• Friday March 22,2019

Zeitumkehrungsverletzung ist nicht der "Pfeil der Zeit"

Sieht aus wie die guten Leute beim BaBar-Experiment am SLAC, der das Gefühl hat, meine Aufmerksamkeit sei vom Higgs-Boson abgelenkt worden, und beschlossen, dass sie vielleicht ein Haustier von mir an einem ahnungslosen Publikum vorbeiziehen können, ohne meinen Zorn zu ziehen. Nicht so schnell, gute Leute in der BaBar!

Sie sind wirklich gute Leute, und sie haben ein äußerst beeindruckendes Stück experimenteller Virtuosität durchgeführt: eine direkte Messung der Asymmetrie zwischen einem Teilchenphysik-Prozess und seiner Zeitumkehrung, wodurch ein sehr direkter Beweis für die Zeit- Umkehroperation "T" ist keine gute Symmetrie der Natur. Hier das technische Papier, die SLAC-Pressemitteilung und eine halb populäre Erklärung der APS. (Ich könnte Sie mit dem Journalserver Physical Review Letters verknüpfen, nicht mit dem Arxiv, aber der erstere befindet sich hinter einer Paywall, während der letztere kostenlos ist und derselbe Inhalt ist. Warum sollte ich das tun? [Update: the Die PRL-Version ist hier kostenlos erhältlich, jedoch nicht direkt auf der PRL-Seite.])

Der Grund, warum es ein beeindruckendes Experiment ist, ist, dass es sehr schwierig ist, die Geschwindigkeit eines Prozesses direkt mit der genauen Zeitumkehr zu vergleichen. Sie können zum Beispiel die Lebensdauer eines Myons messen, wenn es in ein Elektron, ein Neutrino und ein Anti-Neutrino zerfällt. Es ist jedoch sehr schwierig (wirklich unpraktisch), ein Neutrino und ein Anti-Neutrino direkt auf ein Elektron zu schießen und die Wahrscheinlichkeit zu messen, dass sich daraus ein Myon bildet. Was Sie also sehen wollen, sind Schwingungen: Ein Teilchen wird in ein anderes verwandelt, das sich auch umwandeln kann. Das passiert normalerweise nicht - Elektronen können nicht in Positronen umgewandelt werden, weil Ladung erhalten bleibt, und sie können nicht in negativ geladene Pionen umgewandelt werden, weil Energie und Leptonzahl erhalten werden usw. Aber Sie können den Trick dazu bekommen arbeiten mit bestimmten Quark-Antiquark-Paaren, wie neutralen Kaonen oder neutralen B-Mesonen, wobei das Teilchen und sein Antiteilchen ineinander hin- und herpendeln können. Wenn Sie irgendwie zwischen Partikel und Antiteilchen unterscheiden können, beispielsweise wenn sie in verschiedene Dinge zerfallen, können Sie grundsätzlich die Schwingungsraten in jede Richtung messen. Bei unterschiedlichen Raten sagen wir, dass wir eine Verletzung der T-Umkehrsymmetrie oder kurz T-Verletzung gemessen haben.

Wie ich in From Eternity to Here diskutiere, wurde diese Art von Phänomen zuvor gemessen, beispielsweise durch das CPLEAR-Experiment am CERN im Jahr 1998. Sie verwendeten Kaons und Anti-Kaons und beobachteten, wie sie in verschiedene Nachwuchspartikel zerfallen. Wenn man der BaBar-Pressemitteilung glauben will, gibt es Kontroversen darüber, ob dies „wirklich“ die T-Verletzung gemessen hat. Das wusste ich nicht, aber es ist auf jeden Fall gut, eine völlig unabhängige Messung durchzuführen.

So sah BaBar auf B-Mesonen. Ich werde nicht ins Detail gehen (siehe den Erklär hier), aber sie waren in der Lage, die Schwingungen zwischen einer Art von neutralem B-Meson und der genauen Umkehrung dieser Operation genau zu bestimmen. (Okay, winziges Detail: eine Art war ein Eigenzustand von CP, der andere war ein Eigenzustand von Geschmack. Glücklich jetzt?)

Sie fanden heraus, dass T tatsächlich verletzt wird. Dies ist ein großartiges Ergebnis, obwohl es absolut niemanden überrascht. Es gibt ein berühmtes Ergebnis namens CPT-Theorem, das besagt, dass, wann immer Sie eine gewöhnliche Quantenfeldtheorie haben ("gewöhnlich" bedeutet "lokal und Lorentz-invariant"), die kombinierten Operationen von Zeitumkehrung T, Parität P und Partikel / Antiteilchenwechsel C ist immer eine gute Symmetrie der Theorie. Und wir wissen, dass CP in der Natur verletzt wird. das wurde 1980 mit dem Nobelpreis für Cronin und Fitch ausgezeichnet. Daher muss T verletzt werden, um die Tatsache, dass CP verletzt wird, aufzuheben und die Kombination CPT zu einer guten Symmetrie zu machen. Entweder das oder das Universum läuft nicht nach einer gewöhnlichen Quantenfeldtheorie, und das wäre in der Tat eine große Neuigkeit.

Alles perfekt und herrlich. Das Pet Peeve kommt nur in der Unterüberschrift der SLAC-Pressemitteilung zum Ausdruck: „Der Quantenpfeil der Zeit hat eine bevorzugte Richtung, wie die neue Analyse zeigt.“ Statt einer präzisen Aussage wird eine farbige Sprache verwendet, aber eine farbenfrohe Sprache extrem irreführend.

"Zeitpfeil" in dem Sinne, dass der Ausdruck konventionell verwendet wird (durch die Art von Leuten, die einen solchen Satz herkömmlich verwenden würden), bezieht sich auf die unzähligen Arten, in denen sich die Vergangenheit in unserer makroskopischen Erfahrung von der Zukunft unterscheidet Wirklichkeit. Die Entropie nimmt mit der Zeit zu. wir erinnern uns an gestern und nicht an morgen; Eiswürfel schmelzen und erzeugen nicht in warmen Gläsern Wasser spontan; Sahne- und Kaffeemischung und nicht mischen; wir werden jung geboren und werden älter; Wir können Entscheidungen über unsere bevorstehenden Maßnahmen treffen, nicht jedoch über unsere Vergangenheit. Diese neue Messung im B-Meson-System - in der Tat das gesamte Phänomen der T-Verletzung - hat absolut nichts mit diesem Zeitpfeil zu tun .

Der Grund ist ziemlich einfach zu verstehen. Der Pfeil der Zeit dreht sich um das Konzept der Irreversibilität - die Dinge laufen in eine Zeitrichtung, nicht in die andere. Sie können Eier durcheinander werfen, aber nicht entschlüsseln, usw. Das ist überhaupt nicht das, was in den B-Mesonen vor sich geht. Die Schwingungen zwischen verschiedenen Mesonarten kommen in beiden Zeitrichtungen perfekt vor, nur mit immer unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Darüber hinaus spielen keine B-Mesonen (oder Kaonen) eine entscheidende Rolle bei dem, was passiert, wenn Sie Eier durcheinander bringen.

Mit anderen Worten, die fraglichen Teilchenphysikprozesse sind vollkommen reversibel. Informationen gehen nicht mit der Zeit verloren. Sie können genau herausfinden, wie der Quantenzustand war, indem Sie wissen, was es jetzt ist. (Es ist "einheitlich", das Jargon-Wort zu verwenden.) Das ist völlig anders als der makroskopische Pfeil der Zeit. In der Tat gibt es einen Sinn, in dem T-Verletzung einfach ein Unfall der Nomenklatur ist. Wir könnten einfach entscheiden, was wir unter "Zeitumkehr" verstehen, als das, was die meisten Lehrbücher jetzt als "CPT" definieren. Dann wäre Zeitumkehr eine gute Symmetrie der Natur! Sie können tatsächlich nachweisen, dass jede Theorie, die grundsätzlich umkehrbar ist (einheitlich, informationserhaltend), eine Operation hat, die einer Zeitumkehr entspricht, die eine gute Symmetrie darstellt. Die sorgfältig gestellte Frage der Physik lautet also nicht "Warum wird T verletzt?", Sondern "Warum ist die konservierte Vorstellung von Zeitumkehr eine, die beinhaltet, was wir auch mit C und P bezeichnen?"

Der Grund, warum es sich hier als Haustier lohnt, ist die Tatsache, dass die Verwirrung zwischen Zeitumkehr und Zeitpfeil häufig dazu führt, dass kluge Physiker denken, etwas Interessantes über den Zeitpfeil entdeckt zu haben, wenn sie sich wirklich mit einem vollständig beschäftigen anderes Problem. Wir verstehen, warum es einen Zeitpfeil gibt: weil das frühe Universum mit einer niedrigen Entropie begann und die generische Evolution von einem solchen Zustand zu einer Zunahme der Entropie führt. Wenn Sie eine Theorie haben, die erklärt, warum das frühe Universum eine niedrige Entropie hatte, haben Sie den beobachteten Zeitpfeil erfolgreich berücksichtigt. Wenn Sie eine Theorie haben, die die niedrige Entropie in der Nähe des Urknalls nicht erklärt, haben Sie den beobachteten Zeitpfeil nicht erfolgreich berücksichtigt. Ich liebe die B-Mesonen, aber sie sind nicht der Grund, warum wir Humpty Dumpty nicht wieder zusammenbringen können.


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