Книга: Сейчас. Физика времени

Нарушение обратимости времени

Нарушение обратимости времени

Рассматривая вопрос о сейчас, мы скоро войдем в царство квантовой физики, которая стала другой теоретической революцией XX века (в дополнение к теории относительности). Некоторые концепции квантовой физики так же будоражат наше сознание, как и наиболее волнующие аспекты теории относительности, или даже более того. Это концепция о путешествии частиц назад во времени (антивещество) и таинственное явление под названием квантовое измерение, которое, судя по всему, обладает собственной «стрелой». Но прежде чем перейти к затронутым вопросам, хочу коснуться квантового явления, имеющего непосредственное отношение к стреле времени. Открытое в 2012 году, оно получило название нарушение обращения времени, или нарушение Т-симметрии (Т – time, время).

Нарушение обращения времени подразумевает, что картина взаимодействий между частицами может быть одинаково представлена как движущаяся вперед или движущаяся назад. В субатомный мир элементарных частиц встроено направление времени, никак не связанное с энтропией. Открытие нарушения Т-симметрии было далекоидущей целью физики (я не буду использовать затасканную метафору с поисками святого Грааля[168]), которая смогла быть достигнута с большим трудом в результате проведения очень сложных экспериментов. Нарушение Т-симметрии подозревали уже давно. Когда же были проведены наблюдения за различиями в поведении частиц и античастиц, ученые восприняли это как указание на то, что нарушения Т-симметрии станут реальностью.

В 1960 годах в качестве докторанта я изучал взаимодействие частиц вместе с Филом Даубером, который только что поступил на работу в группу, возглавляемую Луисом Альваресом, в лаборатории Лоуренса университета Беркли. Я был очень взволнован, когда одна из частиц под названием каскадный гиперон (кси-гиперон), которую мы изучали, показала признаки нарушения Т-симметрии в процессе распада! Поскольку такое открытие могло стать очень важным, Фил тщательно проверял все данные, придумывал самые невероятные тесты, стремясь не допустить возможных системных искажений и всеми силами стараясь опровергнуть свое открытие.

В конце концов он сказал, что ему удалось снизить количество стандартных отклонений при исследовании нарушения Т-симметрии всего до двух. То есть у него есть «только» 95 % на то, чтобы быть правым, и 5 % – на ошибку. Фил объяснил, что такое соотношение не годится для важного открытия. У исследователя остается 5 % шансов на то, что его доклад будет содержать полную чепуху. Я был ошарашен, думая иначе: 95 % вероятности того, что такое важное открытие – истинно, уже очень большая вероятность. Однако это не так, терпеливо объяснял мне Даубер. Все работающие с физикой частиц, по его словам, должны руководствоваться высокими стандартами. В докладе о работе мы с Филом указали, что параметр, обозначающий наличие нарушения Т-симметрии, имел всего лишь два стандартных отклонения от нуля – а это означало, что он практически равен нулю. Мы сделали вывод об отсутствии нарушения Т-симметрии. Ярких заголовков газет не случилось.

Представьте мое разочарование. Я подключился к проекту, сулившему одно из важнейших открытий всех времен, о котором мои потомки могли бы читать в книгах по истории. И у меня было 95 % шансов на то, что я прав! Однако Фил не был уверен в том, что 95 %-ная вероятность успеха – это достаточно много.

Спустя десятилетия я вернулся к этому вопросу. Со временем появились более точные приборы для измерения Т-симметрии в отношении каскадного гиперона. И что интересно, окончательный результат действительно оказался нулевым, хотя и с гораздо меньшей вероятностью ошибки. Фил оказался совершенно прав в следовании строгим научным стандартам, а я вынес из этой истории очень важный урок насчет научных открытий.

Что же пошло не так? Как получилось, что находка, дававшая 95 %-ную вероятность того, что она верна, оказалась ошибкой? Да просто в то время мы изучали множество физических явлений. Наблюдали распад различных частиц, следили за их взаимодействием, за изменениями массы и ожидаемой симметрией. В научном отчете мы упоминали о примерно 20 полученных результатах. Если каждый из них имел 5 %-ную вероятность ошибки, мы должны были ожидать, что один из них – вообще неверный. Единственный путь к отсутствию серьезных ошибок – следование высоким научным стандартам.

Сейчас, вспоминая работу в группе Альвареса, понимаю, что мне очень повезло: я взаимодействовал с удивительным коллективом, в который входили одни из лучших физиков мира. В 1960?1970-х годах они были на переднем рубеже физики частиц и почти каждый месяц сообщали об открытиях. Вполне может быть, что количество важных достижений, о которых они известили человечество, превысило число подобных в любой другой группе ученых в мире. Тем не менее не могу припомнить ни одного примера, чтобы обнародованное ими научное открытие было впоследствии признано ошибкой. Это удивительно. Добиться этого можно было, только соблюдая строжайшие стандарты.

В 2012 году коллектив ученых из Центра линейного ускорителя Стэнфордского университета опубликовал результаты исследования двух разных реакций, имеющих отношение к распаду редкой частицы под названием В-мезон. Эти частицы существуют в нескольких формах, в том числе и таких:

(нейтральный В-мезон с черточкой) и В_ (В-мезон «минус»). Ученые изучали две реакции: одну, в которой

превращается в В_, и вторую – с обратным процессом. Это процессы с обращенным временем: если вы смотрите фильм, показывающий один процесс, то это может быть и фильм, показывающий другой процесс в обратном времени. Однако в ходе изучения реакций группа наблюдала нарушения симметрии, которые составили 14 стандартных отклонений. Согласно теории статистики, такой результат давал вероятность ошибки в соотношении всего лишь 1:10⁴⁴. Это один шанс на 100 тредециллионов[169]. Такой ничтожный шанс на ошибку, наверное, удовлетворил бы даже Фила Даубера.

Это открытие не было случайным. Изучению реакций В-мезонов предшествовало наблюдение за очень своеобразным поведением связанных с ними каонов[170]. Исследователи хотели в этих взаимодействиях увидеть нарушения обращения времени. Сегодня мы можем ясно сказать то, о чем в 2012 году могли только догадываться: обращение времени вовсе не полная симметрия законов квантовой физики. Время, движущееся вперед, отлично от времени, идущего назад.

Это очень важное соображение в изучении природы времени. Но может ли оно каким-то образом сыграть роль в определении направления движения времени, его течения и значения сейчас? Думаю, нет. Нарушение инверсии времени невелико по эффекту. Используя метафору, можно сказать, что принцип инвариантности времени нарушен, но это не тяжкое преступление. Ситуацию можно приравнять к штрафу за неправильную парковку, а не к серьезному уголовному наказанию. Доказательством нарушения Т-симметрии сегодня можно назвать только особый вид радиоактивности (распад В-мезонов), который можно наблюдать лишь в экзотических лабораториях физики высоких энергий. Как может такое локальное и трудно наблюдаемое явление сыграть какую-то роль в определении направления времени?

Эти утверждения подводят меня к мысли, что нарушение обращения времени не особенно важно в повседневной жизни. Однако это не означает, что оно не было значимым на ранних этапах существования Вселенной, когда все пространство было заполнено плотным перегретым бульоном из частиц, в том числе (в очень ранней Вселенной) множества каонов и В-мезонов.

На самом деле существуют серьезные аргументы в пользу того, что нарушение симметрии вещества и антивещества, тесно связанных между собой, и послужило условием для создания Вселенной, которую мы знаем сегодня. Андрей Сахаров[171], нобелевский лауреат (за критику советского правительства) и один из авторов водородной бомбы, в 1967 году отмечал, что нарушение симметрии вещество-антивещество (называемое СР-симметрией) могло привести к небольшому преобладанию вещества над антивеществом в первые моменты возникновения Вселенной, в объемах примерно одной части на 10 миллионов. Однако впоследствии, по мере остывания Вселенной, все антивещество вступило в аннигиляцию с веществом, превратившись в фотоны. Из-за небольшого преобладания вещества при аннигиляции образовались его небольшие остатки в виде того вещества, которое сейчас наполняет Вселенную. Звезды, планеты и люди – все это сделано из небольшого количества вещества, оставшегося после великой аннигиляции. Нарушение СР-симметрии было небольшим и преимущество вещества – совсем незначительным. Да здравствует победа!

Наблюдение нарушения обращения времени важно и с еще одной точки зрения: оно было предсказано на основе базовых положений квантовой теории, в которой выражается абстрактной СРТ-теоремой. То, что эта абстрактная теорема предсказала необычное явление и была подтверждена, стало еще одной демонстрацией того, что квантовая теория имеет прочное основание.