Časová symetrie vesmíruVeritasium

Většina fyzikálních procesů je stejná i pozpátku. Jinak řečeno, fyzika funguje stejně popředu i pozpátku. Proto nepoznáte, jestli videa přehrávám normálně, nebo pozpátku. Entropie se tady považuje za jedinou výjimku. Druhý termodynamický zákon tvrdí, že entropie systému neboli úroveň chaosu se vždy s časem zvyšuje. Ale rostoucí entropie je emergentní interakce, je výsledkem pohybu mnoha částic.

Což nabízí otázku, jestli samy elementární částice rozeznají směr toku času? Nebo jinak: Existuje proces v měřítku částic, který funguje jinak popředu a pozadu? Překvapivě je odpověď ano. V elementární fyzice jsou tři symetrie, které byly pokládané za zásadní.

Nábojová, paritní a časová. Časová symetrie znamená, že interakce fungují stejně i pozadu. Díky nábojové symetrii interakce probíhají stejně, když se náboje prohodí. Jinak řečeno není nic zvláštního na pozitivním náboji. V přírodě se chová stejně, jen přesně opačně než ten negativní. A paritní symetrie znamená, že vesmír nevnímá levorukost a pravorukost.

Představte si, že by před naším vesmírem stálo obrovské zrcadlo. V zrcadle je osa z obrácená a moje pravá ruka se stane levou, ale fyzikální zákony by měly být stejné. Měly by fungovat stejně v zrcadlovém světě jako v normálním. S žádnou preferencí pro pravorukost nebo levorukost. Nebo jinak, neměl by existovat experiment, díky kterému byste poznali, jestli jste v zrcadlovém světě. Každá z těchto symetrií je známá pod anglickými iniciály, C, P a T.

V 50. letech jsme se domnívali, že každá částice se jimi řídí. Ale v roce 1956 fyzikové Lee a Yang podotkli, že paritní symetrie se nikdy netestovala pomocí slabé jaderné síly. Takže o vánočních prázdninách profesorka Chien-Shiung Wu z Kolumbijské univerzity plánovala jet s manželem, také fyzikem, na dovolenou. Místo toho ji ale myšlenka slabé interakce porušující paritní symetrii tak zaujala, že se rozhodla zůstat doma a jako první ji otestovat.

Spolu s týmem vědců pracujících s nízkými teplotami zmrazili atomy kobaltu 60 na pouhou třetinu tisíciny stupně nad absolutní nulou. Pak na ně působili silným magnetickým polem, aby všechny spiny jejich jader byly stejně orientované. Radioaktivní kobalt se rozpadá za vzniku slabé jaderné síly, zatímco uvolňuje beta částici, elektron. Experiment měřil směr pohybu těchto uvolněných elektronů relativně k orientaci spinu kobaltových jader.

Abychom viděli paritní symetrii, představme si zrcadlovou verzi experimentu. V zrcadle se změní osa z, ale orientace spinu nikoliv. Těleso rotující ve směru hodinových ručiček rotuje stejně i v zrcadle. To znamená, že spiny jader i jejich odrazů jsou stejně orientované. Zrcadlový experiment je stejný jako originál. Když se kobalt rozpadá a uvolňuje elektron, elektron může letět doleva, či doprava.

Kdyby to bylo paritně symetrické, měl by se stejně pravděpodobně uvolnit na každou stranu. Tím by opravdový experiment měl stejné výsledky jako obraz. Kdyby ale elektrony létaly spíš na jednu stranu, třeba na pozitivní stranu osy z, pak by v zrcadle elektrony také musely letět na zrcadlenou pozitivní stranu osy z, čili přesně na opačný směr.

V normálním světě by tedy elektrony byly emitovány například naproti spinu, zatímco v zrcadle by letěly na stejnou stranu jako spin. Dává to tedy vůbec smysl? Umožnilo by vám to zjistit, jestli jste v zrcadleném světě. Je to jako káča z Počátku, jestli jdou elektrony na jednu stranu, jste v zrcadlovém světě, jestli jdou na opačnou, jste v tom normálním.

Ať už zní jakkoliv šíleně, přesně to profesorka Wu viděla. Elektrony byly emitovány převážně na jednu stranu. A ne jen o trochu. Většina z nich byla emitována naproti spinu. Slabá interakce nejen porušuje paritu, ale porušuje ji tolik, jak je jen fyzikálně možné. To úplně zničilo základní předpoklad fyziky, který byl uznávám desetiletí.

Vesmíru nějak záleží na pravorukosti a levorukosti. Když Wu oznámila své výsledky, fyziky to šokovalo. Když se o tom dozvěděl laureát Nobelovy ceny Wolfgang Pauli, řekl: "To je úplná blbost." A trval na chybě ve výsledcích. Když byl experiment replikován, fyzici museli uznat, že vesmír je jiný, než si představovali.

Nobelova cena za vyvrácení paritní symetrie byla udělena v roce 1957, ve stejném roce, jako byly výsledky publikovány. Výrazně to změnilo pohled fyziků na svět. Než ale všechno hodili za hlavu, našli jiný způsob, jak teorie ponechat. Možná nevadilo, že parita ne vždy funguje, protože sama o sobě symetrií být nemusí, může být součástí paritně-nábojové symetrie CP.

Myšlenkou bylo, že kdyby zrcadlo otočilo nejen osu, ale i změnilo částice na antičástice s opačným nábojem, pak by symetrie byla obnovena. Matematika za naší fyzikou by pořád fungovala. A to fyziky zachránilo, tedy dokud v roce 1964 nezjistili, že některé částice mohou porušit i CP symetrii. A hned z toho byla další Nobelova cena.

Byla vyvrácena dvě pravidla, která se považovala za naprosto základní. Přišlo tedy na poslední linii obrany teorie, kombinovanou symetrii CPT, tedy i s časovou symetrií. Možná slabá interakce porušuje paritní a nábojovou symetrii, ale určitě neporuší paritu, náboj i čas dohromady. A dodnes si fyzici jsou jistí, že CPT je fungující symetrie. Dosud nikdo nedokázal odhalit její porušování. Kdyby ji někdo dokázal vyvrátit, museli bychom přepsat posledních sto let, protože by speciální teorie i kvantová teorie pole byly chybné.

Takže řekněme, že CPT je opravdová symetrie. Ale co to znamená? Víme, že CP může být porušená, ale CPT nikoliv. Někdy tedy musí být porušen i čas. Jinak by se nemohla udržet symetrie CPT, zatímco dvě subsymetrie by nefungovaly.

Fyzikové sestrojili experimenty, které potvrzují, že některé částice porušují časovou symetrii. Například když silná interakce drží dohromady pár kvarků, někdy jsou možná dvě uspořádání. Pomocí slabé interakce mezi nimi mohou volně přecházet. Ale přejít v jednom směru trvá déle než v opačném. Kdybyste to tedy mohli nahrát, vypadalo by to pozpátku jinak než normálně.

A přesně to znamená porušit časovou symetrii. V některých případech tedy elementární částice poznají rozdíl mezi směrem toku času. Druhý zákon termodynamiky není jediný proces, který v času preferuje jeden směr. Je tohle původ našeho vnímání, že čas plyne jen jedním směrem? Nebo je to důvod pro šipku ukazující vesmíru směr času? Pravdou je, že pořád netušíme, proč čas plyne jedním směrem.

Je zajímavé, že fyzici si mysleli, že parita, náboj a čas byly neporušitelné symetrie. Ale časem byla každá z těch symetrií porušena. Je konečná symetrie CPT také neporušitelná? Nebo padne a vezme speciální relativitu a kvantové pole s sebou? To jsou jedny z velkých, nevyřešených záhad v naší cestě za porozuměním vesmíru.

Možná jednou zase další fyzik vynechá dovolenou, aby zjistil odpověď. Překlad: Šaman Bobo www.videačesky.cz