Симметрия, которой не существует: как частицы ломают время 0:00
Большинство физических процессов в нашей Вселенной обратимы во времени: законы природы работают одинаково как при прямом, так и при обратном течении событий. Долгое время единственным исключением считали второй закон термодинамики, согласно которому энтропия системы всегда возрастает. Однако энтропия — это лишь эмерджентное свойство множества частиц, что подталкивает физиков к вопросу: способны ли сами фундаментальные частицы «чувствовать» направление времени? Дерек Маллер из канала Veritasium объясняет, что ответ на этот вопрос оказался утвердительным, и физика микромира скрывает в себе фундаментальные нарушения симметрии, которые перевернули представления учёных о реальности.
Три столпа симметрии: C, P и T 0:46
В середине XX века физики опирались на три фундаментальные симметрии, которые, как считалось, обязаны соблюдаться для всех частиц:
- P (Parity, четность): законы физики индифферентны к «зеркальному отражению» — лево- или правосторонней ориентации мира.
- C (Charge, заряд): природа не делает различий между «положительным» и «отрицательным» зарядами; если поменять их местами, взаимодействие не изменится.
- T (Time, время): физические процессы должны выглядеть одинаково как при движении вперёд, так и назад во времени.
Учёные были убеждены, что Вселенная симметрична относительно этих преобразований. Но в 1956 году физики Ли и Янг предположили, что симметрия чётности (P) никогда не проверялась экспериментально для слабого ядерного взаимодействия.
Эксперимент Ву: как мир стал зеркально асимметричным 2:11
В том же 1956 году профессор физики Колумбийского университета Цзяньсюн Ву, вместо запланированного отпуска, решила провести решающий эксперимент. Вместе с командой специалистов по низким температурам она охладила атомы кобальта-60 до 0,003 градуса выше абсолютного нуля и с помощью сильного магнитного поля выстроила их спины в одном направлении.
Кобальт-60 распадается под действием слабого ядерного взаимодействия, испуская бета-частицу (электрон). Если бы симметрия чётности соблюдалась, электроны должны были бы вылетать в обоих направлениях с равной вероятностью. В зеркальной версии эксперимента спины ядер остались бы такими же, но если бы электроны летели в сторону, противоположную оригинальному направлению, это стало бы сигналом нарушения P-симметрии.
Результаты Ву оказались шокирующими: электроны испускались преимущественно в одном направлении, противоположном спину ядер. Это означало, что Вселенная «различает» лево и право, что разрушило десятилетия теоретических представлений. Известный физик Вольфганг Паули, услышав о результатах, назвал их «полной чепухой», однако независимые проверки подтвердили открытие, за которое в 1957 году была присуждена Нобелевская премия.
Попытки спасения: CP и «неприкосновенная» CPT 5:16
Чтобы спасти теорию, физики предложили компромисс: возможно, слабая сила нарушает четность, но сохраняет объединенную CP-симметрию (заряд + чётность). Идея заключалась в том, что если отразить мир в зеркале и одновременно заменить все частицы на античастицы, законы физики восстановят баланс.
Но в 1964 году выяснилось, что некоторые частицы нарушают и CP-симметрию. Учёные отступили к последнему рубежу — симметрии CPT. По мнению физиков, даже если отдельные симметрии нарушаются, их тройное сочетание — заряд, чётность и время — должно сохраняться. На сегодняшний день эксперименты не выявили нарушений CPT, однако если они будут обнаружены, научному сообществу придётся признать ошибочность специальной теории относительности и квантовой теории поля.
Асимметрия времени и загадки Вселенной 6:39
Если CP-симметрия нарушается, а CPT-симметрия нет, значит, симметрия времени (T) также должна быть нарушена. Исследования подтверждают это: например, при взаимодействии кварков под действием сильного и слабого ядерных сил переходы между состояниями в одну сторону занимают больше времени, чем в другую.
На практике это означает, что фундаментальные частицы «знают», куда течёт время. Несмотря на эти открытия, физики до сих пор не имеют ответа на вопрос, является ли это истинной причиной «стрелы времени» и почему время движется только в одном направлении. По словам Дерека Маллера, тайна фундаментальной природы времени остаётся одной из самых захватывающих загадок, ради которой следующее поколение учёных, возможно, также будет готово пожертвовать отдыхом.
