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L’impact mystérieux du CPT sur les lois de l’univers : notre univers est-il vraiment le seul ?
En physique, les symétries CPT, à savoir la conjugaison de charges (C), la symétrie des quarks (P) et l'inversion du temps (T), sont des symétries fondamentales selon toutes les lois naturelles. Cette symétrie est considérée comme la seule symétrie absolue à un niveau fondamental. Selon le théorème CPT, la symétrie CPT est valable pour tous les phénomènes physiques, ce qui signifie que toute théorie quantique locale des champs avec invariance de Lorentz et hamiltonien hermitien doit posséder une symétrie CPT.
"La symétrie CPT est une loi naturelle profonde et magnifique qui révèle la structure de l'univers et ses limites opérationnelles."
Contexte historique
Le théorème CPT est apparu pour la première fois en 1951 et le concept de symétrie était implicite dans les travaux de Julian Schwinger. Plus tard, en 1954, Hertha Lüders et Wolfgang Pauli ont fourni une preuve plus explicite, c'est pourquoi le théorème est parfois appelé théorème de Lüders-Pauli. Dans le même temps, John Stuart Bell a prouvé le théorème de manière indépendante.
Ces preuves sont basées sur les principes d'invariance et de localité de Lorentz. Plus tard, en 1958, Les Jost donna une preuve plus générale dans le cadre de la théorie quantique des champs postulée. Avec l'approfondissement de la recherche, les scientifiques ont découvert que des violations de la symétrie P se produisent dans les phénomènes impliqués dans les interactions faibles, et que les cas de violations de la symétrie C sont également courants. Initialement, on pensait que la symétrie CP n'était pas violée, mais dans les années 1960, on a également découvert que cette affirmation était incorrecte, ce qui signifie que selon l'invariance CPT, la symétrie T était également violée.
Dérivation du théorème CPT
Considérant Lorentz se soulevant dans une direction z fixe, cela peut être interprété comme une rotation de l'axe du temps vers l'axe z, accompagnée d'un paramètre de rotation imaginaire. Si ce paramètre était vrai, une rotation de 180° inverserait le sens du temps et de z. Dans n’importe quelle dimension, inverser un axe est le reflet de l’espace. Ce processus peut être expliqué en utilisant les antiparticules de Feynman – Stueckelberg comme particules correspondantes se déplaçant dans le temps inverse. Cette explication nécessite une légère continuation analytique, qui est claire sous les hypothèses suivantes : la théorie est invariante de Lorentz ; le vide est invariant de Lorentz et la limite inférieure d'énergie est bornée ;
Lorsque les conditions ci-dessus sont remplies, la théorie quantique peut être étendue à une théorie euclidienne en convertissant tous les opérateurs en temps imaginaire. La relation de commutation entre l'hamiltonien et le générateur de Lorentz garantit que l'invariance de Lorentz signifie une invariance de rotation, de sorte que n'importe quel état peut pivoter de 180 degrés. Selon la réflexion CPT, les fermions changeront de signe sous deux réflexions CPT, mais pas les bosons. Cette propriété peut être utilisée pour prouver le théorème des statistiques de spin.
Conséquences et implications
La signification de la symétrie CPT est que s'il existe une « image miroir » de notre univers, les positions de tous les objets sont reflétées par un point arbitraire (correspondant à une inversion symétrique), toute impulsion est inversée (correspondant à une inversion du temps), et tout matière Remplacé par de l'antimatière (correspondant à une inversion de charge), un tel univers évoluerait lui aussi selon les mêmes lois physiques. La transformation CPT transforme notre univers en son « image miroir » et vice versa. La symétrie CPT est donc reconnue comme une propriété fondamentale des lois physiques.
Pour maintenir cette symétrie, toute violation de la symétrie de deux de ses composantes (par exemple CP) doit avoir une violation correspondante dans la troisième composante (par exemple T en effet, mathématiquement parlant, c'est la même chose) ; Par conséquent, les violations de la symétrie T sont souvent appelées violations CP. Le théorème CPT peut être généralisé pour considérer le cas des groupes de broches. En 2002, Oscar Greenberg a montré que, dans des hypothèses raisonnables, la violation du CPT implique une violation de la symétrie de Lorentz.
Certains modèles de théorie des cordes, ainsi que certains modèles allant au-delà de la théorie quantique des champs de particules ponctuelles, peuvent s'attendre à des violations du CPT. Certaines violations proposées de l'invariance de Lorentz, telles que les dimensions compactes avec des dimensions cosmologiques, peuvent également conduire à des violations du CPT. En outre, les théories non unitaires, telles que la proposition selon laquelle les trous noirs violeraient l'unité, pourraient également violer le CPT, car le point technique est que les champs à spin infini pourraient violer la symétrie du CPT. Jusqu’à présent, la grande majorité des détections expérimentales de violations de Lorentz ont été négatives. En 2011, Kostelecky et Russell ont réalisé des statistiques détaillées sur ces résultats.
Nous pourrons peut-être acquérir de nouvelles connaissances sur le fonctionnement de l’univers grâce à la symétrie CPT, mais quelle est sa signification plus profonde ? Cela signifie-t-il que notre univers n’est qu’un univers parmi une infinité d’univers possibles ?
