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¿Romper las reglas del espacio-tiempo? ¡La posibilidad y el desafío de la violación de la simetría CPT!
Las simetrías de carga (C), paridad (P) e inversión temporal (T) juegan un papel clave en las leyes fundamentales de la física. La combinación de estos cuantos forma la simetría CPT, que se cree que es la única simetría precisa observada en la naturaleza a un nivel fundamental. Según el teorema CPT, todas las teorías cuánticas de campos locales invariantes de Lorentz deben poseer esta simetría. En otras palabras, si existe un universo de antimateria, espejo y con el tiempo invertido, las leyes de la física deberían ser exactamente las mismas que las nuestras. Esta afirmación invita a la reflexión: bajo el concepto de multiverso, ¿existe un universo de antimateria que en realidad no podemos observar?
Historia
El teorema CPT apareció por primera vez en 1951, cuando Julian Schwinger intentó demostrar la conexión entre el espín y la estadística. En 1954, Gerd Lüders y Wolfgang Pauli dieron una prueba más explícita, y el teorema a veces se denomina teorema de Lüders-Pauli. Más tarde, John Stewart Bell también demostró este teorema de forma independiente.
Estas pruebas se basan en los principios de invariancia de Lorentz y localidad en interacciones de campos cuánticos.
Con la investigación de finales de la década de 1950, los investigadores descubrieron que la violación de la simetría P en las interacciones débiles salió a la luz gradualmente. Al mismo tiempo, también ocurren violaciones confiables de la simetría C. Aunque alguna vez se creyó que la simetría CP se conservaba, las investigaciones realizadas en la década de 1960 revelaron que esta creencia era errónea y también se descubrió que la simetría T se violaba basándose en la invariancia CPT.
Derivación del teorema CPT
El proceso de derivación del teorema CPT implica la comprensión de la elevación de Lorentz, que puede verse como una operación de rotación del eje del tiempo hacia el eje Z. Si el parámetro de rotación es un número real, entonces una rotación de 180 grados invertirá las direcciones Z y de tiempo. Estos cambios son un reflejo del espacio para cualquier dimensión del espacio.
Usando la teoría de Feynman-Stuckelberg, podemos pensar en las antipartículas como sus contrapartes corriendo en tiempo inverso.
Esta interpretación requiere una ligera continuación analítica y sólo está bien definida si se cumplen los siguientes supuestos: la teoría es invariante de Lorentz, el vacío es invariante de Lorentz y la energía está limitada hacia abajo. Cuando se cumplen estas condiciones, la teoría cuántica puede extenderse a la teoría euclidiana. Debido a la relación de conmutación entre el operador hamiltoniano y el generador de Lorentz, se garantiza que la invariancia de Lorentz sea equivalente a la invariancia rotacional, por lo que cualquier estado puede rotarse 180 grados. Este hecho se puede utilizar para demostrar el teorema de estadística de espín.
Consecuencias e implicaciones
La importancia de la simetría CPT es que el "espejo" de nuestro universo será exactamente el mismo en términos de leyes físicas, es decir, la información de posición de todos los objetos se organizará a través de la reflexión en cualquier punto, todo el momento se invertirá y toda la materia será reemplazada por antimateria.
La transformación CPT convierte nuestro universo en su "imagen reflejada" y viceversa.
Por lo tanto, la simetría CPT se considera una característica fundamental de las leyes de la física. Para preservar esta simetría, la ruptura de la simetría de dos componentes cualesquiera (como CP) debe corresponder a la ruptura de un tercer componente (como T). Y matemáticamente son lo mismo. La violación de la simetría T a menudo se denomina violación CP. Vale la pena mencionar que el teorema CPT se puede generalizar para considerar grupos de uñas bajo ciertas condiciones. En 2002, Oscar Greenberg demostró que, bajo supuestos razonables, la violación de CPT implica una violación de la simetría de Lorentz.
Los fenómenos relacionados con la violación de CPT son predichos por algunos modelos de teoría de supercuerdas y algunos modelos de teorías cuánticas de campos más allá de las partículas puntuales. Algunos científicos creen que dimensiones compactas como el tamaño del universo también pueden conducir a violaciones de la CPT, mientras que las teorías no unitarias, como los agujeros negros, que violan la unitaridad, también pueden violar la CPT. Vale la pena señalar que los campos con espín infinito pueden violar la simetría CPT. Hasta ahora, la mayoría de los experimentos sobre la violación de Lorentz no han dado resultados positivos, y en 2011 Kosteltsky y Russell realizaron un análisis estadístico detallado de este resultado.
Con una mayor exploración de la simetría CPT y su violación, podremos revelar misterios más profundos del universo. Pero en este proceso, ¿cómo desafiará la ciencia las ideas y posiciones tradicionales?
