort sina partiklar, gav de inte heller namnet på dem. Detta tillät mig att uppfylla min barndomsdröm.
Några år tidigare hade jag sett en färgad låda i en stormarknad som heter Axion. Det verkade för mig att "axionen" låter som en partikel och det verkar vara. Så när jag upptäckte en ny partikel som "rensar upp" problemet med ett "axiellt" flöde kände jag att jag hade en chans. (Jag fick snart veta att Steven Weinberg också upptäckte denna partikel, oberoende. Han kallade den Higglet. Lyckligtvis gick han med på att släppa namnet.) Således började det episka, vars slutsats bara återstår att skriva.
I Chronicles of the Particle Data Group hittar du flera sidor som täcker dussintals experiment som beskriver misslyckade sökningar efter axionen. Men det finns fortfarande orsaker till optimism.
Axionteori förutspår i allmänna termer att axioner bör vara mycket lätta, mycket långlivade partiklar som samverkar svagt med vanligt ämne. Men för att jämföra teori och experiment måste du lita på siffror. Och här står vi inför tvetydighet, eftersom den befintliga teorin inte fastställer axionmassans värde. Om vi visste axionens massa, skulle vi förutsäga resten av dess egenskaper. Men själva massan kan ligga inom ett stort antal värden. (Samma problem var med den charmade kvarken, Higgs-partikel, toppkvark och några andra. Innan upptäckten av vart och ett av dessa partiklar förutspådde teorin alla deras egenskaper, med undantag för massvärdet). Det visade sig att axionens interaktionskraft är proportionell mot dess massa. Då värdet på massan på axionen minskar blir det mer och mer svårfångat.
Tidigare har fysiker fokuserat på modeller där axionen är nära besläktad med Higgs-partikeln. Det antogs att axionens massa skulle vara i storleksordningen 10 keV - en femtio av massan hos en elektron. De flesta av de experiment som vi talade om tidigare letade efter en axion av just en sådan plan. För närvarande kan vi vara säkra på att sådana axioner inte finns.
Mörk materia
Och därför uppmärksammades de mycket mindre värdena på axionmassorna, som inte utesluts experimentellt. Axioner av detta slag förekommer ganska naturligt i modeller som kombinerar interaktioner i standardmodellen. De förekommer också i strängteori.
Vi beräknade att axioner borde ha producerats i överflöd under de tidiga ögonblicken av Big Bang. Om det finns alls axioner, fyller axionsvätskan universum. Ursprunget för axionsfluidum liknar ungefär ursprunget till den berömda kosmiska mikrovågsbakgrunden, men det finns tre stora skillnader mellan de två. Först observeras mikrovågsbakgrunden och axionsvätskan förblir rent hypotetisk. För det andra, eftersom axioner har massa, påverkar deras vätska universums totala massdensitet. I grund och botten beräknade vi att deras massa grovt skulle motsvara den massa som astronomer har bestämt bakom mörk materia! För det tredje, eftersom axioner samverkar så svagt, borde de vara svårare att observera än CMB-fotoner.
Den experimentella sökningen efter axioner fortsätter på flera fronter. Två av de mest lovande experimenten syftar till att hitta axionsvätska. En av dem, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), använder speciella superskänsliga antenner för att konvertera bakgrundsaxioner till elektromagnetiska pulser. En annan, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), letar efter små fluktuationer i rörelsen hos kärnspinn som kan orsakas av axionsfluid. Dessutom lovar dessa sofistikerade experiment att täcka nästan hela utbudet av möjliga axionsmassor.
Finns axioner? Vi vet inte ännu. Deras existens skulle få en dramatisk och tillfredsställande slutsats till historien om den reversibla pilens tid och kanske också lösa mysteriet med mörk materia i köpet. Spelet startade.
Frank Wilczek, baserad på Quanta Magazine
