Časová symetrie vesmíru

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