Czas w dobrą stronę

Fizycy (i filozofowie) odetchnęli ostatnio z ulgą: czas rzeczywiście biegnie we właściwą stronę. A były co do tego zupełnie poważne wątpliwości…

Na pierwszy odruch każdemu z nas wydaje się oczywiste, że czas płynie w stałym tempie tylko w jedną stronę – z przeszłości w przyszłość. Przynajmniej z wierzchu tak to wygląda, ponieważ wszystko co znamy i obserwujemy podlega prawu entropii: z biegiem czasu pogarsza się, starzeje i rozpada. A wszystko bierze się stąd, że w przyrodzie – także tej nieożywionej – istnieje znacznie mniej sposobów na ułożenie cząsteczek i elementów w sposób uporządkowany, i to w każdej skali, niż w sposób chaotyczny i przypadkowy.

Podłubmy w tym temacie troszkę głębiej i dodajmy do niego jeszcze odrobinę filozofii, a okaże się, że wektor albo strzałka czasu to całkiem niezła zagwozdka. Bo przecież cząsteczka jest niezmienna i sama z siebie nie może się rozstroić, więc jeśli się bada jej zachowanie w izolacji, to przeszłość i przyszłość nie da się odróżnić. Jeśli np. sfilmuje się jej ruchy i da ten film do oglądania komuś innemu, to z samego zachowania cząsteczki nie będzie umiał on orzec, w którą stronę ma puścić ten film przez rzutnik. Obie strony tego zachowania (i filmu) będą idealnie symetryczne. Tak przynajmniej byli przekonani fizycy, którzy wierzyli, że przyroda jest w ogóle urocza i idealnie symetryczna, dopóki w latach 1960-tych nie pojawiły się pierwsze podejrzenia, że wcale tak nie jest. Obecnie grupa badaczy ze SLAC National Accelerator Laboratory przy kalifornijskim Uniwersytecie Stanforda znalazła pierwszy fizyczny dowód, który potwierdza te podejrzenia tj. że istnieje naturalny kierunek czasu tylko w jedna stronę.  

Pierwsza wzmianka o pogwałceniu przez naturę symetrii odwrócenia czasu (time reversal, T), jaka wynikała z intelektualnego eksperymentu z tymże filmem, a także pogląd, iż czas ma jednak określony wektor, pojawiła się w związku z odkryciem niepotwierdzonej jeszcze asymetrii materii i antymaterii. Matematycznie rzecz ujmując cząsteczki i anty-cząsteczki różnią się od siebie na dwa sposoby: mają odwrotne ładunki elektryczne (charge congjugation, C) i są nawzajem swymi lustrzanymi odbiciami (parity, P). Razem nazywa się to symetrią CP. Jednakże w 1964 roku pojawiły się cząsteczki zwane kaonami, które wcale symetrii CP nie podlegają. Wynikałoby z tego, że materia i antymateria wcale nie są równe i przeciwstawne. Istnieje wszelakoż inne prawo fizyczne mówiące o tym, że jeśli symetrię tę podnieść „o jedno oczko wyżej”, wzbogacając ją jeszcze o wspomnianą symetrię T, to taka nadrzędna symetria CPT, z całą pewnością i zawsze musi już być zachowana. Oznacza to, że jeśli naruszy się symetrię CP, to musi być też naruszony T, po to, aby zachować stałość CPT.

Najbardziej logicznym obszarem do szukania takich naruszeń T jest miejsce, gdzie już wiadomo, że C i P zachowują się nieprawidłowo. W latach 1999-2008 takie właśnie zadanie postawiono przed zespołem z laboratorium SLAC w Kalifornii. Stary liniowy akcelerator w Stanford, na którym wykryto czwarty kwark wymyślony przedtem przez Sheldona Glashowa, nazwany przez niego kwarkiem powabnym (charm quark), co zresztą badaczom przyniosło wtedy Nobla, został przerobiony na maszynę do produkcji cząsteczek zwanych mezonami B. Są to bardzo ciekawe tworki, bo i one i ich antycząsteczki wykazują skłonność do zakłócania symetrii CP. Stanowią więc właściwe miejsce do szukania zakłóceń T.  

I to właśnie ma miejsce w słynnym eksperymencie BaBar, jaki przeprowadzają fizycy z laboratorium SLAC. Wprawdzie maszyna do produkcji mezonów B od czterech lat już nie działa, bo jest właśnie przerabiana w swoje trzecie wcielenie i ma się wkrótce stać najpotężniejszą kamerą rentgenowską na świecie, ale dane z badań z lat 1999-2008 są i badacze się właśnie przez nie przekopują. W szczególności szukają oni odpowiedzi na pytanie, ile czasu trwa zanim mezon B zmieni swą postać. W szczególności uczeni koncentrują się na jednym z członków dość licznie rozrodzonej rodziny mezonów B, a mianowicie na neutralnej elektrycznie cząsteczce B0 [be zero].

Podobnie jak to się dzieje z wieloma innymi zjawiskami kwantowymi, B0 może istnieć w wielu postaciach. Noszą ona nazwy B, B-bar, B-plus i B-minus. B0 bezustannie krąży przechodząc z jednej postaci w drugą. Jeżeli czas ma rzeczywiście jakąś strzałkę kierunku, to przynajmniej niektóre z tych przejść powinny przebiegać w innym tempie w jednym kierunku niż odwrotnie. A mówiąc konkretnie, teoria naruszenia CP przewiduje, że przejście z B-bar do B-minus powinno być szybsze niż z B-minus do B-bar. Aby to potwierdzić, pozostaje zmierzyć tę różnicę.  

Niestety, nie jest to aż tak łatwe jak tu brzmi. Stan docelowy cząsteczki znamy dopiero wtedy, gdy widzimy, w jakie inne typy cząsteczek się zmieniła. Nie da się natomiast łatwo określić, czym była przedtem i jak długo. W ekscentrycznym świecie fizyki kwantowej nie jest jednak i tak, że nigdy nie można dojść do tego, czym była cząsteczka, zanim stała się tym, czym jest. A dzieje się tak dlatego, że mezony B – i to jest bodaj ich największa atrakcyjność w tym badaniu – rodzą się czasami jako bliźnięta sprzężone na poziomie mechaniki kwantowej. Rodzą się, ale potem już w sprzężeniu trwać nie muszą. W takiej sytuacji jeden z bliźniaków ujawnia początkowy stan drugiego oraz to, jak długo był on w tymże stanie. No, a wtedy pozostają już tylko pomiary.

Jest to doniosła dla teorii rewelacja, którą przedłożono obecnie do publikacji w amerykańskim tygodniku  Physical Review Letters, która nie pozostawia miejsca na żadną wątpliwość: B-bary przechodzą w B-minusy dużo szybciej niż B-minusy w B-bary. Na jeden B-bar powstaje aż pięć B-minusów. Możliwość, że taki ciąg pomiarów zdarzył się przez czysty przypadek jest jak 10 do potęgi 42, czyli praktycznie żadna. Oznacza to, że droga w przód nie jest tym samym, co droga do tyłu, że strzałka czasu rzeczywiście w przyrodzie istnieje i że czas ma swój naturalny, fizyczny kierunek. Uff!

Bogusław Jeznach

Dodatek muzy:

Dziś posłuchamy Gandalfa  i kojącej muzyki New Age. Utwór ma stosowny do tematu tytuł „Rhythm of the Tides”