Perché, allora, il tempo sembra muoversi in una sola direzione?
Una delle possibili risposte potrebbe anche svelare i segreti della massa mancante. Alcuni dei fatti della nostra esperienza sono tanto evidenti e diffusi quanto la differenza tra passato e futuro. Ricordiamo una cosa, ma ce ne aspettiamo un'altra. Se esegui il film nella direzione opposta, non sarà realistico. Diciamo "freccia del tempo", che significa il percorso dal passato al futuro.
Si potrebbe presumere che l'esistenza della freccia del tempo sia incorporata nelle leggi fondamentali della fisica. Ma è vero anche il contrario. Se hai realizzato un film sugli eventi subatomici, scopriresti che la sua versione invertita nel tempo sembra abbastanza ragionevole. Più precisamente, le leggi fondamentali della fisica - con l'eccezione di minuscole eccezioni esotiche, alle quali torneremo - funzioneranno indipendentemente dal fatto che ruotiamo la leva del tempo avanti o indietro. Sullo sfondo delle leggi fondamentali della fisica, la freccia del tempo è reversibile.
Logicamente, una trasformazione che inverte la direzione del tempo deve cambiare anche le leggi fondamentali. Il buon senso determina cosa dovrebbe. Ma non cambia. I fisici usano un acronimo conveniente per descrivere questo fatto. Chiamano la trasformazione che inverte la freccia del tempo, semplicemente T, dall'inversione temporale. E il fatto che T non cambi le leggi fondamentali è indicato come "T-invarianza" o "T-simmetria".
L'esperienza quotidiana viola la T-invarianza, mentre le leggi fondamentali la rispettano. Questa evidente discrepanza solleva domande difficili. Come fa il mondo reale, le cui leggi fondamentali rispettano la simmetria a T, a sembrare così asimmetrico? È possibile che un giorno troveremo esseri che vivono al ritmo opposto del tempo - che diventano più giovani man mano che invecchiamo? Possiamo, attraverso un processo fisico, invertire la nostra freccia del tempo?
Queste sono domande interessanti, su cui torneremo più avanti. In questo articolo, Frank Wilczek, fisico teorico presso il Massachusetts Institute of Technology e vincitore del Premio Nobel, ha deciso di trattare un altro problema. Sorge quando inizi dall'altra parte, nel quadro di un'esperienza condivisa. L'enigma è questo?
Perché le leggi fondamentali hanno questa proprietà problematica e strana, T-invarianza?
La risposta che si può offrire oggi è incomparabilmente più profonda e complessa di quella che potevamo offrire 50 anni fa. La comprensione odierna è emersa dalla brillante interazione tra scoperta sperimentale e analisi teorica, che hanno vinto diversi premi Nobel. Ma alla nostra risposta mancano alcuni elementi. La loro ricerca può portarci a una ricompensa inaspettata: la definizione di "materia oscura" cosmologica.
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La storia moderna della T-invarianza iniziò nel 1956. Quell'anno, T. D. Lee e C. N. Young misero in dubbio un'altra caratteristica, ma correlata, della legge fisica che in precedenza era stata data per scontata. Lee e Young non erano infastiditi da T in sé, ma dalla sua controparte spaziale, la trasformazione di parità di P. Mentre T implica la visione di film che vanno indietro nel tempo, P include la visione di film riflessi in uno specchio. La P-invarianza è l'ipotesi che gli eventi che vedi nei film riflessi obbediscano alle stesse leggi degli originali. Lee e Young hanno identificato incongruenze indirette in questa ipotesi e hanno proposto un importante esperimento per testarle. Esperimenti durati diversi mesi hanno dimostrato che in molti casi l'invarianza P viene violata. (P-invariance è conservata per interazioni gravitazionali, elettromagnetiche e forti,ma generalmente violato per interazioni deboli).
Questi drammatici eventi intorno alla P- (in) invarianza hanno portato i fisici a pensare alla T-invarianza, un'ipotesi correlata che una volta era data per scontata. Tuttavia, l'ipotesi della T-invarianza è stata sottoposta a rigorosi test per diversi anni. Fu solo nel 1964 che un gruppo guidato da James Cronin e Valentina Fitch scoprì un effetto peculiare e sottile nel decadimento dei mesoni K, che viola l'invarianza T.
La saggezza della comprensione di John Mitchell - che "non sai quello che hai finché non è andato" - è stata dimostrata in seguito.
Se continuiamo a chiederci “perché?” Come bambini piccoli, per un po 'avremo risposte più profonde, ma alla fine toccheremo il fondo quando arriveremo a una verità che non possiamo spiegare più semplicemente. In questo momento dichiariamo vittoria: "Tutto è com'è". Ma se in seguito troviamo eccezioni alla nostra presunta verità, questa risposta non ci soddisferà più. Dobbiamo andare avanti.
Finché T-invariance è una verità universale, non è chiaro quanto sarà utile la nostra domanda all'inizio. Perché l'universo era T-invariante? Solo perché. Ma dopo Cronin e Fitch, il puzzle dell'invarianza T semplicemente non può essere ignorato.
Molti fisici teorici hanno affrontato il fastidioso problema di capire come l'invarianza T possa essere estremamente accurata, ma non del tutto. E qui è tornato utile il lavoro di Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa. Nel 1973, hanno suggerito che la T-invarianza approssimativa è una conseguenza accidentale di altri principi più profondi.
Il tempo è passato. Non molto tempo prima, sono stati tracciati i contorni del moderno Modello Standard della fisica delle particelle elementari, e con essi un nuovo livello di trasparenza delle interazioni fondamentali. Nel 1973 esisteva un quadro teorico potente - ed empiricamente riuscito - basato su diversi "principi sacri". Si tratta della relatività, della meccanica quantistica e di una regola matematica di uniformità chiamata simmetria di gauge.
Ma far funzionare tutte queste idee insieme si è rivelato difficile. Insieme limitano in modo significativo le possibilità di interazioni di base.
Kobayashi e Maskawa, in due brevi paragrafi, hanno fatto due cose. In primo luogo, hanno dimostrato che se restringiamo la fisica alle particelle allora conosciute (ad esempio, se ci fossero solo due famiglie di quark e leptoni), allora tutte le interazioni consentite dai principi sacri seguono anche T-invarianza. Se Cronin e Fitch non avessero mai fatto la loro scoperta, non sarebbe stato così. Ma lo fecero, e Kobayashi e Maskawa andarono anche oltre. Hanno dimostrato che se introduciamo un insieme speciale di nuove particelle (la terza famiglia), queste particelle porteranno a nuove interazioni, portando a violazioni della T-invarianza. A prima vista, esattamente quello che il dottore ha ordinato.
Negli anni che seguirono, il loro brillante esempio di lavoro investigativo fu pienamente giustificato. Le nuove particelle di cui Kobayashi e Maskawa hanno ammesso di esistere sono state scoperte e le loro interazioni si sono rivelate esattamente ciò che avrebbero dovuto essere.
Attenzione, domanda. Questi sacri principi sono davvero sacri? Ovviamente no. Se gli esperimenti portano gli scienziati a completare questi principi, lo completeranno sicuramente. Al momento, i principi sacri sembrano dannatamente buoni. Ed erano abbastanza fruttuosi da prenderli sul serio.
Finora è stata una storia di trionfo. La domanda che ci siamo posti all'inizio, uno degli enigmi più difficili su come funziona il mondo, ha ricevuto una risposta parziale: profonda, bella, fruttuosa.
Alcuni anni dopo il lavoro di Kobayashi e Maskawa, Gerard t'Hooft scoprì una scappatoia nella loro spiegazione della T-invarianza. I principi sacri consentono un ulteriore tipo di interazione. La possibile nuova interazione è piuttosto sottile e la scoperta di t'Hooft è stata una sorpresa per la maggior parte dei fisici teorici.
La nuova interazione, se presente con una forza significativa, violerebbe l'invarianza del T in misura molto più evidente rispetto all'effetto scoperto da Cronin, Fitch e dai loro colleghi. In particolare, consentirebbe alla rotazione del neutrone di generare un campo elettrico, oltre al campo magnetico che può indurre. (Il campo magnetico di un neutrone in rotazione è analogo a quello che produce la nostra Terra in rotazione, anche se su scala completamente diversa.) Gli sperimentatori hanno cercato intensamente tali campi elettrici, ma la loro ricerca non ha prodotto risultati.
È come se la natura non volesse usare la scappatoia di t'Hooft. Naturalmente, questo è un suo diritto, ma questo diritto solleva nuovamente la nostra domanda: perché la natura segue la T-invarianza così attentamente?
Sono state offerte diverse spiegazioni, ma solo una ha superato la prova del tempo. L'idea centrale appartiene a Roberto Pezzie e Helen Quinn. La loro proposta, come quella di Kobayashi e Maskawa, prevede l'estensione del Modello Standard in modo speciale. Ad esempio, attraverso un campo neutralizzante, il cui comportamento è particolarmente sensibile alla nuova interazione di t'Hooft. Se è presente una nuova interazione, il campo neutralizzante regola la propria grandezza per compensare l'influenza di questa interazione. (Questo processo di sintonizzazione è generalmente simile a come gli elettroni caricati negativamente nei solidi si raccolgono attorno a impurità caricate positivamente e ne schermano l'influenza). Un tale campo neutralizzante, si scopre, chiude la nostra scappatoia.
Pezzie e Quinn hanno dimenticato le importanti implicazioni verificabili della loro idea. Le particelle prodotte dal loro campo neutralizzante - i suoi quanti - devono avere proprietà notevoli. Dal momento che si sono dimenticati delle loro particelle, non hanno nemmeno nominato loro. Questo mi ha permesso di realizzare il mio sogno d'infanzia.
Qualche anno prima avevo visto una scatola dai colori vivaci in un supermercato chiamato Axion. Mi è sembrato che l '"assione" suona come una particella e, a quanto pare, lo è. Così, quando ho scoperto una nuova particella che "pulisce" il problema con un flusso "assiale", mi sono sentito come se avessi una possibilità. (Ho saputo presto che anche Steven Weinberg ha scoperto questa particella, indipendentemente. L'ha chiamata Higglet. Fortunatamente, ha accettato di abbandonare quel nome.) Inizia così l'epopea, la cui conclusione resta solo da scrivere.
Nelle cronache del gruppo di dati sulle particelle, troverai diverse pagine che coprono dozzine di esperimenti che descrivono ricerche infruttuose per l'assione. Ma ci sono ancora motivi di ottimismo.
La teoria degli assioni prevede, in termini generali, che gli assioni dovrebbero essere particelle molto leggere e molto longeve che interagiscono debolmente con la materia ordinaria. Ma per confrontare teoria ed esperimento, devi fare affidamento sui numeri. E qui siamo di fronte all'ambiguità, poiché la teoria esistente non fissa il valore della massa dell'assione. Se conoscessimo la massa dell'assione, prediremmo il resto delle sue proprietà. Ma la massa stessa può essere in un'ampia gamma di valori. (Lo stesso problema era con il quark incantato, la particella di Higgs, il quark top e molti altri. Prima della scoperta di ciascuna di queste particelle, la teoria prevedeva tutte le loro proprietà, tranne il valore di massa). Si è scoperto che la forza di interazione dell'assione è proporzionale alla sua massa. Pertanto, al diminuire del valore della massa dell'assione, diventa sempre più sfuggente.
In passato, i fisici si sono concentrati su modelli in cui l'assione è strettamente correlato alla particella di Higgs. Si presumeva che la massa dell'assione dovesse essere dell'ordine di 10 keV - uno-cinquanta della massa di un elettrone. La maggior parte degli esperimenti di cui abbiamo parlato prima cercavano l'assione di un piano del genere. Al momento, possiamo essere sicuri che tali assioni non esistono.
Materia oscura
Pertanto, l'attenzione è stata attirata su valori molto più piccoli delle masse degli assioni, che non sono stati esclusi sperimentalmente. Assioni di questo tipo appaiono abbastanza naturalmente nei modelli che combinano interazioni nel Modello Standard. Appaiono anche nella teoria delle stringhe.
Abbiamo calcolato che gli assioni avrebbero dovuto essere prodotti in abbondanza durante i primi momenti del Big Bang. Se gli assioni esistono, allora il fluido degli assioni riempie l'Universo. L'origine del fluido assionico ricorda più o meno l'origine del famoso fondo cosmico a microonde, ma ci sono tre differenze principali tra i due. Innanzitutto, si osserva lo sfondo delle microonde e il fluido assionico rimane puramente ipotetico. Secondo, poiché gli assioni hanno massa, il loro fluido influenza la densità di massa complessiva dell'universo. Fondamentalmente, abbiamo calcolato che la loro massa dovrebbe corrispondere approssimativamente alla massa che gli astronomi hanno determinato dietro la materia oscura! Terzo, poiché gli assioni interagiscono così debolmente, dovrebbero essere più difficili da osservare rispetto ai fotoni CMB.
La ricerca sperimentale degli assioni prosegue su più fronti. Due degli esperimenti più promettenti mirano a trovare il fluido assionico. Uno di loro, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), utilizza speciali antenne super sensibili per convertire gli assioni di fondo in impulsi elettromagnetici. Un altro, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), cerca minuscole fluttuazioni nel movimento degli spin nucleari che potrebbero essere causati dal fluido assionico. Inoltre, questi sofisticati esperimenti promettono di coprire quasi l'intera gamma di possibili masse assiali.
Esistono gli assioni? Non lo sappiamo ancora. La loro esistenza porterebbe una conclusione drammatica e soddisfacente alla storia della freccia reversibile del tempo, e forse risolverebbe anche il mistero della materia oscura in un affare. Il gioco è iniziato.
Frank Wilczek, basato su Quanta Magazine
