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Die Regeln der Raumzeit brechen? Die Möglichkeit und Herausforderung der CPT-Symmetrieverletzung!
Ladungssymmetrien (C), Paritätssymmetrien (P) und Zeitumkehrsymmetrien (T) spielen in den grundlegenden Gesetzen der Physik eine Schlüsselrolle. Die Kombination dieser Quanten bildet die CPT-Symmetrie, die vermutlich die einzige präzise Symmetrie ist, die in der Natur auf fundamentaler Ebene beobachtet wird. Gemäß dem CPT-Theorem müssen alle Lorentz-invarianten lokalen Quantenfeldtheorien diese Symmetrie besitzen. Mit anderen Worten: Wenn es ein Universum aus Antimaterie, ein Spiegeluniversum und ein Universum mit umgekehrter Zeitachse gibt, dann sollten die physikalischen Gesetze genau dieselben sein wie in unserem. Eine solche Behauptung gibt Anlass zum Nachdenken: Gibt es im Rahmen des Konzepts des Multiversums ein Universum aus Antimaterie, das wir nicht beobachten können?
Geschichte
Der CPT-Satz tauchte erstmals 1951 auf, als Julian Schwinger versuchte, den Zusammenhang zwischen Spin und Statistik zu beweisen. Im Jahr 1954 lieferten Gerd Lüders und Wolfgang Pauli einen expliziteren Beweis; der Satz wird manchmal auch als Lüders-Pauli-Satz bezeichnet. Später hat auch John Stewart Bell diesen Satz unabhängig bewiesen.
Diese Beweise basieren auf den Prinzipien der Lorentz-Invarianz und Lokalität in Quantenfeldwechselwirkungen.
Bei den Forschungen Ende der 1950er Jahre entdeckten Wissenschaftler, dass die Verletzung der P-Symmetrie bei schwachen Wechselwirkungen nach und nach ans Licht kam. Gleichzeitig treten auch zuverlässige Verletzungen der C-Symmetrie auf. Obwohl man früher dachte, die CP-Symmetrie bliebe erhalten, ergab die Forschung in den 1960er Jahren, dass diese Annahme falsch war. Außerdem stellte man fest, dass aufgrund der CPT-Invarianz auch die T-Symmetrie verletzt war.
Herleitung des CPT-Theorems
Der Prozess der Herleitung des CPT-Theorems erfordert das Verständnis des Lorentz-Liftings, das als eine Operation zum Drehen der Zeitachse um die Z-Achse betrachtet werden kann. Wenn der Rotationsparameter eine reelle Zahl ist, werden bei einer Rotation um 180 Grad die Zeit- und Z-Richtung umgekehrt. Solche Änderungen sind eine Widerspiegelung des Raums in jeder beliebigen Raumdimension.
Mithilfe der Feynman-Stuckelberg-Theorie können wir uns Antiteilchen als ihre Gegenstücke vorstellen, die in umgekehrter Zeit laufen.
Diese Interpretation erfordert eine leichte analytische Fortsetzung und ist nur dann gut definiert, wenn die folgenden Annahmen gelten: Die Theorie ist Lorentz-invariant, das Vakuum ist Lorentz-invariant und die Energie ist nach unten begrenzt. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, kann die Quantentheorie auf die euklidische Theorie erweitert werden. Aufgrund der Kommutationsrelation zwischen dem Hamiltonoperator und dem Lorentzgenerator ist garantiert, dass die Lorentz-Invarianz äquivalent zur Rotationsinvarianz ist, sodass jeder Zustand um 180 Grad gedreht werden kann. Diese Tatsache kann zum Beweis des Spin-Statistik-Theorems verwendet werden.
Konsequenzen und Auswirkungen
Die Bedeutung der CPT-Symmetrie liegt darin, dass der „Spiegel“ unseres Universums im Hinblick auf die physikalischen Gesetze exakt derselbe sein wird, das heißt, die Positionsangaben aller Objekte werden durch Reflexion an jedem beliebigen Punkt neu angeordnet, der gesamte Impuls wird umgekehrt und alle Materie wird durch Antimaterie ersetzt.
Die CPT-Transformation verwandelt unser Universum in sein „Spiegelbild“ und umgekehrt.
Daher wird die CPT-Symmetrie als grundlegendes Merkmal der Gesetze der Physik angesehen. Um diese Symmetrie zu bewahren, muss der Bruch der Symmetrie zweier beliebiger Komponenten (wie CP) mit dem Bruch einer dritten Komponente (wie T) einhergehen. Und mathematisch gesehen sind sie gleich. Die Verletzung der T-Symmetrie wird oft als CP-Verletzung bezeichnet. Es ist erwähnenswert, dass der CPT-Satz unter bestimmten Bedingungen verallgemeinert werden kann, um Nagelgruppen zu berücksichtigen. Im Jahr 2002 zeigte Oscar Greenberg, dass eine Verletzung der CPT unter vernünftigen Annahmen eine Verletzung der Lorentz-Symmetrie bedeutet.
Phänomene im Zusammenhang mit der CPT-Verletzung werden von einigen Modellen der Superstringtheorie und einigen Modellen der Quantenfeldtheorien jenseits von Punktteilchen vorhergesagt. Einige Wissenschaftler glauben, dass kompakte Dimensionen wie die Größe des Universums ebenfalls zu CPT-Verletzungen führen können, während Nicht-Einheitstheorien wie Schwarze Löcher, die die Unitarität verletzen, ebenfalls gegen die CPT verstoßen können. Es ist erwähnenswert, dass Felder mit unendlichem Spin die CPT-Symmetrie verletzen können. Bisher haben die meisten Experimente zur Lorentzverletzung keine positiven Ergebnisse erbracht, und 2011 führten Kosteltsky und Russell eine detaillierte statistische Analyse dieses Ergebnisses durch.
Durch die weitere Erforschung der CPT-Symmetrie und ihrer Verletzung können wir möglicherweise tiefere Geheimnisse des Universums enthüllen. Doch wie wird die Wissenschaft in diesem Prozess traditionelle Ideen und Positionen in Frage stellen?
