27.8.2014

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

http://www.wiw.pl/biblioteka/czas_davies/05.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]

Cząstka, która wskazuje czas

Koncepcji, że jedno z podstawowych praw fizyki mogłoby nie zachowywać
dokładnej symetrii względem odwrócenia czasu, w ogóle nie rozważano
wtedy, gdy Feynman doskonalił swoje pomysły dotyczące antymaterii
i odwrócenia kierunku upływu czasu. Przypadek sprawił jednak, że odkryto
wówczas nową cząstkę elementarną, która, jak się okazało, była kluczem do
rozwiązania problemu symetrii względem czasu. Nazwano ją kaonem. Choć
coś słyszałem o kaonach w szkole średniej - że są bardzo niestabilnymi
i krótko żyjącymi cząstkami elementarnymi - pierwszy raz zwróciłem na nie
uwagę w 1966 roku, gdy przeczytałem w londyńskiej prasie o pewnej
dziwacznej teorii. Artykuł sugerował, że kaony mogłyby czasem prześlizgnąć
się do innego Wszechświata, gdzie czas biegnie w przeciwnym kierunku, by
wrócić później do naszego Wszechświata. Brzmiało to jak science fiction
i bardzo mnie zaintrygowało, zwłaszcza że autorem teorii był Russell
Stannard, jeden z moich wykładowców w University College.

Rozważania Stannarda opierały się na zadziwiającym odkryciu sprzed
dwóch lat, zgodnie z którym kaony mogły "wyczyniać dziwne rzeczy" z czasem.
Jego wyjaśnienie wymaga pewnego wprowadzenia. Kaony odkryto w 1947
roku, ich istnienie ujawniły tajemnicze tory w kształcie litery V widoczne
w komorze mgłowej wystawionej na działanie promieni kosmicznych. Od
samego początku fizycy podejrzewali, że cząstki te są nietypowe. Powstają
w zderzeniach cząstek jądrowych, czyli protonów i neutronów, jednak nie żyją
zbyt długo. Po upływie kilku nanosekund większość kaonów ulega
rozpadowi, głównie do pionów. Zarówno kaony, jak i piony należą do tej
samej grupy cząstek elementarnych, zwanej mezonami. Ważną własnością
mezonów, a także protonów i neutronów, jest to, że oddziałują ze sobą
bardzo silnie. W rezultacie tego reakcje przemiany jednej cząstki w inną
zachodzą natychmiast. Oddziaływania silne bardzo różnią się od innych,
słabych oddziaływań jądrowych. Te z kolei, niezwykle wątłe z natury, są
odpowiedzialne za szereg bardzo powolnych procesów jądrowych, takich jak
promieniotwórczy rozpad beta. I tak na przykład typowe oddziaływanie silne
trwa jedną bilionową bilionowej części sekundy, natomiast rozpad neutronu,
powodowany przez oddziaływania słabe, zachodzi mniej więcej po piętnastu
minutach.

Wszystkie cząstki uczestniczące w oddziaływaniach silnych składają się
z mniejszych tworów, zwanych kwarkami. Na przykład protony i neutrony
zbudowane są z trzech kwarków, mezony zaś - z dwóch (a dokładniej,
z kwarka i antykwarka). Najprawdopodobniej istnieje sześć rodzajów
kwarków (pięć znanych jest na pewno) oraz tyleż samo odpowiadających im
antykwarków, mamy więc trzydzieści sześć kombinacji kwarka i antykwarka.
Może zatem istnieć wiele mezonów. Tak się stało, że jako pierwsze odkryto
kaony i piony, gdyż są najlżejsze. Kaony występują w trzech odmianach:
elektrycznie obojętne, naładowane dodatnio oraz naładowane ujemnie.

Fizycy zaciekawieni sposobem rozpadania się kaonów zwrócili uwagę na
osobliwe właściwości tych cząstek. Zwykły kaon powstaje dzięki
oddziaływaniom silnym w okamgnieniu, w następstwie zderzenia dwóch
silnie oddziałujących cząstek jądrowych. Jednak choć ulega on rozpadowi
na inne, równie silnie oddziałujące cząstki (piony), to proces ten trwa aż
nanosekundę. Był to prawdziwy szok. Jeśli cząstka powstaje w procesie
trwającym zaledwie jedną bilionową bilionowej części sekundy, to dlaczego
jej rozpad nie odbywa się w tej samej skali czasowej i w identycznym
procesie? Obie sytuacje powinny być symetryczne. To trochę tak, jak gdyby
rzucić piłkę do góry i czekać miliony lat, aż spadnie w dół. Co sprawia, że

Wypróbuj
Google
AdWords

google.pl/adwords

Docieraj do klientów
online Wykorzystaj
promocyjne 200 zł

27.8.2014

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

http://www.wiw.pl/biblioteka/czas_davies/05.asp

2/4

rozpad kaonu trwa biliony razy dłużej niż jego powstanie?

Stawką była niemal święta zasada fizyki, przyjmowana bez zastrzeżeń, odkąd
sięgnąć pamięcią - zasada odwracalności wszystkich procesów fizycznych.
Można próbować wyobrazić ją sobie jako odtwarzanie w odwrotnym kierunku
filmu ukazującego jakiś proces. Jeśli jest on odwracalny w czasie, to film
odtwarzany w odwrotnym kierunku powinien również przedstawiać jakiś
możliwy proces fizyczny. Na przykład na filmie pokazującym obieg planety
wokół Słońca odtwarzanym w odwrotnym kierunku widać planetę obracającą
się w przeciwną stronę. Nie ma w tym nic dziwnego. Oczywiście, wszyscy
pamiętamy śmieszne filmy odtwarzane w przeciwnym kierunku,
przedstawiające rzeki płynące w górę czy ludzi chodzących do tyłu. Jednak
sceny te ukazują skomplikowane procesy, a ja ograniczam się przez chwilę
do podstawowych zjawisk z udziałem zaledwie paru cząstek elementarnych.

Odwracalność podstawowych procesów fizycznych wynika z symetrii
względem czasu praw fundamentalnych. Odwrócenie czasu jest zwykle
oznaczane literą T. Można myśleć o T jako o swego rodzaju operacji
odwrócenia kierunku upływu czasu - na przykład zamianie przyszłości
i przeszłości. Symetryczne względem czasu prawa fizyki mają następującą
własność: po odwróceniu kierunku upływu czasu równania pozostają
niezmienne, czyli są inwariantne względem czasu. Dobry przykład stanowią
tu równania elektro-magnetyzmu Maxwella, które oczywiście są T-
inwariantne. Jeśli zastosować T do fali przedwczesnej, otrzymamy falę
opóźnioną, jak już to wcześniej opisałem. Fale przedwczesne są możliwe
z fizycznego punktu widzenia, jednak z jakiegoś powodu ich nie
obserwujemy.

Można bez żadnego wysiłku odwrócić kierunek czasu w równaniach
matematycznych, ale nie jest łatwo dokonać tego w laboratorium. Jednak
symetria względem T może być sprawdzona eksperymentalnie przez
odwrócenie samego procesu - można sprawić, że wszystko w procesie
odbywa się do tyłu, a więc jest to swego rodzaju odwrócenie biegu, które
z reguły jest równoznaczne z odwróceniem czasu. Zwykle okazuje się
wówczas, że pierwotny proces fizyczny ulega odwróceniu, więc na koniec
znajdujemy się w tym samym miejscu co na początku, a wyjściowy stan
fizyczny zostaje przywrócony. Ponadto proces odwrócony przebiega z tą
samą prędkością co proces pierwotny.

Przez dziesięciolecia fizycy byli pewni dokładnej odwracalności w czasie,
w zasadzie bez powodu. Panowało niejasne poczucie, że rzeczy tak proste,
jak cząstki elementarne lub fale elektromagnetyczne, nie mogą mieć
wewnętrznego zmysłu pozwalającego rozróżnić przeszłość i przyszłość. Fakt,
że kaony łamią tę zasadę, gdyż rozpadają się biliony razy dłużej, niż
powstają, wydawał się bardzo dziwny - tak dziwny, że naukowcy
uczestniczący w jego odkryciu uznali, iż kaon posiada pewną nową
właściwość, którą nazwali dziwnością. Nie upłynęło wiele czasu, a odkryto
kolejne dziwne cząstki. Wyśledzono powód ich dziwności: każda dziwna
cząstka zawiera pewien szczególny rodzaj kwarka - kwark dziwny.

Wkrótce powód dziwnego zachowania dziwnych cząstek stał się jasny. Oto
jak przedstawia się istota sprawy, tak jak to rozumiemy obecnie. Cząstka
dziwna powstaje wtedy, gdy wytworzony zostanie kwark dziwny, między
innymi w rezultacie wysokoenergetycznego zderzenia cząstek jądrowych.
Podczas tego zderzenia powstaje również antykwark dziwny. Ponieważ ma
on własność antydziwności, w zderzeniu netto nie powstaje dziwność, co
znaczy, że proces mógłby zostać odwrócony, czyli kwark i antykwark mogą
ulec anihilacji. Jednak para kwark-antykwark natychmiast zostaje
rozdzielona, a dziwny kwark - zamknięty w kaonie. Dlatego kaon nie jest
w stanie się rozpaść dopóty, dopóki nie spotka rzadkiej cząstki zawierającej
antykwark antydziwny, co w praktyce jest mało prawdopodobne. Proces byłby
zupełnie nieodwracalny, gdyby nie to, że słabe siły jądrowe są w stanie
zmienić jeden typ kwarka w inny. W szczególności potrafią one zamienić
kwark dziwny w jeden z wielu bardziej typowych kwarków niedziwnych. Gdy
do tego dojdzie, droga do rozpadu stoi przed kaonem otworem. Jednak
oddziaływanie słabe jest bardzo powolne, dlatego (stosunkowo) dużo czasu
upłynie, zanim kaon się rozpadnie. Wynika z tego, że procesy produkcji
i rozpadu kaonu nie stanowią wcale swoich odwrotności, a te dziwne
procesy nie naruszają zasady odwracalności.

Jak się okazało, to dopiero początek opowieści. Wciąż coś niezwykłego
działo się z elektrycznie obojętnym kaonem, oznaczanym symbolem K

0

. Gdy

fizycy starali się zmierzyć, jak długo trwa rozpad kaonów na piony, ze

27.8.2014

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

http://www.wiw.pl/biblioteka/czas_davies/05.asp

3/4

zdziwieniem stwierdzili, że kaony te miały dwa różne czasy życia. Czasem
rozpadają się na dwa piony po upływie około dziesięciu bilionowych
sekundy, a czasem - na trzy piony po czasie tysiące razy dłuższym. To tak, jak
gdyby dwa różne charaktery zamieszkiwały tę samą cząstkę - mister Jekyll
i doktor Hyde.

Wkrótce znaleziono rozwiązanie tej zagadki. K

0

składa się z antykwarka

antydziwnego związanego z kwarkiem innego typu, zwanym kwarkiem
dolnym (zob. ryc. 9.3).

Ryc. 9.3. Kryzys tożsamości. Kaon obojętny, K

0

, składa się z dwóch

mniejszych cząstek: antydziwnego antykwarka s z kreseczką i kwarka

dolnego (d). Antycząstka, K

0

z kreseczką, składa się z kwarka

dziwnego (s) i antykwarka antydolnego (d z kreseczką). Siła słaba

może zmienić d na s, a s z kreseczką na d z kreseczką, i na odwrót.

Powoduje to, że kaon rozdarty jest pomiędzy dwiema tożsamościami,

K

0

i K

0

z kreseczką.

Oddziaływania słabe są w stanie zmienić kwark dolny w kwark dziwny,
a zarazem antykwark antydziwny w antykwark antydolny. Wynik netto obu tych
operacji jest taki, że K

0

zamienia się w swoją antycząstkę, oznaczaną

symbolem K

0

z kreseczką. Ta spontaniczna zmiana tożsamości zachodzi

również w drugą stronę, K

0

z kreseczką staje się z powrotem K

0

. Zatem

obojętny kaon cierpi na swego rodzaju permanentny kryzys tożsamości: nie
wie, czy jest cząstką K

0

czy antycząstką K

0

z kreseczką, i cały czas oscyluje

pomiędzy nimi dwoma. Takie gwałtowne pomieszanie tożsamości sprawiło,
że fizycy badający rozpad kaonu zaobserwowali pewien hybrydowy stan:
układ kaon-antykaon. W rzeczywistości sytuacja jest jeszcze bardziej
skomplikowana. Istnieją dwa takie stany, ponieważ mieszanie K

0

i K

0

z kreseczką może odbywać się na dwa różne sposoby, zależnie od tego, czy
układ jest symetryczny względem odbicia przestrzennego. (Mam tu na myśli
to, że gdyby obie "mieszanki" były oglądane w lustrze, to jedna z nich
okazałaby się odwróconym obrazem stanu pierwotnego, a druga nie). Dzięki
odkryciu istnienia dwóch różnych trybów mieszania fizycy mogli wytłumaczyć,
dlaczego występują dwa schematy rozpadu. "Mieszanka" 1, lepiej znana pod
nazwą K

1

, nie ulega zmianie po odbiciu w lustrze, więc powinna rozpadać

się na parzystą liczbę pionów, zachowując symetrię względem obrazu
lustrzanego. Z drugiej zaś strony, "mieszanka" 2, zwana K

2

, ulega

odwróceniu po odbiciu w lustrze, więc powinna rozpadać się na nieparzystą
liczbę pionów. Istnieją zatem dwa schematy rozpadu - na dwa piony i na trzy
piony - zależnie od tego, który stan mieszany K

0

i K

0

z kreseczką istnieje

w chwili, gdy dochodzi do dezintegracji. Ponieważ proces z trzema pionami
trwa dłużej, ścieżka tego rozpadu ma odpowiednio dłuższy czas życia.

Aby w pełni zrozumieć znaczenie tych dwóch schematów rozpadu, trzeba
wziąć pod uwagę, że istnieje fundamentalny związek między odbiciem
w lustrze a odwróceniem czasu. Na przykład, sfera obracająca się wokół
własnej osi, oglądana w lustrze do tyłu w czasie, wygląda dokładnie tak, jak
gdyby zmieniono kierunek ruchu. Można wykazać ogólnie, że lustrzane
odbicie jest fizycznie równoważne odwróceniu czasu - z jedną małą
modyfikacją, mianowicie trzeba zamienić cząstki na odpowiednie
antycząstki. Zatem istnienie dwóch odmiennych schematów rozpadu,
przy zachowaniu symetrii względem odbicia lustrzanego, w zgrabny sposób
wyraża niezmienność przyrody względem odwrócenia kierunku biegu czasu.

Dotąd wszystko było w porządku. Jednak fizyków czekał dalszy szok, gdy
zespół z Princeton, którym kierowali Val Fitch i James Cronin, odkrył w 1964
roku, że jedna na kilkaset cząstek K

2

rozpadała się na dwa piony, a nie na

trzy piony! Pamiętam, że byłem wówczas w szkole średniej i o tym odkryciu

27.8.2014

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

http://www.wiw.pl/biblioteka/czas_davies/05.asp

4/4

dowiedziałem się z niespodziewanego źródła, a mianowicie z wykładu
gościa honorowego podczas dorocznego święta szkoły. Implikacje
eksperymentu Fitcha-Cronina były prawdziwie obrazoburcze (i dlatego
właśnie wspomniany gość honorowy uznał to za odpowiedni temat na tę
formalną okazję). Wkrótce zrozumiano, że ekscentryczne zachowanie się
kaonów oznaczało pogwałcenie uświęconej dotąd symetrii względem
odwrócenia czasu.

Naruszenie symetrii względem T przez kaony można rozumieć następująco.
Stany K

1

i K

2

powstają, jak już wyjaśniałem, jako swego rodzaju hybrydy,

stany mieszane kaonu i antykaonu. Wyobraźmy sobie cząstkę gwałtownie
zmieniającą tożsamość: kaon-antykaon-kaon-antykaon... Można postawić
pytanie, czy przeskoki te są doskonale symetryczne, to znaczy, czy tempo
zmieniania się kaonu w antykaon jest dokładnie takie samo jak w przypadku
przemiany antykaonu w kaon. Jeśli nie, to stan hybrydowy mógłby dłużej
istnieć jako kaon lub jako antykaon, albo na odwrót. Wszyscy zakładali, że
skoro przemiany kaon-antykaon powinny być dokładnie symetryczne
względem czasu, natura nie powinna rozróżniać danego procesu od
procesu do niego odwrotnego, a oba tempa powinny być identyczne. Kaony
mają jednak zwyczaj więcej czasu spędzać jako K

0

z kreseczką niż K

0

.

To niespodziewane zachowanie oznacza, że kaony posiadają wewnętrzny
zmysł rozróżniania przeszłości od przyszłości. Choć zaobserwowany efekt
jest ilościowo niewielki, ma głębokie znaczenie i jest bardzo tajemniczy -
stąd swobodne spekulacje Russella Stannarda. Próbował on wyjaśnić
zachowanie kaonu tym, że na chwilę przeskakuje do Wszechświata
równoległego, w którym czas biegnie w odwrotnym kierunku. Martin Gardner,
felietonista "Scientific American", komentował: "Wizja Stannarda prowadzi do
rozdwojenia kosmosu na sąsiadujące ze sobą rejony, rozwijające swoje
magiczne dywany równocześnie (cokolwiek może znaczyć ťrównocześnieŤ),
lecz w przeciwnych kierunkach".

PYTANIE SCEPTYKA: Długo się nie odzywałem, teraz jednak czegoś
zupełnie nie rozumiem. Myślałem, że Einstein wyeliminował koncepcje
przeszłości i przyszłości. Jak więc fizycy mogą twierdzić, że kaony mają
wbudowane poczucie asymetrii pomiędzy przeszłością a przyszłością?

Trafna uwaga. Mamy tu do czynienia z problemem językowym. Einstein
wyeliminował absolutny podział na przeszłość i przyszłość, które miały być
rozdzielone uniwersalnym momentem teraźniejszości, chwilą "teraz".
Jednak to nie wyklucza absolutnego rozróżnienia kierunków upływu czasu,
w stronę przeszłości i w stronę przyszłości. Słów "przeszłość" i "przyszłość"
używamy w dwóch nieco odmiennych znaczeniach. Podobna różnica
pojawia się w przypadku terminów "północ" i "południe". Często mówimy
o Północy i Południu, mając na myśli konkretne miejsca, innym razem
z kolei północ i południe oznaczają kierunki w przestrzeni. W Ameryce
Południe oznacza stany takie jak Alabama i Teksas; w Anglii Północ kojarzy
się z miastami Manchester, Newcastle i innymi. Z powodu obrotu Ziemi
występuje nawet asymetria pomiędzy północą a południem. Uwidacznia się
ona przez położenie igły kompasu, która w przypadku asymetrii przestrzennej
gra podobną rolę co strzałka czasu. Skromny kaon ma poczucie czasu tylko
w ograniczonym sensie: zna różnicę między dwoma kierunkami upływu
czasu, przeszłością i przyszłością. Jednak w żaden sposób nie jest w stanie
podzielić czasu na przeszłość, teraźniejszość i przyszłość.

[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.