i.
과거와 미래의 차이만큼 명백하고 광범위한 경험의 사실은 거의 없습니다. 우리는 하나를 기억하지만 다른 하나를 기대합니다. 영화를 거꾸로 실행하면 현실적으로 보이지 않습니다. 우리는 과거에서 미래로 가리키는 시간의 화살이 있다고 말합니다.
시간 화살의 존재만큼 기본적인 사실은 물리학의 기본 법칙에 포함될 것으로 기대할 수 있습니다. 그러나 그 반대는 사실입니다. 아 원자 이벤트 영화를 찍을 수 있다면 후진 버전이 완벽하게 합리적으로 보일 것입니다. 또는 더 정확하게 말하면, 우리가 곧 논의 할 작고, 난해한 예외까지, 우리가 앞으로 또는 뒤로 시간의 흐름을 따르는 지 여부에 관계없이 순종 할 것으로 보일 것입니다. 기본 법칙에서 시간의 화살은 가역적입니다.
논리적으로 말하면, 시간 방향을 되돌리는 변화는 기본 법칙을 바꿨을 수 있습니다. 상식은 그것이해야한다고 제안 할 것이다. 그러나 그렇지 않습니다. 물리학 자들은 그 사실을 설명하기 위해 편리한 속기 (전문 용어라고도 함)를 사용합니다. 그들은 시간의 화살표를“시간 반전”또는 단순히 T.를 뒤집는 변형이라고 부릅니다. 그리고 그들은 기본 법칙을“t 불변”또는“대칭”으로 바꾸지 않는다는 (근사) 사실을 언급합니다.
.일상적인 경험은 불변을 위반하는 반면 기본 법은이를 존중합니다. 그 불일치는 어려운 질문을 제기합니다. 어떻게 기본 법이 대칭을 존중하는 실제 세계가 비대칭적인 것처럼 보이게됩니까? 언젠가 우리는 반대의 흐름으로 존재를 만나게 될 가능성이 있습니까? 우리가 육체적 인 과정을 통해 우리 몸의 시간의 화살을 돌릴 수 있습니까?
David Kaplan, Petr Stepanek 및 Quanta 잡지의 Ryan Griffin; Kevin MacLeod의 음악
비디오 : David Kaplan은 숨겨진 대칭을 찾는 것이 Higgs Boson과 같은 발견으로 이어지는 방법을 설명합니다.
그것들은 좋은 질문이며, 나는 과거의 향후 게시물에서 그들에 대해 글을 쓰고 싶습니다. 그러나 여기서는 보완적인 질문을 고려하고 싶습니다. 우리가 다른 쪽에서 시작할 때, 일반적인 경험의 사실에서 발생합니다. 그 관점에서, 퍼즐은 이것입니다 :
왜 기본 법이 그 기이하고 문제가되는 재산, t 불변을 가져야합니까?
오늘날 우리가 제공 할 수있는 대답은 50 년 전에 제공 할 수있는 것보다 비교할 수 없을 정도로 더 깊고 정교합니다. 오늘날의 이해는 실험적 발견과 이론적 분석의 화려한 상호 작용에서 나 왔으며, 이로 인해 몇 가지 노벨상이 생겼습니다. 그러나 우리의 대답에는 여전히 심각한 허점이 있습니다. 내가 설명 하듯이, 허점을 닫으면 우주 론적“암흑 물질”을 식별하기 위해 예기치 않은 보너스로 우리를 이끌 수 있습니다.
.ii.
T. 불변의 현대 역사는 1956 년에 시작됩니다. 그해에 T. D. Lee와 C. N. Yang은 물리 법의 다른 특징에 의문을 제기했으며, 그때까지 당연한 것으로 여겨졌습니다. Lee와 Yang은 T 자체에 관심이 없었지만 공간적 아날로그, 패리티 변환,“P.” T는 시간이 거꾸로 실행되는 영화를 보는 것이 포함되는 반면, P는 거울에 반영된 영화를보고 포함합니다. 패리티 불변은 반사 된 영화에서 볼 수있는 사건이 원본과 동일한 법을 따르는 가설입니다. Lee와 Yang 은이 가설에 대한 정황 증거를 확인하고이를 테스트하기위한 중요한 실험을 제안했습니다. 몇 달 안에 실험에 따르면 많은 상황에서 P 불변이 실패한다는 것이 입증되었습니다. (p 불변은 중력, 전자기 및 강한 상호 작용에 대한 보류이지만 일반적으로 소위 약한 상호 작용에서는 실패합니다.)
P (비) 불변에 대한 극적인 발전은 물리학 자들이 T 불변에 의문을 제기하도록 자극했으며, 한때 당연한 것으로 여겨졌다. 그러나 t 불변의 가설은 몇 년 동안 밀접한 조사에서 살아 남았습니다. James Cronin과 Valentine Fitch가 이끄는 그룹은 1964 년에 불변을 위반하는 K Mesons의 붕괴에 독특하고 작은 효과를 발견했습니다.
.iii.
Joni Mitchell의 통찰력 -“당신이 '사라질 때까지 무엇을 얻었는지 모르겠다”는 통찰력은 여파로 입증되었습니다.
어린 아이들처럼 우리는“왜?”라고 계속 묻습니다. 우리는 한동안 더 깊은 답변을 얻을 수 있지만 결국 우리는 더 간단한 것에 대해 설명 할 수 없다는 진실에 도달하면 결국 바닥에 닿을 것입니다. 그 시점에서 우리는 사실상 승리를 선언하는 중단을 불러야합니다. 그러나 나중에 우리가 가정의 진실에 대한 예외를 발견한다면, 그 대답은 더 이상하지 않을 것입니다. 우리는 계속 가야 할 것입니다.
t 불일치가 보편적 인 진실 인 것처럼 보이면, 우리의 이탤릭체 질문이 유용한 질문이라는 것은 분명하지 않았습니다. 우주 T는 왜 불변 이었습니까? 그냥 그랬어. 그러나 Cronin과 Fitch 이후, T 불변의 신비는 피할 수 없었습니다.
많은 이론적 물리학 자들은 t 불변이 어떻게 극도로 정확하지만 정확하지 않은 방법을 이해하는 데 어려움을 겪었습니다. 여기서 Makoto Kobayashi와 Toshihide Maskawa의 작품은 결정적인 것으로 판명되었습니다. 1973 년에 그들은 대략적인 t 불변성이 다른보다 비판적인 원칙의 우연한 결과라고 제안했다.
시간이 익었습니다. 얼마 지나지 않아 입자 물리학의 현대 표준 모델의 윤곽선이 등장했으며 기본 상호 작용에 대한 새로운 수준의 선명도가 나타났습니다. 1973 년에는 강력하고 경험적으로 성공한 것이있었습니다! - 몇 가지“신성한 원리”를 기반으로 한 이론적 프레임 워크. 이러한 원리는 상대성, 양자 역학 및 "게이지 대칭"이라는 균일 성의 수학 규칙입니다.
모든 아이디어를 협력하게하는 것은 매우 어려운 것으로 판명되었습니다. 함께, 그들은 기본 상호 작용의 가능성을 크게 제한합니다.
Kobayashi와 Maskawa는 몇 가지 간단한 단락에서 두 가지를했습니다. 먼저 그들은 물리가 입자로 제한된다면 (전문가를 위해 :쿼크와 렙톤의 두 가족이 있다면), 신성한 원칙에 의해 허용되는 모든 상호 작용도 불변을 존중한다는 것을 보여 주었다. Cronin과 Fitch가 자신의 발견을 한 적이 없다면, 그 결과는 합당한 승리 일 것입니다. 그러나 그들은 코바야시와 마스가와가 중요한 단계를 더욱 발전 시켰습니다. 그들은 매우 구체적인 새로운 입자 세트 (세 번째 패밀리)를 소개한다면, 그 입자는 새로운 상호 작용을 가져와 T 불변을 약간 위반하게한다는 것을 보여 주었다. 그것은 의사가 주문한 것으로 보였습니다.
그 후 몇 년 동안, 그들의 화려한 이론적 탐정 작품은 완전히 입증되었습니다. Kobayashi와 Maskawa가 존재하는 새로운 입자는 모두 관찰되었으며, 그들의 상호 작용은 Kobayashi와 Maskawa가 제안한 것입니다.
이 섹션을 끝내기 전에 철학적 코다를 추가하고 싶습니다. 신성한 원리는 정말 신성한가? 물론. 실험이 과학자들이 이러한 원칙을 수정하도록 강요하면 그렇게 할 것입니다. 그러나 현재 신성한 원칙은 끔찍하게 좋아 보입니다. 그리고 분명히 그들을 진지하게 받아들이는 것은 유익했습니다.
iv.
지금까지 나는 승리의 이야기를 들었습니다. 세상이 어떻게 작동하는지에 대한 가장 눈에 띄는 퍼즐 중 하나 인 이탤릭체 질문은 깊고 아름답고 유익한 답을 받았습니다.
그러나 장미에는 벌레가 있습니다.
Kobayashi와 Maskawa의 작업 후 몇 년 후 Gerard 'T Hooft는 T 불변에 대한 설명에서 허점을 발견했습니다. 신성한 원칙은 추가적인 종류의 상호 작용을 허용합니다. 가능한 새로운 상호 작용은 매우 미묘하며, Hooft의 발견은 대부분의 이론적 물리학 자에게 큰 놀라움이었습니다.
새로운 상호 작용은 실질적인 강점으로 존재했을 때 Cronin, Fitch 및 동료들이 발견 한 효과보다 훨씬 더 분명한 방식으로 불변을 위반할 것입니다. 구체적으로, 중성자의 스핀이 전기장을 생성 할 수있게되며, 자기장 외에도 원인이 관찰됩니다. (회전하는 중성자의 자기장은 물론 완전히 다른 규모로는 회전 지구와 크게 유사합니다.) 실험자들은 그러한 전기장을 열심히 보았지만 지금까지 그들은 비어 있습니다.
.자연은 홈의 허점을 이용하지 않습니다. 물론 그녀의 특권이지만, 그것은 우리의 이탤릭체로 된 질문을 새롭게 제기합니다. 왜 자연이 왜 그렇게 정확하게 불변을 시행합니까?
몇 가지 설명이 제시되었지만 한 사람만이 시간의 시험을 견뎌냈습니다. 중심 아이디어는 Roberto Peccei와 Helen Quinn에 의한 것입니다. Kobayashi 및 Maskawa의 제안과 마찬가지로 그들의 제안은 표준 모델을 상당히 구체적인 방식으로 확장하는 것입니다. 하나는 중화 분야를 소개하며, 그의 행동은 특히 Hooft의 새로운 상호 작용에 민감합니다. 실제로 그 새로운 상호 작용이 존재한다면, 중화 필드는 그 상호 작용의 영향을 취소하기 위해 자체 가치를 조정할 것입니다. (이 조정 프로세스는 고체의 음으로 하전 된 전자가 양으로 하전 된 불순물 주위에 모여 그 영향을 스크리닝하는 방법과 광범위하게 유사합니다.) 중화 필드는 허점을 닫습니다.
.Peccei와 Quinn은 그들의 아이디어의 중요하고 테스트 가능한 결과를 간과했습니다. 중화 분야에 의해 생성 된 입자 - Quanta - 현저한 특성을 갖는 것으로 예상됩니다. 그들은이 입자들을 기록하지 않았기 때문에 이름을 지정하지 않았습니다. 그것은 나에게 청소년의 꿈을 이룰 수있는 기회를 주었다.
몇 년 전, Axion이라는 세탁 세제의 밝은 색상 상자를 슈퍼마켓 전시하는 것이 내 눈을 사로 잡았습니다. "Axion"은 입자 이름처럼 들리며 실제로 하나 여야합니다. 그래서“축 방향”전류의 문제를“청소”하는 새로운 입자를 발견했을 때 나는 기회를 보았습니다. (나는 곧 Steven Weinberg 가이 입자를 독립적으로 알아 차렸다는 것을 알게되었습니다. 그는 그것을“igglet”이라고 부르고있었습니다. 그는 기꺼이 그 이름을 포기하는 데 동의했다고 생각합니다. 따라서 결론이 남아있는 사가를 시작했습니다.
.입자 데이터 그룹의 연대기에서는 수십 개의 실험을 다루는 여러 페이지를 찾을 수 있으며 실패한 Axion 검색을 설명합니다.
그러나 낙관론의 근거가 있습니다.
Axions의 이론은 일반적인 방식으로 Axions는 매우 가볍고 일반적인 물질과의 상호 작용이 매우 연약한 매우 오래 지속되어야한다고 예측합니다. 그러나 이론과 실험을 비교하려면 정량적이어야합니다. 기존 이론이 Axion의 질량의 가치를 고치지 않기 때문에 우리는 모호성을 충족시킵니다. Axion의 질량을 알고 있다면 다른 모든 속성을 예측할 수 있습니다. 그러나 질량 자체는 넓은 범위에 따라 다를 수 있습니다. (Charmed Quark, Higgs 입자, 상단 쿼크 및 기타 여러 다른 사람들에 대해서도 동일한 기본 문제가 발생했습니다. 각 입자가 발견되기 전에 이론은 을 제외하고 모든 특성을 예측했습니다. 질량의 가치에 대해) Axion의 상호 작용의 강도는 질량에 비례합니다. 따라서 Axion Mass의 가정 값이 감소함에 따라 Axion이 더 애매게됩니다.
초기에 물리학 자들은 axion이 Higgs 입자와 밀접한 관련이있는 모델에 중점을 두었습니다. 이 아이디어는 axion 덩어리가 약 10 keV, 즉 전자 질량의 약 50 분의 1이어야한다고 제안했습니다. 내가 이전에 언급 한 대부분의 실험은 그 캐릭터의 축을 검색했습니다. 이제 우리는 그러한 축이 존재하지 않는다고 확신 할 수 있습니다.
그러므로, 실험에 의해 제외되지 않은 axion 덩어리의 훨씬 작은 값 (그리고 결과적으로 Penb러 블러 커플 링)에주의를 기울였다. 이러한 종류의 축은 표준 모델의 상호 작용을 통합하는 모델에서 매우 자연스럽게 발생합니다. 그들은 또한 문자열 이론에서도 발생합니다.
우리는 빅뱅의 가장 빠른 순간에 풍부하게 생산되어야한다고 계산했다. Axions가 전혀 존재하지 않으면 Axion 유체가 우주에 퍼져 나갑니다. Axion 유체의 기원은 유명한 우주 전자 레인지 배경 (CMB) 방사선의 기원과 매우 유사하지만이 두 개체 사이에는 세 가지 주요 차이점이 있습니다. 첫째 :전자 레인지 배경이 관찰되었으며, Axion 유체는 여전히 가설 적입니다. 두 번째 :Axions는 질량이 있기 때문에 유체는 우주의 전체 질량 밀도에 크게 기여합니다. 사실, 우리는 그들이 대략 대량 천문학 자의 양이 암흑 물질로 식별된다고 계산합니다! 셋째 :axions는 너무나도 상호 작용하기 때문에 CMB의 광자보다 관찰하기가 훨씬 어렵습니다.
축에 대한 실험적 검색은 여러 전선에서 계속됩니다. 가장 유망한 실험 중 두 가지는 Axion 유체를 감지하는 것을 목표로합니다. 그 중 하나 인 ADMX (Axion Dark Matter Experiment)는 특수 제작 된 초음파 안테나를 사용하여 배경 축을 전자기 펄스로 변환합니다. 다른 하나는 캐스퍼 (우주 Axion Spin Catsession Experiment)는 핵 스핀의 움직임에서 작은 흔들림을 찾고 있으며, 이는 Axion 유체에 의해 유도 될 것이다. 그들 사이에서,이 어려운 실험은 가능한 axion 덩어리의 거의 모든 범위를 다루겠다고 약속합니다.
축이 존재합니까? 우리는 여전히 확실하지 않습니다. 그들의 존재는 Time의 가역적 화살표 이야기를 극적이고 만족스러운 결론으로 가져오고, 어둠의 수수께끼를 해결하여 부팅 할 것입니다. 게임이 시작되었습니다.
