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La misteriosa influencia de CPT en las reglas del universo: ¿Es nuestro universo realmente único?
En física, las simetrías CPT, a saber, la conjugación de carga (C), la simetría de quarks (P) y la inversión del tiempo (T), son simetrías fundamentales en todas las leyes naturales. Esta simetría se considera la única simetría absoluta en un nivel fundamental. Según el teorema CPT, la simetría CPT es válida para todos los fenómenos físicos, lo que significa que cualquier teoría cuántica de campos local con invariancia de Lorentz y hamiltoniano hermitiano debe poseer simetría CPT.
"La simetría CPT es una ley natural profunda y hermosa que revela la estructura del universo y sus límites operativos."
Antecedentes históricos
El teorema CPT apareció por primera vez en 1951 y el concepto de simetría estaba implícito en el trabajo de Julian Schwinger. Más tarde, en 1954, Hertha Lüders y Wolfgang Pauli proporcionaron una demostración más explícita, por lo que el teorema a veces se denomina teorema de Lüders-Pauli. Al mismo tiempo, John Stuart Bell demostró el teorema de forma independiente.
Estas pruebas se basan en los principios de localidad y invariancia de Lorentz. Más tarde, en 1958, Les Jost dio una demostración más general en el marco de la teoría cuántica de campos postulada. Con la profundización de la investigación, los científicos han descubierto que las violaciones de la simetría P ocurren en los fenómenos involucrados en las interacciones débiles, y los casos de violaciones de la simetría C también son comunes. Inicialmente, se pensaba que la simetría CP no estaba violada, sin embargo, en la década de 1960 también se descubrió que esta afirmación era incorrecta, lo que significa que, según la invariancia CPT, la simetría T también era violada.
Derivación del teorema CPT
Considerando que Lorentz se eleva en una dirección fija z, esto puede interpretarse como una rotación del eje del tiempo hacia el eje z, acompañada de un parámetro de rotación imaginario. Si este parámetro fuera verdadero, una rotación de 180° invertiría la dirección del tiempo y z. En cualquier dimensión, invertir un eje es un reflejo del espacio. Este proceso se puede explicar utilizando las antipartículas de Feynman-Stueckelberg como partículas correspondientes que se mueven en el tiempo inverso. Esta explicación requiere una ligera continuación analítica, que queda clara bajo los siguientes supuestos: la teoría es invariante de Lorentz; el vacío es invariante de Lorentz y el límite inferior de energía es acotado;
Cuando se cumplen las condiciones anteriores, la teoría cuántica se puede extender a una teoría euclidiana convirtiendo todos los operadores en tiempo imaginario. La relación de conmutación entre el hamiltoniano y el generador de Lorentz garantiza que la invariancia de Lorentz signifique invariancia de rotación, de modo que cualquier estado pueda girar 180 grados. Según la reflexión CPT, los fermiones cambiarán de signo bajo dos reflexiones CPT, pero los bosones no. Esta propiedad se puede utilizar para demostrar el teorema de la estadística de espín.
Consecuencias e implicaciones
El significado de la simetría CPT es que si hay una "imagen especular" de nuestro universo, las posiciones de todos los objetos se reflejan a través de un punto arbitrario (correspondiente a la inversión simétrica), todo el impulso se invierte (correspondiente a la inversión del tiempo) y todos materia Sustituida por antimateria (lo que corresponde a la inversión de carga), un universo así también evolucionaría según las mismas leyes físicas. La transformación CPT transforma nuestro universo en su "imagen especular" y viceversa. Por tanto, la simetría CPT se reconoce como una propiedad fundamental de las leyes físicas.
Para mantener esta simetría, cualquier violación de la simetría de dos de sus componentes (por ejemplo, CP) debe tener una violación correspondiente en el tercer componente (por ejemplo, T); Por lo tanto, las violaciones de la simetría T a menudo se denominan violaciones CP. El teorema CPT se puede generalizar para considerar el caso de grupos de pines. En 2002, Oscar Greenberg demostró que, bajo supuestos razonables, la violación del CPT implica una violación de la simetría de Lorentz.
Algunos modelos de la teoría de cuerdas, así como algunos modelos más allá de la teoría cuántica de campos de partículas puntuales, pueden esperar violaciones del CPT. Ciertas violaciones propuestas de la invariancia de Lorentz, como dimensiones compactas con dimensiones cosmológicas, también pueden conducir a violaciones del CPT. Además, las teorías no unitarias, como la propuesta de que los agujeros negros violan la unitaridad, también pueden violar la CPT, ya que el punto técnico es que los campos con espín infinito pueden violar la simetría de la CPT. Hasta ahora, la gran mayoría de las detecciones experimentales de violaciones de Lorentz han sido negativas. En 2011, Kostelecky y Russell realizaron estadísticas detalladas sobre estos resultados.
Es posible que podamos obtener nuevos conocimientos sobre la forma en que funciona el universo a partir de la simetría CPT, pero ¿cuál es su significado más profundo? ¿Significa esto que nuestro universo es sólo uno entre un número infinito de universos posibles?
