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Quebrando as regras do espaço-tempo? A possibilidade e o desafio da violação da simetria do CPT!
As simetrias de carga (C), paridade (P) e reversão temporal (T) desempenham um papel fundamental nas leis fundamentais da física. A combinação desses quanta forma a simetria CPT, que se acredita ser a única simetria precisa observada na natureza em um nível fundamental. De acordo com o teorema CPT, todas as teorias quânticas locais de campo invariantes de Lorentz devem possuir essa simetria. Em outras palavras, se existe um universo de antimatéria, espelho e tempo invertido, as leis da física deveriam ser exatamente as mesmas que as nossas. Tal afirmação é instigante: sob o conceito de multiverso, existe um universo de antimatéria que não podemos realmente observar?
História
O teorema CPT apareceu pela primeira vez em 1951, quando Julian Schwinger tentou provar a conexão entre spin e estatística. Em 1954, Gerd Lüders e Wolfgang Pauli deram uma prova mais explícita, e o teorema às vezes é chamado de teorema de Lüders–Pauli. Mais tarde, John Stewart Bell também provou esse teorema de forma independente.
Essas provas são baseadas nos princípios de invariância de Lorentz e localidade em interações de campos quânticos.
Com a pesquisa no final da década de 1950, os pesquisadores descobriram que a violação da simetria P em interações fracas gradualmente surgiu. Ao mesmo tempo, também ocorrem violações confiáveis da simetria C. Embora se acreditasse que a simetria CP era preservada, pesquisas na década de 1960 revelaram que essa crença estava errada, e a simetria T também foi violada com base na invariância CPT.
Derivação do Teorema CPT
O processo de derivação do teorema CPT envolve a compreensão do levantamento de Lorentz, que pode ser visto como uma operação de rotação do eixo do tempo em direção ao eixo Z. Se o parâmetro de rotação for um número real, então uma rotação de 180 graus inverterá o tempo e as direções Z. Tais mudanças são um reflexo do espaço para qualquer dimensão do espaço.
Usando a teoria de Feynman-Stuckelberg, podemos pensar nas antipartículas como suas contrapartes correndo no tempo reverso.
Essa interpretação requer uma ligeira continuação analítica e só é bem definida se as seguintes suposições forem válidas: a teoria é invariante de Lorentz, o vácuo é invariante de Lorentz e a energia é limitada para baixo. Quando essas condições são atendidas, a teoria quântica pode ser estendida à teoria euclidiana. Devido à relação de comutação entre o operador hamiltoniano e o gerador de Lorentz, a invariância de Lorentz é garantidamente equivalente à invariância rotacional, de modo que qualquer estado pode ser rotacionado 180 graus. Esse fato pode ser usado para provar o teorema da estatística de spin.
Consequências e Implicações
A importância da simetria CPT é que o "espelho" do nosso universo será exatamente o mesmo em termos de leis físicas, ou seja, as informações de posição de todos os objetos serão organizadas por meio de reflexão em qualquer ponto, todo o momento será revertido e toda a matéria será substituída por antimatéria.
A transformação CPT transforma nosso universo em sua "imagem espelhada" e vice-versa.
Portanto, a simetria CPT é considerada uma característica fundamental das leis da física. Para preservar essa simetria, a quebra da simetria de quaisquer dois componentes (como CP) deve corresponder à quebra de um terceiro componente (como T). E matematicamente, são a mesma coisa. A violação da simetria T é frequentemente chamada de violação CP. Vale ressaltar que o teorema CPT pode ser generalizado para considerar grupos de pregos sob certas condições. Em 2002, Oscar Greenberg mostrou que, sob suposições razoáveis, a violação do CPT implica uma violação da simetria de Lorentz.
Fenômenos relacionados à violação do CPT são previstos por alguns modelos da teoria das supercordas e alguns modelos de teorias quânticas de campos além de partículas pontuais. Alguns cientistas acreditam que dimensões compactas, como o tamanho do universo, também podem levar a violações do CPT, enquanto teorias não unitárias, como buracos negros, que violam a unitariedade, também podem violar o CPT. Vale ressaltar que campos com spin infinito podem violar a simetria CPT. Até agora, a maioria dos experimentos sobre a violação de Lorentz não produziu resultados positivos e, em 2011, Kosteltsky e Russell conduziram uma análise estatística detalhada desse resultado.
Com uma exploração mais aprofundada da simetria CPT e sua violação, poderemos revelar mistérios mais profundos do universo. Mas nesse processo, como a ciência desafiará as ideias e posições tradicionais?
