Законы физики работают как вперед, так и назад во времени

Почему тогда кажется, что время движется лишь в одном направлении?

Можно было бы предположить, что существование стрелы времени встроено в фундаментальные законы физики. Но верно и обратное. Если бы вы сняли фильм о субатомных событиях, вы бы обнаружили, что его обращенная во времени версия выглядит вполне разумно. Если более точно: фундаментальные законы физики — за исключением крошечных экзотических исключений, к которым мы еще вернемся — будут работать вне зависимости от того, поворачиваем мы рычаг времени вперед или назад. На фоне фундаментальных законов физики, стрела времени является обратимой.

Если следовать логике, преобразование, которое меняет направление времени, должно менять и фундаментальные законы. Здравый смысл подсказывает, что должно. Но не меняет. Физики используют удобное сокращение для описания этого факта. Они называют преобразование, которое обращает стрелу времени, просто T, от «time reversal». И относят тот факт, что T не меняет фундаментальные законы, к «Т-инвариантности» или«Т-симметрии».

Повседневный опыт нарушает Т-инвариантность, тогда как фундаментальные законы ее уважают. Это вопиющее несоответствие поднимает сложные вопросы. Каким образом реальный мир, фундаментальные законы которого уважают Т-симметрию, умудряется выглядеть таким асимметричным? Возможно ли такое, что однажды мы найдем существ, живущих в противоположном ритме времени — которые становятся моложе, когда мы становимся старше? Можем ли мы, с помощью некоего физического процесса, перевернуть нашу собственную стрелу времени?

Это интересные вопросы, и к ним мы еще вернемся. В этой статье Франк Вилчек, физик-теоретик Массачусетского технологического института, лауреат Нобелевской премии, решил осветить другой вопрос. Он возникает, если начинать с другого конца, в рамках общего опыта. Загадка вот в чем?

Почему фундаментальные законы имеют это проблемное и странное свойство, Т-инвариантность?

Ответ, который можно предложить сегодня, несравненно глубже и сложнее того, что мы могли предложить 50 лет назад. Сегодняшнее понимание возникло из блестящего взаимодействия экспериментального открытия и теоретического анализа, заслуживших несколько Нобелевских премий. Но в нашем ответе недостает некоторых элементов. Их поиск может привести нас к неожиданной награде: определению космологической «темной материи».

Современная история Т-инвариантности началась в 1956 году. В том году Т. Д. Ли и К. Н. Янг поставили под вопрос другую, но связанную особенность физического закона, которую до них принимали как должное. Ли и Янг не были обеспокоены самой Т, но ее пространственным аналогом, преобразованием четности P. В то время как Т включает просмотр фильмов, идущих назад во времени, P включает просмотр фильмов, отраженных в зеркале. P-инвариантность — это гипотеза о том, что события, которые вы видите в отраженных фильмах, подчиняются тем же законам, что и в оригиналах. Ли и Янг определили косвенные противоречия в этой гипотезе и предложили важный эксперимент для их проверки. За несколько месяцев эксперименты показали, что P-инвариантность нарушается во многих случаях. (P-инвариантность сохраняется для гравитационных, электромагнитных и сильных взаимодействий, но в целом нарушается для слабых взаимодействий).

Эти драматические события вокруг P- (не) инвариантности заставили физиков задуматься о Т-инвариантности, родственном допущении, которое тоже когда-то принималось за должное. Однако гипотеза Т-инвариантности пережила тщательную проверку в течение нескольких лет. И лишь в 1964 году группа под руководством Джеймса Кронина и Валентины Фитч обнаружила своеобразный, тонкий эффект в распадах К-мезонов, который нарушает Т-инвариантность.

Мудрость понимания Джона Митчелла — что «вы не знаете, что у вас есть, пока оно не уйдет» — была доказана впоследствии.

Если мы будем как маленькие дети продолжать спрашивать «почему?» мы некоторое время будем получать более глубокие ответы, но в конечном итоге достигнем дна, когда придем к истине, которую не сможем объяснить более просто. В этот момент мы объявляем победу:«Все так, как оно есть». Но если мы позже найдем исключения для нашей предполагаемой истины, этот ответ уже не будет нас удовлетворять. Мы должны двигаться дальше.

Пока Т-инвариантность будет универсальной истиной, непонятно, насколько наш вопрос, заданный в начале, будет полезен. Почему Вселенная была Т-инвариантна? Да просто так. Но после Кронина и Фитча загадку Т-инвариантности просто нельзя игнорировать.

Многие теоретические физики столкнулись с неприятной проблемой понимания того, как Т-инвариантность может быть чрезвычайно точной, но не совсем. И здесь пригодилась работа Макото Кобаяси и Тосихиде Маскава. В 1973 году они предположили, что приблизительная Т-инвариантность является случайным следствием других, более глубоких принципов.

Прошло время.