Эти частицы нарушают закон! [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой.
[музыка] Большинство процессов нашей вселенной обратимого времени, то есть физические законы одинаковы, работают в обоих направлениях. Поэтому нельзя понять, что тут нормальное видео, ну а что перемотка назад. Обычно про энтропию говорят как про единственное исключение из правил. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия системы или количество беспорядка со временем может только расти.
Но растущая энтропия — это emerging на и свойства результат движения большого количества частиц. Возникает вопрос: существует ли для них направление времени? Другими словами, есть ли такой процесс на уровне элементарных частиц, которые в обоих направлениях выглядят не одинаково?
Как ни странно, оказывается, что есть. Физики частиц существуют три фундаментальных типа симметрии: заряда, пространства и времени. Симметрия времени подразумевает, что любые взаимодействия прекрасно работают в любом направлении. Симметрия заряда говорит о том, что при взаимодействиях неважно, где плюс, где минус: ничего особенного в так называемом положительном заряде нет. Он равен и противоположен отрицательному, не более.
Симметрия четности означает, что среди физических законов нет левшей и правшей. Чтобы было понятнее, представьте, что ко вселенной поднесли гигантское зеркало, в нем оси Z смотрит в обратную сторону, а моя правая рука становится на левый. Но что до этого законам физики, аминь, в зеркальном мире они должны работать также, как и в нашем, вне зависимости от того, где левая рука, а где правая.
Под другими словами, по идее невозможно экспериментально доказать, что вы находитесь не в зазеркалье. Симметрии называют по первым буквам английских названий: CPT. В начале пятидесятых считалось, что им подчиняются все фундаментальные частицы, но в пятьдесят шестом году в своей статье отметили, что симметрия четности не проверялась в экспериментах со слабым взаимодействием.
Пояс в том же году для Сион Вал привода ваша я физику в Колумбийском университете планировала рождественский отпуск со своим мужем, который, кстати, тоже физик. Но и так увлекла идея о возможном нарушении симметрии четности, что она решила отложить отпуск и провести эксперимент. Команда специалистов по низким температура помогла ей охладить атомы кобальта-60 до 13000 градусов выше абсолютного нуля.
До их поместили в сильное магнитное поле, чтобы их спины были, так сказать, направлены в одну сторону. Кобальт-60 радиоактивен: он распадается за счёт слабого взаимодействия, выпуская бета-частиц, то есть электрон. Ученые наблюдали, в каком направлении относительно спины ядра кобальта вылетали эти электроны, чтобы понять, как этот процесс должен выглядеть при соблюдении симметрии четности.
Поднесем к нему зеркало: в отражении оси Z, о зеркале на, а направление спины ядра? Нет. Топить в зеркале? Вращении по часовой стрелке сохраняет свое направление.
А это значит, и там спины ядер будут обращены в ту же сторону. Эксперимент в зеркале по сути — это тот же самый эксперимент, когда ядро кобальта-60 распадается. Выпущенный электрон может полететь, скажем, вперед или назад. Если симметрия четности соблюдается, вероятность и того, и другого варианта одинаково.
А зеркальный эксперимент покажет тот же результат, что и реальный. Однако, если электроны летят преимущественно в одном направлении вдоль оси Z по возрастанию, то в отражении они полетят по возрастанию. Отраженный электрон, в оси Z, оказывается, то есть в противоположном направлении от обычных частиц.
Обычный электрон движется назад относительно вращающихся по часовой стрелке, с отраженным полетит туда, куда они смотрят. Но это же какой-то бред получается: можно определить, находитесь в зазеркалье или нет, как волчок из фильма "Начало". Если электроны из ядра кобальта летят в одну сторону, ты в отражении, а если в другую — то в реальности.
Звучит довольно дико, но именно это увидели во время эксперимента: в одну сторону электронов летела больше, чем в другую. И не просто больше, почти все электроны летели против направления. Слабое взаимодействие нарушает симметрию пространственной четности практически настолько, насколько это возможно. Эксперимент разрушил один из принципов, на котором физика опиралась десятилетиями.
Каким-то образом вселенная все-таки знает, где лево, а где право. Результаты эксперимента потрясли все научное сообщество. Известный физик и нобелевский лауреат Вольфганг Паули, услышав про опыт, назвал его полнейшей чепухой и настаивал, что результат — ошибка.
Когда результат эксперимента удалось воспроизвести, физикам-теоретикам пришлось признать, что наша вселенная устроена не совсем так, как им казалось. Нобелевскую премию за открытие не сохранения четности вручили в 1957 году, то есть в год публикации результатов опыта.
Это открытие заставило физиков переосмыслить многое, но они не стали горячиться и выбрасывать все, что до этого знали, а просто сделали уточнение: может, не так уж и страшно, что слабое взаимодействие нарушает четность. Это не какой-то отдельный принцип симметрии, вместе с симметрией заряда они формируют комбинированную четность.
Таким образом, если наше зеркало не только отражает оси, но и меняет все частицы на античастицы с противоположными зарядами, то никакого нарушения симметрии не происходит, и математика физических законов будет работать. Это немного успокоило физиков, пока в 1964 году не выяснилось, что некоторые частицы могут нарушать даже комбинированную четность.
И тут бац! Гоча, еще одна нобелевка. Так были нарушены два принципа, которые физики считали фундаментальными законами природы. Сам пришлось отступить к последнему теоретическому рубежу под названием CPT инвариантность, где, да ладно, решили физики: в слабых взаимодействиях нарушается симметрия четности и заряда.
Но ведь не симметрия заряда, четности и времени. И по сей день ученые считают CPT инвариантность действующим законом вселенной, по крайней мере, пока ни один эксперимент его не нарушил. Если это все-таки произойдет, то нам придется переписать множество работ 20 века, потому что специальная теория относительности и квантовой теории поля окажется ошибкой.
Хорошо, допустим, с инвариантностью все будет в порядке. Тогда остается небольшая проблема: если две симметрии по отдельности нарушаются, а все три уже нет, то время не должно быть исключением. Не получится сохранить общую инвариантность, если только 2 из 3 частей сам можно нарушить.
Физики провели эксперимент, который показал, что некоторые частицы напрямую нарушают временную симметрию. Например, вот два кварка, связанных сильным взаимодействием, но могут находиться в двух разных положениях и даже переходить из одного в другое благодаря слабому взаимодействию.
Но переход в одну сторону происходит дольше, чем обратно. Если бы мы записали этот процесс на видео, то на обратной перемотке он выглядел бы не так, как при обычном просмотре. Так и выглядит нарушение симметрии: получается, что для некоторых частиц есть разница, двигаться во времени вперед или назад.
Второй закон термодинамики не единственный физический процесс, для которого направление времени играет роль. Выходит, из-за этого нам и кажется, что время идет только вперед. Времени вообще есть направление. По правде говоря, мы до сих пор не знаем ответа, почему время течет в одну сторону.
На раньше физики считали зарядовую, учётность и временную симметрию нерушимыми законами, но результаты экспериментов пошли против каждого из них. Возможно, CPT инвариантность тоже падет, прихватив с собой квантовую теорию поля и специальную теорию относительности. Это одна из многих нерешенных фундаментальных объем на нашем пути к пониманию вселенной.
Возможно, кто-нибудь из ученых пожертвует своим отпуском, чтобы с ней разобраться. Переведено и озвучено студией "Вверх Дайвер".