時間反演：一個簡單的粒子能揭開新物理學

Time reversal: A simple particle could reveal new physics
http://www.physorg.com/news/2011-10-reversal-simple-particle-reveal-physics.html

By Shelley Littin, October 11, 2011

(PhysOrg.com) -- 一個簡單的原子核就能揭開某種特性，那與稱之為時間反演（time reversal，時間逆轉）的神秘現象的相關，且導致對物理學中最大謎題之一 -- 宇宙中物質與反物質的不均衡 -- 的一種解釋。

物理世界最近受到一則新聞的震撼：有一類稱為微中子的次原子粒子也許超越了光速。

為新點子的輕率加油添醋， Arizona 大學理論物理學家 Bira van Kolck 最近提出，以另一種小粒子，稱為氘核（deuteron，重氫核），進行實驗，將導致對物理學家所面對最令人挫敗的難題之一 -- 宇宙中物質與反物質的不均衡 -- 做出一種解釋。

氘核是一種簡單的原子核。它的簡易性使得它成為核子物理實驗中的最佳目標之一。

氘核有種特性稱為「磁四極矩（magnetic quadrupole moment）」，能揭露「時間反演違逆（time reversal violation）」這種現象的來源，Van Kolck 以及同僚，包括最近從 UA 畢業的博士生 Emanuele Mereghetti，在最近一篇發表於 Physical Review Letters 的論文中報告。

物理學家所認識的絕大部份宇宙可由粒子物理學的標準模型來解釋。由 Van Kolck 的前指導教授、諾貝爾桂冠 Steven Weinberg（溫伯格）所開發，標準模型描述牛頓運動定律到次原子粒子行為（量子力學）的每一件事。

"這個理論幾乎解釋了到目前為止我們對於宇宙所知的每一件事，" Van Kolck 說。"然而，" 他補充，"這裡有個問題，標準模型無法解釋。"

"好比光子與中子 -- 此粒子構成原子的核心 -- 每種粒子都有所謂的反粒子，如反光子或反中子這些東西。宇宙的粒子似乎比反粒子多了許多，" Van Kolck 說。"所以，這有個問題：為何在粒子與反粒子之間，宇宙似乎有這樣一種不對稱存在。"

"目前的跡象是，宇宙始於一種非常稠密的狀態，某些人稱之為大霹靂，並從那演化而來。如果我們能證明，「宇宙伊始時粒子與反粒子數量均衡，而目前我們觀測到有更多粒子的這項事實，現在能用宇宙演化中的過程來解釋」，這將會十分吸引人。"

當事物看起來不平衡時，物理學家問為什麼。解釋可能位於時間反演現象中的罕見違逆。


時間反演？

"讓我們假設你在玩撞球，" Van Kolck 說。"你有二顆撞球且你敲它們使其在桌上對撞。假設你把過程拍下，但你把影片以倒轉方式播放。如果你沒有告知觀者正在看的版本那個是向前、哪個是向後，那麼此人將無法區別。"

與影片中一樣，時間在描述我們世界的等式中可以顛倒，而等式仍然維持平衡。

例如，你車子的最大速度是它每小時可含括的哩數，對於物理學家來說則是距離除以時間。如果時間反演，所以那變成了一個負數，等式依然平衡，因為速度與距離的幅度（magnitudes，數的絕對值）維持相同。

你說，且慢。時間只朝一個方向前進：人變更老，不是變更年輕。

"這是一種顯著的時間方向，" Van Kolck 說。"那與初始狀態有關。我們可以有在二種方向上均有效的物理定律，但仍出現時間有方向的現象。"

"讓我們繼續提到撞球的例子，" Van Kolck 說。"當遊戲開始時，桌上有一副排成三角形的球，然後有人將一顆球射入這堆球，導致所有的球四散。如果你倒著播影片，絕大部份的人會說，在原始電影中有個方向，因為你不太可能用正確的速度開所有的球，使它們相撞，全部的球停下後，形成三角形，然後只有一顆球跑出來。"

"我們感知某種偏好方向的理由與這個事實有關：從一種簡單的初始狀態開始比從非常複雜的狀態開始要更容易，" Van Kolck 說。所以時間可在物理學方程式中逆轉而不會影響結果，不過時間逆轉的效應在我們的日常生活中仍無法察覺。

"一直到 1960 年代，物理學家認為當時間變換（transformation）成負數時間，物理學定律完全不變，" Van Kolck 說。"他們接著發現，有些涉及次原子粒子的現象似乎稍微違逆了這種對稱。"

換言之，如果你拍攝桌球影片，然後以倒轉方式播放，倒轉的版本與正常播放的版本事實上會有一點點的差異 -- 如同 "母體（譯註：指電影《駭課任務》中的那個母體）中的小瑕疵。"

"那好像在某方向上發生的某些事情的過程，與相反版本相較，不會以相同的速率發生，" Van Kolck 說。這種現象稱為時間反演違逆。

當時間反演被違逆時，等式將無法平衡；你的車跑的不會像回程時那樣快。物理學家認為，正是這種不平衡，也許能解釋宇宙中數量不相等的物質與反物質。

當物理學家首度在次原子粒子中開始尋找時間反演違逆的來源時，他們測量過粒子的一些特性，稱電偶極矩（electric dipole moments，EDMs）。

EDM 是由次原子粒子的一種特性所產生，稱為自旋。自旋能被視覺化成，一個粒子繞著它的中心旋轉，而不是像地球那樣繞著它的軸自轉。

時間反演時，自旋看起來會顛倒，如同一部粒子的影片倒轉播放。但為了等式的平衡，EDM 得等於零。任何非零值將會產生不一樣的等式結果 -- 倒轉版本的影片事實上與正常播放的版本不同。

"物理學家得要尋找粒子的 EDMs，因為如果你測得一個，你就知道時間反演受到違逆了，" Van Kolck 說。"我們知道，在標準模型中有非常少的一點點的時間反演違逆。但那似乎不足以解釋物質／反物質的不對稱，因為時間反演的違逆非常小。所以，我們正尋找產生其他過程的來源，而我們在此過程中會看到這種現象。"

然而："測量單單 EDMs 並不會告訴你許多，" Van Kolck。"那會告訴你一些，不過我們所證明的是，如果你能測量氘核的另一種特性，稱為磁四極矩（magnetic quadrupole moment），那麼你就更能辨別此機制。"

"如同電偶極，磁四極（magnetic quadrupole）違逆了時間反演對稱，" Van Kolck 說。他與他的同僚確定時間反演違逆的機制，那與氘核之磁四極矩的不同測量方式相關。

"在分離這些機制上，先前沒人指出這會是一種如此有效的方法，" Van Kolck 說。"我們正提倡，人們試著去測量磁四極矩以了解時間反演違逆的來源。"

揭露先前未知的 t-violation 來源，能導致對物理學所面臨的最大問題之一做出解釋：宇宙中物質與反物質不均勻的理由。

以氘核進行的實驗，將探索的能量規模與 CERN 的 LHC 相同，且能導致物理學中的全新發現，Van Kolck 表示："那是一種在標準模型之外，看待物理學的不同方法。"

※ 相關報導：

＊ P and T Violating Form Factors of the Deuteron
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.091804

J. de Vries, E. Mereghetti, R. G. E. Timmermans, and
U. van Kolck
Phys. Rev. Lett. 107, 091804 (2011) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.107.091804

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