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A misteriosa influência do CPT nas regras do universo: nosso universo é realmente único?
Na física, as simetrias CPT, nomeadamente conjugação de carga (C), simetria de quark (P) e reversão de tempo (T), são simetrias fundamentais sob todas as leis naturais. Esta simetria é considerada a única simetria absoluta a um nível fundamental. De acordo com o teorema CPT, a simetria CPT vale para todos os fenômenos físicos, o que significa que qualquer teoria quântica de campo local com invariância de Lorentz e Hamiltoniano Hermitiano deve possuir simetria CPT.
"A simetria CPT é uma lei natural profunda e bela que revela a estrutura do universo e seus limites operacionais."
Antecedentes históricos
O teorema CPT apareceu pela primeira vez em 1951, e o conceito de simetria estava implícito no trabalho de Julian Schwinger. Mais tarde, em 1954, Hertha Lüders e Wolfgang Pauli forneceram uma prova mais explícita, de modo que o teorema é às vezes chamado de teorema de Lüders-Pauli. Ao mesmo tempo, John Stuart Bell provou o teorema de forma independente.
Essas provas são baseadas na invariância de Lorentz e nos princípios de localidade. Mais tarde, em 1958, Les Jost deu uma prova mais geral dentro da estrutura da teoria quântica de campos postulada. Com o aprofundamento das pesquisas, os cientistas descobriram que as violações da simetria P ocorrem nos fenômenos envolvidos em interações fracas, e casos de violações da simetria C também são comuns. Inicialmente, pensava-se que a simetria CP não era violada, mas na década de 1960 também foi descoberto que esta afirmação estava incorreta, o que significa que de acordo com a invariância CPT, a simetria T também foi violada.
Derivação do teorema CPT
Considerando o levantamento de Lorentz em uma direção fixa z, isso pode ser interpretado como uma rotação do eixo do tempo no eixo z, acompanhada por um parâmetro de rotação imaginário. Se este parâmetro fosse verdadeiro, uma rotação de 180° inverteria a direção do tempo e z. Em qualquer dimensão, inverter um eixo é um reflexo do espaço. Este processo pode ser explicado usando as antipartículas de Feynman-Stueckelberg como partículas correspondentes que se movem no tempo reverso. Esta explicação requer uma ligeira continuação analítica, o que é claro sob as seguintes suposições: a teoria é invariante de Lorentz; o vácuo é invariante de Lorentz e o limite inferior de energia é limitado;
Quando as condições acima forem válidas, a teoria quântica pode ser estendida a uma teoria euclidiana, convertendo todos os operadores em tempo imaginário. A relação de comutação entre o hamiltoniano e o gerador de Lorentz garante que a invariância de Lorentz significa invariância de rotação, de modo que qualquer estado pode ser girado 180 graus. De acordo com a reflexão CPT, os férmions mudarão de sinal sob duas reflexões CPT, mas os bósons não. Esta propriedade pode ser usada para provar o teorema da estatística de spin.
Consequências e implicações
O significado da simetria CPT é que se houver uma "imagem espelhada" do nosso universo, as posições de todos os objetos serão refletidas através de um ponto arbitrário (correspondendo à inversão simétrica), todo o momento será revertido (correspondendo à reversão do tempo) e todos matéria Substituída pela antimatéria (correspondendo à inversão de carga), tal universo também evoluiria de acordo com as mesmas leis físicas. A transformação CPT transforma nosso universo em sua “imagem espelhada” e vice-versa. Portanto, a simetria CPT é reconhecida como uma propriedade fundamental das leis físicas.
Para manter esta simetria, qualquer violação da simetria de dois dos seus componentes (por exemplo, CP) deve ter uma violação correspondente no terceiro componente (por exemplo, T). Portanto, as violações da simetria T são frequentemente chamadas de violações de CP. O teorema CPT pode ser generalizado para considerar o caso de grupos de pinos. Em 2002, Oscar Greenberg mostrou que, sob suposições razoáveis, a violação do CPT implica uma violação da simetria de Lorentz.
Alguns modelos da teoria das cordas, bem como alguns modelos além da teoria quântica de campos de partículas pontuais, podem esperar violações do CPT. Certas violações propostas da invariância de Lorentz, como dimensões compactas com dimensões cosmológicas, também podem levar a violações do CPT. Além disso, teorias não unitárias, como a proposta de que os buracos negros violam a unitariedade, também podem violar a CPT, pois o ponto técnico é que campos com spin infinito podem violar a simetria da CPT. Até agora, a grande maioria das detecções experimentais de violações de Lorentz foram negativas. Em 2011, Kostelecky e Russell conduziram estatísticas detalhadas sobre estes resultados.
Poderemos obter novos insights sobre a forma como o universo funciona a partir da simetria CPT, mas qual é o seu significado mais profundo? Isso significa que nosso universo é apenas um entre um número infinito de universos possíveis?
