27.8.2014

Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina - Paul Davies - Biblioteka - Wirtualny Wszechświat

http://www.wiw.pl/biblioteka/czas_davies/06.asp

1/4

W

iw.pl

Na bieżąco:

I

nformacje

C

o nowego

Matematyka i przyroda:

A

stronomia

B

iologia

F

izyka

M

atematyka

M

odelowanie rzeczywistości

Humanistyka:

F

ilozofia

H

istoria

K

ultura antyczna

L

iteratura

S

ztuka

Czytaj:

B

iblioteka

D

elta

W

ielcy i więksi

Przydatne:

S

łowniki

C

o i gdzie studiować

W

szechświat w obrazkach

Jesteś tutaj:

Wirtualny Wszechśw iat

>

Biblioteka

>

Fizyka

> Czas. Niedokończona rew olucja Einsteina

Szukaj

Jesteś tutaj

CZAS.

Niedokończona

rewolucja Einsteina

Paul Davies

Rozdział 9:

- "Strzałka czasu"

Książka ta zagłębia się

w tajemnice czasu i jego

związków z fizyczną

naturą Wszechświata.

Paul Davies, profesor

Uniwersytetu

w Adelajdzie, znany

popularyzator fizyki

i kosmologii, otwiera

przed nami świat

cząstek elementarnych,

gdzie tkanka czasu

ulega rozerwaniu,

i czarnych dziur,

w których czas się

zatrzymuje. Autor

zastanawia się: Czy

pytanie o wiek

Wszechświata ma sens?

Czy czas wyłonił się

z Wielkiego Wybuchu?

Czy możliwe są podróże

w czasie? Czy czas

będzie miał swój koniec?

A wycieczki w stronę

literatury, filozofii

i psychologii

uatrakcyjniają tę

niezwykłą podróż po

krainie nauki

współczesnej. To

kolejny tytuł w serii

Na

ścieżkach nauki

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

Zakrzywiony Wszechświat

Niewielkie zakrzywienie czasu, obecne w sferze subnuklearnej, niesie ze
sobą pewną asymetrię związaną z materią i antymaterią. Przypomnijmy
sobie, że naruszenie symetrii względem T to kon-sekwencja faktu, iż tempo
przemiany kaonów w antykaony jest niewystarczające do zrównoważenia
procesu odwrotnego, czyli przemiany antykaonów w kaony. Jeśli występuje
taka asymetria pomiędzy materią a antymaterią, nawet na równie małą
skalę, jak zaobserwowano, może to służyć za naturalne wyjaśnienie,
dlaczego Wszechświat składa się w przeważającej mierze z materii. Możemy
sobie wyobrazić, że większość kosmicznego materiału powstała podczas
gorącego Wielkiego Wybuchu. Na początku istniała wybuchowa mieszanka
materii i antymaterii, jednak proporcje nie były zupełnie wyrównane:
występowała lekka przewaga materii z powodu efektów naruszenia symetrii
względem T. Mieszanka taka nie była w stanie przeżyć dłużej niż mniej
więcej sekundę, zanim doszło do ogólnej anihilacji przekształcającej prawie
wszystko w promieniowanie gamma. W jej wyniku zniknęła cała antymateria,
lecz występująca wcześniej nadwyżka materii przetrwała nietknięta. Ta
właśnie nadwyżka posłużyła do utworzenia galaktyk, natomiast
promieniowanie gamma, znacznie osłabione ze względu na rozszerzanie
się Wszechświata, obserwowane jest jako wszechobecne kosmiczne
promieniowanie tła. Jeśli teoria ta jest poprawna, to całe nasze istnienie
okazuje się konsekwencją niewielkiej chwiejności czasu dozwolonej przez
przyrodę. Asymetria jest tak nieznaczna, że w zasadzie można nie zwrócić na
nią uwagi, jednak bez niej nie byłoby nas tutaj.

Gdy już oniemiali fizycy przyjęli koncepcję naruszenia symetrii względem T,
rozpoczęły się poważne poszukiwania najlepszego sposobu zmierzenia
jego efektu. Podjęto je szczególnie gorliwie w pięknej dolinie rzecznej
w południowo-wschodniej Francji, niedaleko modnych alpejskich
miejscowości narciarskich. Tam właśnie znajduje się stare miasto
Grenoble, miejsce urodzenia znanego muzyka Hectora Berlioza, który
zauważył kiedyś dowcipnie: "Czas jest doskonałym nauczycielem, jednak
niestety zabija wszystkich swoich uczniów". W Grenoble mieści się również
główne laboratorium fizyki jądrowej. Naukowcy francuscy skierowali swoją
uwagę nie na kaony, lecz na skromny neutron, którego właściwości
elektromagnetyczne mogły zawierać ważną wskazówkę dotyczącą braku
symetrii w przyrodzie.

Prawdopodobnie niektórzy mylnie sądzą, że skoro neutron jest obojętny
elektrycznie, to nie ma żadnych właściwości elektromagnetycznych. Również
większość fizyków tak uważała, gdy cząstkę tę odkryto. Dlatego wszyscy byli
zaskoczeni, gdy w 1933 roku niemiecki fizyk Otto Stern stwierdził, że neutron
zachowuje się tak, jak gdyby w jego środku znajdował się mały magnes
sztabkowy. Dziś znamy już przyczynę występowania tych efektów
magnetycznych. Wiemy, że choć neutron jako całość jest elektrycznie
obojętny, nie jest cząstką punktową, lecz złożonym obiektem, składającym
się z trzech kwarków naładowanych elektrycznie. Suma wszystkich ładunków
wynosi zero, jednak kwarki mogą wytwarzać pola magnetyczne, ponieważ
wszystkie neutrony obracają się wokół własnej osi. Można wyobrazić sobie
neutron jako niewielką kulkę wirującą wokół własnej osi niczym malutka
planeta, z tym że każdy neutron obraca się ze ściśle określoną prędkością -
spin jest dla tych cząstek ustaloną wielkością, podobnie jak masa. Przy
bliższym zbadaniu okazuje się, że sytuacja jest bardziej skomplikowana:
wewnątrz neutronu krążą naładowane elektrycznie kwarki, z których każdy
wytwarza maleńki prąd elektryczny, a z kolei każdy prąd elektryczny jest
źródłem pola magnetycznego. W efekcie wzdłuż osi obrotu neutronu

Czy Jezus
jest Bogiem?

kazdystudent.pl

Jezus mówił, że jest
Bogiem. Oto, jak
udowodnił to śmiałe
zdanie.

27.8.2014

Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina - Paul Davies - Biblioteka - Wirtualny Wszechświat

http://www.wiw.pl/biblioteka/czas_davies/06.asp

2/4

powstaje pole magnetyczne w postaci dipolowej. Nazwa bierze się stąd, że
podobnie jak w magnesie sztabkowym, występuje biegun północny po
jednej stronie i biegun południowy po drugiej.

Istnienie naładowanych cząstek wewnątrz neutronu otwiera nowe
możliwości. Oś jego obrotu określa stały kierunek w przestrzeni. Choć
całkowity ładunek elektryczny cząstki wynosi zero, może być tak, że ładunki
dodatnie mają tendencje do zbierania się w pewnym obszarze względem
osi obrotu, natomiast ładunki ujemne - w innym obszarze. W ten sposób
powstawałoby dipolowe pole elektryczne. Jeśli neutron posiada dipolowe
pole magnetyczne, to czy nie może również mieć dipolowego pola
elektrycznego?

W tym właśnie miejscu pojawia się strzałka czasu. Wyobraźmy sobie
odtwarzany do tyłu film ukazujący neutron. Niewiele się zmienia, tyle że
cząstka obraca się w przeciwnym kierunku. Z drugiej zaś strony, jeśli
neutron ma elektryczne pole dipolowe, nie uległoby ono zmianie w wyniku
odwrócenia czasu, gdyż nie zależy ono od ruchu kwarków, lecz od ich
położenia. Dlatego zmiana kierunku upływu czasu prowadzi do odwrócenia
względnych kierunków spinu i dipola elektrycznego. Ilustruje to rysunek (ryc.
9.4). Kierunek spinu można porównać do obrotu Ziemi. Widzimy na rysunku,
że neutron ma swoją półkulę północną u góry, tam gdzie gromadzi się
ładunek dodatni, natomiast po odwróceniu czasu półkula północna znajduje
się u dołu, tam gdzie znajdują się ładunki ujemne.

Ryc. 9.4. Rzut oka na naruszenie symetrii względem odwrócenia czasu.

Spin neutronu zmienia kierunek po odwróceniu kierunku upływu czasu.

Dipol elektryczny nie ulega zmianie.

Związek spinu z dipolem elektrycznym przy odwróceniu kierunku czasu
ujawniłby się, gdyby neutron znajdował się w zewnętrznym polu
elektrycznym. Oddziaływałoby ono na dipol elektryczny, dążąc do obrócenia
neutronu tak, by + neutronu znajdował się obok - pola i na odwrót.
Z oddziaływaniem tym wiąże się pewna ilość energii. Gdybyśmy byli w stanie
obserwować dany neutron po odwróceniu kierunku upływu czasu, jego spin
zmieniłby kierunek, natomiast dipol i zewnętrzne pole elektryczne
pozostałyby takie same. Choć nie jesteśmy w stanie zmienić kierunku biegu
czasu, możemy odwrócić kierunek zewnętrznego pola elektrycznego. Dzięki
temu niezmienny pozostanie kierunek spinu, a zmieni się energia
oddziaływania elektrycznego z dipolem (ponieważ + i - zmieniłyby położenie
względem pola zewnętrznego). Jest to równoznaczne z odwróceniem czasu,
ponieważ naprawdę liczy się tylko względny kierunek spinu i pola
elektrycznego. Zatem możemy sprawdzić sytuację z odwróconym kierunkiem
upływu czasu, zmieniając kierunek pola elektrycznego na przeciwny
i obserwując, czy wpływa to na energię neutronu.

Zwróćmy uwagę, że nie można tego dokonać w przypadku pola
magnetycznego neutronu. Jak już tłumaczyłem, jego dipol magnetyczny
powstaje z malutkich prądów elektrycznych wewnątrz cząstki, a odwrócenie
czasu zmienia również kierunek tych prądów. Inaczej niż w przypadku
statycznego dipola elektrycznego, dipol magnetyczny powstały w wyniku
obracających się ładunków ulega odwróceniu zgodnie z kierunkiem spinu
przy zmianie kierunku upływu czasu. Zatem względna orientacja dipola
magnetycznego i kierunku spinu pozostaje niezmieniona przy odwróceniu
czasu. Niezmieniona pozostanie również energia oddziaływania
z zewnętrznym polem magnetycznym. Wniosek z tego rozumowania jest taki,
że istnienie dipola elektrycznego w neutronie byłoby znakiem, iż świat nie
jest symetryczny względem czasu. Innymi słowy, jeśli neutron ma elektryczny
moment dipolowy, nawet bardzo niewielki, to ma również wewnętrzne
poczucie kierunku czasu.

Aby w praktyce zmierzyć dipol elektryczny, trzeba umieścić neutron w silnym

27.8.2014

Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina - Paul Davies - Biblioteka - Wirtualny Wszechświat

http://www.wiw.pl/biblioteka/czas_davies/06.asp

3/4

polu elektrycznym, odwrócić kierunek pola i sprawdzić, czy zmieniła się
energia neutronu. Chcąc monitorować energię cząstki, należy wprowadzić
również pole magnetyczne. Neutron stara się przekręcić i ustawić zgodnie
z liniami tego pola. Aby mu w tym pomóc, kierowane są na niego fale
elektromagnetyczne o częstościach radiowych; jeśli energia fali odpowiada
różnicy energii między stanami spinu "w górę" i "w dół", to fala wywołuje
zmianę stanu spinu neutronu. Podczas precyzyjnego dostrajania częstości
fali radiowej każda dodatkowa energia wynikająca z oddziaływania dipola
elektrycznego z polem elektrycznym powinna się ujawnić. Eksperyment ten
stanowi bardzo dobry sprawdzian symetrii względem odwrócenia czasu.

Jak dotąd nie odkryto żadnego naruszenia tej symetrii. Zdaniem
eksperymentatorów z Francji, jeśli kwarki naładowane rozmieszczone są
wewnątrz neutronu w nierównomierny sposób, to średnia odległość
dzieląca obszar ładunków dodatnich od rejonu ładunków ujemnych musi
być mniejsza od 10

-25

centymetra, czyli jednej dziesięciobilionowej części

średnicy neutronu. To naprawdę bardzo mała odległość, jednak nie
zniechęca ona naukowców. Wiele popularnych teorii cząstek elementarnych
przewiduje naruszenie symetrii względem T, jednak sugerują one, że
symetria złamana jest na poziomie wykraczającym nieco poza zbadany
w doświadczeniu francuskich fizyków. Na jeszcze słabszym poziomie to
samo oddziaływanie słabe, które powoduje rozpad kaonów, ma również
wpływ na neutrony, więc dostatecznie czuła aparatura pomiarowa musi
wykryć elektryczny moment dipolowy.

Oczekiwania, że symetria względem odwrócenia czasu musi zostać
naruszona na jakimś poziomie, popchnęły eksperymentatorów na całym
świecie do poszukiwań maleńkich dipoli elektrycznych, nie tylko
w neutronach, lecz również w atomach i cząsteczkach. Obecni faworyci to
rtęć i fluorek talu. Doświadczenia z cząsteczkami wydają się znacznie
bardziej obiecujące niż eksperymenty z jądrami atomowymi i powinny
wkrótce pozwolić fizykom wyjaśnić kwestię naruszenia symetrii względem T.
Grupa z Uniwersytetu Yale ma nadzieję wykryć dipole o rozmiarach zaledwie
10

-28

cm, wykorzystując do tego nietypową cząsteczkę - fluorek iterbowy

(YbF).

Pozytywny rezultat eksperymentów z dipolami oznaczałby, że cząstki
elementarne - neutrony, z których składa się zwykła materia - mają
wewnętrzne poczucie kierunku upływu czasu. Wynikałoby z tego, że materia
we Wszechświecie posiada poczucie kierunku biegu czasu - efekt jest
nieznaczny, lecz mimo to istotny. Przyszłość i przeszłość byłyby odciśnięte
w strukturze materii na bardzo podstawowym poziomie.

SCEPTYK: To naprawdę zadziwiające! Przeszłość i przyszłość we
Wszechświecie wiążą się z początkiem i końcem. Jak to możliwe, że takie
malutkie kaony lub neutrony wiedzą o Wielkim Wybuchu i początku
kosmosu? Przecież w czasie nie ma kierunkowskazu "Do Wielkiego
Wybuchu w tę stronę", nieprawdaż?

Taki drogowskaz właśnie istnieje. Rozszerzanie się Wszechświata określa
kierunek czasowy: od Wielkiego Wybuchu w stronę przyszłości.

SCEPTYK: Czy znaczy to, że kaony są w jakimś sensie dostrojone do
kosmosu i potrafią "wyczuć" ekspansję Wszechświata? Oznaczałoby to, że
skromne cząstki elementarne są nadzwyczaj inteligentne.

Istotnie. Taką hipotezę przedstawił w 1970 roku fizyk Yuval Ne'eman, który
tworzył między innymi podstawy teorii kwarków. Twierdził, że kierunek czasu
odczuwany przez kaony jest bezpośrednio związany z ruchem
kosmologicznym. Dlatego gdyby Wszechświat się kurczył, a nie rozszerzał,
czasowa asymetria miałaby przeciwny kierunek, a "materia we
Wszechświecie kurczącym się jest identyczna jak antymateria we
Wszechświecie rozszerzającym się".

SCEPTYK: Ale w jaki sposób kaon lub jakakolwiek inna cząstka
elementarna może wiedzieć, co dzieje się z Wszechświatem?

Za sprawą grawitacji. To teoria grawitacji Einsteina przyniosła możliwość
ekspansji Wszechświata. Niewykluczone, że istnieje jakiś niezrozumiały
dotąd aspekt grawitacji, związany z naruszeniem symetrii względem T.
Przecież w końcu grawitacja daje jeden z bardziej widocznych przykładów
strzałki czasu - czarne dziury. Można wpaść do nich, ale nie sposób się

27.8.2014

Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina - Paul Davies - Biblioteka - Wirtualny Wszechświat

http://www.wiw.pl/biblioteka/czas_davies/06.asp

4/4

z nich wydostać. Podobnie sam proces tworzenia się czarnych dziur
w wyniku kolapsu grawitacyjnego gwiazd jest procesem nieodwracalnym.
Niestety, w tej kwestii nie ma zgodności wśród ekspertów. W 1974 roku
Stephen Hawking zyskał sławę dzięki odkryciu, że czarne dziury nie są wcale
czarne, lecz świecą promieniowaniem kwantowym. Nieduże czarne dziury
bardzo się rozgrzewają, aż w końcu wyparowują przez uwolnienie energii
w wybuchu. Dokładne analizy matematyczne wykazały, że czarna dziura
działa jak doskonała maszyna losująca: jeśli wpada do niej uporządkowana
materia, to jej energia opuszczająca dziurę jest całkowicie wymieszana - ma
postać nieuporządkowanego promieniowania o zupełnie przypadkowych
fazach. (Znów pojawiają się przypadkowe fazy).

Efekt Hawkinga wprowadzał unikatową strzałkę czasu: od porządku ku
chaosowi, właśnie dzięki czarnym dziurom. Jednak sam Hawking miał na
ten temat inne zdanie. Krótko po tym, gdy termin "czarne dziury" stał się
modny, zaczęto mówić o białych dziurach. Cóż to są białe dziury? Są to
czarne dziury odwrócone w czasie. Zamiast pożerać materię z lwim
apetytem, wyrzucają wszystko z siebie. Nie stwierdzono jednak ich istnienia,
a większość naukowców odrzuca tę hipotezę, podobnie jak inne podstępne
teorie zakładające odwrócenie kierunku czasu. Mimo to Hawking uważał, że
jeśli czarne dziury emitują promieniowanie, to wyglądają bardziej jak białe
dziury. Biała dziura, zamknięta w pomieszczeniu w stanie równowagi
termodynamicznej, jest zupełnie nieodróżnialna od czarnej dziury. Tym
intrygującym przypuszczeniom przeciwstawiał się Roger Penrose, który
twierdził, że białe dziury różnią się bardzo od czarnych dziur. W połowie lat
siedemdziesiątych Hawking i Penrose spierali się na ten temat podczas
ciekawych spotkań publicznych.

Penrose uważa, że kluczem do kwestii strzałki czasu jest grawitacja i że
w przypadku czasu istnieje pewne fundamentalne skrzywienie związane
z polami grawitacyjnymi. Na pewno dzieje się tak, gdy pola te znajdują się
w sąsiedztwie osobliwości czasoprzestrzennych, takich jak środki czarnych (i
białych) dziur oraz Wielki Wybuch (i Wielki Kolaps). Penrose przyznaje, że nie
zna powodu tej asymetrii, lecz przypuszcza, iż jest ona w jakiś sposób
związana z naruszeniem symetrii względem T przez kaony.

SCEPTYK: Czy to znaczy, że strzałka czasu odwróci się, jeśli Wszechświat
zacznie się kurczyć?

To interesujące pytanie. Zachęcam do dalszej lektury.

Paul Davies

Przełożył Leszek Kallas

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[

góra strony

]

Wiw.pl

|

Na bieżąco

|

Informacje

|

Co nowego

|

Matematyka i przyroda

|

Astronomia

|

Biologia

|

Fizyka

|

Matematyka

|

Modelowanie rzeczywistości

|

Humanistyka

|

Filozofia

|

Historia

|

Kultura antyczna

|

Literatura

|

Sztuka

|

Czytaj

|

Biblioteka

|

Delta

|

Wielcy

i więksi

|

Przydatne

|

Słowniki

|

Co i gdzie studiować

|

Wszechświat w obrazkach

Copyright

©

Prószyński Media sp. z o.o.
2000-2011.
All rights reserved.