Waarom lijkt de tijd dan maar in één richting te bewegen?
Een van de mogelijke antwoorden kan ook de geheimen van de ontbrekende massa onthullen. Sommige feiten van onze ervaring zijn even duidelijk en wijdverbreid als het verschil tussen het verleden en de toekomst. We herinneren ons een ding, maar we verwachten een ander. Als u de film in de tegenovergestelde richting laat draaien, zal deze niet realistisch zijn. We zeggen "pijl van de tijd", wat het pad van het verleden naar de toekomst betekent.
Men zou kunnen aannemen dat het bestaan van de pijl van de tijd is ingebouwd in de fundamentele wetten van de fysica. Maar het tegendeel is ook waar. Als je een film zou maken over subatomaire gebeurtenissen, zou je merken dat de in de tijd omgekeerde versie er redelijk uitziet. Om precies te zijn, de fundamentele wetten van de fysica - met uitzondering van kleine exotische uitzonderingen, waarnaar we zullen terugkeren - zullen werken ongeacht of we de hefboom van de tijd vooruit of achteruit draaien. Tegen de achtergrond van de fundamentele natuurwetten is de pijl van de tijd omkeerbaar.
Logischerwijs moet een transformatie die de richting van de tijd omkeert ook fundamentele wetten veranderen. Gezond verstand bepaalt wat er moet gebeuren. Maar het verandert niet. Natuurkundigen gebruiken een handig acroniem om dit feit te beschrijven. Ze noemen de transformatie die de pijl van tijd omkeert, simpelweg T, van tijdomkering. En het feit dat T de fundamentele wetten niet verandert, wordt "T-invariantie" of "T-symmetrie" genoemd.
Alledaagse ervaringen zijn in strijd met de T-invariantie, terwijl fundamentele wetten deze respecteren. Deze flagrante discrepantie roept moeilijke vragen op. Hoe ziet de echte wereld, wiens fundamentele wetten de T-symmetrie respecteren, er zo asymmetrisch uit? Is het mogelijk dat we op een dag wezens zullen vinden die in het tegenovergestelde ritme van de tijd leven - die jonger worden naarmate we ouder worden? Kunnen we door een of ander fysiek proces onze eigen tijdpijl omkeren?
Dit zijn interessante vragen, waar we later op terugkomen. In dit artikel besloot Frank Wilczek, een theoretisch fysicus aan het Massachusetts Institute of Technology en een Nobelprijswinnaar, een ander onderwerp te behandelen. Het ontstaat wanneer je aan de andere kant begint, in het kader van een gedeelde ervaring. Het raadsel is dit?
Waarom hebben fundamentele wetten deze problematische en vreemde eigenschap, T-invariantie?
Het antwoord dat vandaag kan worden geboden, is onvergelijkbaar dieper en complexer dan wat we 50 jaar geleden konden bieden. Het begrip van vandaag is voortgekomen uit het briljante samenspel van experimentele ontdekking en theoretische analyse, die verschillende Nobelprijzen hebben gewonnen. Maar ons antwoord mist enkele elementen. Het zoeken naar hen kan ons leiden tot een onverwachte beloning: de definitie van kosmologische "donkere materie".
Promotie video:
De moderne geschiedenis van T-invariantie begon in 1956. Dat jaar trokken T. D. Lee en C. N. Young een ander, maar gerelateerd kenmerk van de natuurwet in twijfel dat voorheen als vanzelfsprekend werd beschouwd. Lee en Young hadden geen last van T zelf, maar van zijn ruimtelijke tegenhanger, de pariteitstransformatie van P. Terwijl T gaat om het kijken naar films die teruggaan in de tijd, omvat P het bekijken van films die in een spiegel worden weerspiegeld. P-invariantie is de hypothese dat de gebeurtenissen die u in gereflecteerde films ziet, aan dezelfde wetten voldoen als in de originelen. Lee en Young identificeerden indirecte inconsistenties in deze hypothese en stelden een belangrijk experiment voor om ze te testen. Experimenten van meerdere maanden hebben aangetoond dat P-invariantie in veel gevallen wordt geschonden. (P-invariantie blijft behouden voor gravitationele, elektromagnetische en sterke interacties,maar over het algemeen geschonden vanwege zwakke interacties).
Deze dramatische gebeurtenissen rond P- (in) -invariantie hebben ertoe geleid dat natuurkundigen nadenken over T-invariantie, een gerelateerde veronderstelling die ooit ook als vanzelfsprekend werd beschouwd. De T-invariantiehypothese is echter gedurende meerdere jaren grondig getest. Pas in 1964 ontdekte een groep onder leiding van James Cronin en Valentina Fitch een eigenaardig, subtiel effect in het verval van K-mesonen, dat in strijd is met T-invariantie.
De wijsheid van John Mitchell's begrip - dat "je niet weet wat je hebt totdat het weg is" - is achteraf bewezen.
Als we, net als kleine kinderen, blijven vragen "waarom?", Zullen we een tijdje diepere antwoorden krijgen, maar uiteindelijk zullen we een dieptepunt bereiken als we tot een waarheid komen die we niet eenvoudiger kunnen verklaren. Op dit moment verklaren we de overwinning: "Alles is zoals het is." Maar als we later uitzonderingen op onze veronderstelde waarheid vinden, zal dit antwoord ons niet langer tevredenstellen. We moeten verder.
Zolang T-invariantie een universele waarheid is, is het niet duidelijk hoe nuttig onze vraag in het begin zal zijn. Waarom was het universum T-invariant? Daarom. Maar na Cronin en Fitch kan de T-invariantie-puzzel gewoon niet worden genegeerd.
Veel theoretisch natuurkundigen hebben te maken gehad met het vervelende probleem om te begrijpen hoe T-invariantie extreem nauwkeurig kan zijn, maar niet helemaal. En hier kwam het werk van Makoto Kobayashi en Toshihide Maskawa goed van pas. In 1973 suggereerden ze dat de geschatte T-invariantie een toevallig gevolg is van andere, diepere principes.
Er is tijd voorbij gegaan. Niet lang daarvoor werden de contouren van het moderne standaardmodel van elementaire deeltjesfysica getekend, en daarmee een nieuw niveau van transparantie van fundamentele interacties. In 1973 was er een krachtig - en empirisch succesvol - theoretisch raamwerk gebaseerd op verschillende 'heilige principes'. Dit zijn relativiteitstheorie, kwantummechanica en een wiskundige regel van uniformiteit die ijksymmetrie wordt genoemd.
Maar het bleek moeilijk om al deze ideeën samen te laten werken. Samen beperken ze de mogelijkheden voor basisinteracties aanzienlijk.
Kobayashi en Maskawa deden in twee korte alinea's twee dingen. Ten eerste toonden ze aan dat als we de fysica beperken tot de toen bekende deeltjes (bijvoorbeeld als er maar twee families van quarks en leptonen waren), alle interacties die door heilige principes zijn toegestaan, ook de T-invariantie volgen. Als Cronin en Fitch hun ontdekking nooit hadden gedaan, zou dit niet het geval zijn. Maar dat deden ze, en Kobayashi en Maskawa gingen zelfs nog verder. Ze toonden aan dat als we een speciale set nieuwe deeltjes introduceren (de derde familie), deze deeltjes zullen leiden tot nieuwe interacties, wat leidt tot schendingen van de T-invariantie. Op het eerste gezicht precies wat de dokter heeft besteld.
In de jaren die volgden was hun briljante voorbeeld van speurwerk volledig gerechtvaardigd. De nieuwe deeltjes waarvan Kobayashi en Maskawa toegaven dat ze bestonden, werden ontdekt en hun interacties bleken precies te zijn wat ze hadden moeten zijn.
Opgelet, vraag. Zijn deze heilige principes echt heilig? Natuurlijk niet. Als experimenten ertoe leiden dat wetenschappers deze principes aanvullen, zullen ze zeker een aanvulling zijn. Op dit moment zien heilige principes er verdomd goed uit. En ze waren vruchtbaar genoeg om ze serieus te nemen.
Tot nu toe was het een triomfantelijk verhaal. De vraag die we in het begin stelden, een van de moeilijkste puzzels over hoe de wereld werkt, kreeg een gedeeltelijk antwoord: diep, mooi, vruchtbaar.
Een paar jaar na het werk van Kobayashi en Maskawa ontdekte Gerard t'Hooft een maas in de wet in hun verklaring van T-invariantie. Heilige principes laten een extra soort interactie toe. De mogelijke nieuwe interactie is vrij subtiel, en de ontdekking van t'Hooft kwam als een verrassing voor de meeste theoretisch fysici.
De nieuwe interactie, indien aanwezig met aanzienlijke kracht, zou de T-invariantie veel duidelijker schenden dan het effect dat werd ontdekt door Cronin, Fitch en hun collega's. In het bijzonder zou het de rotatie van het neutron mogelijk maken om een elektrisch veld te genereren, naast het magnetische veld dat het kan opwekken. (Het magnetische veld van een draaiend neutron is analoog aan wat onze draaiende aarde produceert, zij het op een totaal andere schaal.) Experimenten hebben hard gezocht naar dergelijke elektrische velden, maar hun zoektocht heeft geen resultaten opgeleverd.
Het is alsof de natuur geen gebruik wil maken van de maas in de wet van t'Hooft. Dit is natuurlijk haar gelijk, maar dit recht roept opnieuw onze vraag op: waarom volgt de natuur de T-invariantie zo zorgvuldig?
Er zijn verschillende verklaringen gegeven, maar er is er maar één die de tand des tijds heeft doorstaan. Het centrale idee is van Roberto Pezzie en Helen Quinn. Hun voorstel omvat, net als dat van Kobayashi en Maskawa, een bijzondere uitbreiding van het standaardmodel. Bijvoorbeeld via een neutraliserend veld waarvan het gedrag bijzonder gevoelig is voor de nieuwe t'Hooft-interactie. Als er een nieuwe interactie aanwezig is, past het neutraliserende veld zijn eigen grootte aan om de invloed van deze interactie te compenseren. (Dit afstemmingsproces is over het algemeen vergelijkbaar met hoe negatief geladen elektronen in vaste stoffen zich verzamelen rond positief geladen onzuiverheden en hun invloed afschermen.) Zo'n neutraliserend veld, zo blijkt, sluit onze maas in de wet.
Pezzie en Quinn zijn de belangrijke toetsbare implicaties van hun idee vergeten. De deeltjes geproduceerd door hun neutraliserende veld - zijn quanta - moeten opmerkelijke eigenschappen hebben. Omdat ze hun deeltjes vergaten, noemden ze ze ook niet. Hierdoor kon ik mijn kinderdroom vervullen.
Een paar jaar eerder had ik in een supermarkt Axion een felgekleurde doos gezien. Het leek me dat het "axion" klinkt als een deeltje en dat lijkt het ook te zijn. Dus toen ik een nieuw deeltje ontdekte dat het probleem "opruimt" met een "axiale" stroom, had ik het gevoel dat ik een kans had. (Ik kwam er al snel achter dat Steven Weinberg dit deeltje ook onafhankelijk ontdekte. Hij noemde het de Higglet. Gelukkig stemde hij ermee in die naam te laten vallen.) Zo begon het epos, waarvan de conclusie alleen nog moet worden geschreven.
In de Chronicles of the Particle Data Group vind je verschillende pagina's met tientallen experimenten die onsuccesvolle zoekopdrachten naar het axion beschrijven. Maar er zijn nog steeds redenen voor optimisme.
De Axion-theorie voorspelt, in algemene termen, dat axions zeer lichte, zeer langlevende deeltjes moeten zijn die een zwakke wisselwerking hebben met gewone materie. Maar om theorie en experiment te vergelijken, moet u op cijfers vertrouwen. En hier worden we geconfronteerd met ambiguïteit, omdat de bestaande theorie de waarde van de axionmassa niet vastlegt. Als we de massa van het axion kenden, zouden we de rest van zijn eigenschappen voorspellen. Maar de massa zelf kan een breed scala aan waarden hebben. (Hetzelfde probleem was met de gecharmeerde quark, het Higgs-deeltje, de top-quark en een paar andere. Voorafgaand aan de ontdekking van elk van deze deeltjes, voorspelde de theorie al hun eigenschappen behalve de massawaarde). Het bleek dat de kracht van interactie van de axion evenredig is met zijn massa. Daarom, naarmate de waarde van de massa van de axion afneemt, wordt deze steeds ongrijpbaarder.
In het verleden hebben fysici zich gericht op modellen waarin het axion nauw verwant is aan het Higgs-deeltje. Aangenomen werd dat de massa van het axion in de orde van 10 keV zou moeten zijn - een-vijftig van de massa van een elektron. De meeste experimenten waar we het eerder over hadden, zochten naar een axion van precies zo'n plan. Op dit moment kunnen we er zeker van zijn dat dergelijke axions niet bestaan.
Donkere materie
En daarom werd de aandacht gevestigd op veel kleinere waarden van de axionmassa's, die niet experimenteel werden uitgesloten. Axions van deze soort komen heel natuurlijk voor in modellen die interacties combineren in het standaardmodel. Ze komen ook voor in de snaartheorie.
We berekenden dat er tijdens de vroege momenten van de oerknal in overvloed axionen geproduceerd hadden moeten worden. Als er überhaupt axions bestaan, vult de axionvloeistof het heelal. De oorsprong van axionvloeistof lijkt ruwweg op de oorsprong van de beroemde kosmische microgolfachtergrond, maar er zijn drie grote verschillen tussen de twee. Eerst wordt de microgolfachtergrond waargenomen en blijft de axionvloeistof puur hypothetisch. Ten tweede, omdat axions massa hebben, beïnvloedt hun vloeistof de algehele massadichtheid van het universum. In feite hebben we berekend dat hun massa ongeveer overeenkomt met de massa die astronomen hebben bepaald achter donkere materie! Ten derde, omdat axions zo zwak samenwerken, zouden ze moeilijker te observeren moeten zijn dan CMB-fotonen.
De experimentele zoektocht naar axions gaat op verschillende fronten door. Twee van de meest veelbelovende experimenten zijn gericht op het vinden van axionvloeistof. Een van hen, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), gebruikt speciale supergevoelige antennes om achtergrondassen om te zetten in elektromagnetische pulsen. Een ander, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), zoekt naar kleine fluctuaties in de beweging van nucleaire spins die kunnen worden veroorzaakt door axionvloeistof. Bovendien beloven deze geavanceerde experimenten bijna het hele bereik van mogelijke axionmassa's te bestrijken.
Zijn er axions? We weten het nog niet. Hun bestaan zou een dramatische en bevredigende conclusie vormen voor de geschiedenis van de omkeerbare pijl van de tijd, en misschien ook het mysterie van donkere materie op een koopje oplossen. Het spel begon.
Frank Wilczek, gebaseerd op Quanta Magazine
