Language
Country/Area
No result found
Phá vỡ các quy tắc của không-thời gian? Khả năng và thách thức của việc vi phạm tính đối xứng CPT!
Tính đối xứng điện tích (C), tính chẵn lẻ (P) và tính đảo ngược thời gian (T) đóng vai trò quan trọng trong các định luật cơ bản của vật lý. Sự kết hợp của các lượng tử này tạo thành tính đối xứng CPT, được cho là tính đối xứng chính xác duy nhất được quan sát thấy trong tự nhiên ở cấp độ cơ bản. Theo định lý CPT, tất cả các lý thuyết trường lượng tử cục bộ bất biến Lorentz đều phải sở hữu tính đối xứng này. Nói cách khác, nếu có một vũ trụ phản vật chất, phản gương và đảo ngược thời gian thì các định luật vật lý phải giống hệt như của chúng ta. Một tuyên bố như vậy rất đáng suy ngẫm: Theo khái niệm đa vũ trụ, liệu có tồn tại một vũ trụ phản vật chất mà chúng ta không thể thực sự quan sát không?
Lịch sử
Định lý CPT xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1951, khi Julian Schwinger cố gắng chứng minh mối liên hệ giữa spin và thống kê. Năm 1954, Gerd Lüders và Wolfgang Pauli đã đưa ra một bằng chứng rõ ràng hơn và định lý này đôi khi được gọi là định lý Lüders–Pauli. Sau đó, John Stewart Bell cũng đã chứng minh định lý này một cách độc lập.
Những bằng chứng này dựa trên các nguyên lý bất biến Lorentz và tính cục bộ trong tương tác trường lượng tử.
Với nghiên cứu vào cuối những năm 1950, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự vi phạm tính đối xứng P trong các tương tác yếu dần dần xuất hiện. Đồng thời, cũng xảy ra các vi phạm đáng tin cậy đối xứng C. Mặc dù tính đối xứng CP từng được cho là được bảo toàn, nhưng nghiên cứu vào những năm 1960 đã chỉ ra rằng niềm tin này là sai và tính đối xứng T cũng bị vi phạm dựa trên tính bất biến CPT.
Đạo hàm của Định lý CPT
Quá trình suy ra định lý CPT liên quan đến việc hiểu về lực nâng Lorentz, có thể được xem như một phép quay trục thời gian sang trục Z. Nếu tham số quay là một số thực, thì phép quay 180 độ sẽ đảo ngược thời gian và hướng Z. Những thay đổi như vậy là sự phản ánh của không gian cho bất kỳ chiều không gian nào.
Sử dụng lý thuyết Feynman-Stuckelberg, chúng ta có thể coi các phản hạt là bản sao của chúng chạy ngược thời gian.
Diễn giải này đòi hỏi một sự tiếp tục phân tích nhẹ và chỉ được xác định rõ ràng nếu các giả định sau đây được giữ nguyên: lý thuyết là bất biến Lorentz, chân không là bất biến Lorentz và năng lượng bị giới hạn hướng xuống dưới. Khi những điều kiện này được đáp ứng, lý thuyết lượng tử có thể được mở rộng thành lý thuyết Euclid. Do mối quan hệ hoán đổi giữa toán tử Hamilton và máy phát Lorentz, bất biến Lorentz được đảm bảo tương đương với bất biến quay, do đó bất kỳ trạng thái nào cũng có thể quay 180 độ. Thực tế này có thể được sử dụng để chứng minh định lý thống kê spin.
Hậu quả và ý nghĩa
Ý nghĩa của tính đối xứng CPT là "tấm gương" của vũ trụ của chúng ta sẽ hoàn toàn giống nhau về mặt định luật vật lý, nghĩa là thông tin vị trí của mọi vật thể sẽ được sắp xếp thông qua sự phản xạ tại mọi điểm, mọi động lượng sẽ bị đảo ngược và mọi vật chất sẽ được thay thế bằng phản vật chất.
Phép biến đổi CPT biến vũ trụ của chúng ta thành "ảnh phản chiếu" của nó và ngược lại.
Do đó, tính đối xứng CPT được coi là một đặc điểm cơ bản của các định luật vật lý. Để duy trì tính đối xứng này, việc phá vỡ tính đối xứng của bất kỳ hai thành phần nào (như CP) phải tương ứng với việc phá vỡ thành phần thứ ba (như T). Về mặt toán học, chúng giống nhau. Sự vi phạm tính đối xứng T thường được gọi là vi phạm CP. Điều đáng nói là định lý CPT có thể được tổng quát hóa để xét các nhóm đinh trong những điều kiện nhất định. Năm 2002, Oscar Greenberg đã chỉ ra rằng theo những giả định hợp lý, vi phạm CPT ngụ ý vi phạm tính đối xứng Lorentz.
Các hiện tượng liên quan đến vi phạm CPT được dự đoán bởi một số mô hình lý thuyết siêu dây và một số mô hình lý thuyết trường lượng tử vượt ra ngoài các hạt điểm. Một số nhà khoa học tin rằng các chiều nhỏ gọn như kích thước của vũ trụ cũng có thể dẫn đến vi phạm CPT, trong khi các lý thuyết không đơn vị, chẳng hạn như lỗ đen, vi phạm tính đơn vị, cũng có thể vi phạm CPT. Điều đáng chú ý là các trường có spin vô hạn có thể vi phạm tính đối xứng CPT. Cho đến nay, hầu hết các thí nghiệm về vi phạm Lorentz đều không mang lại kết quả khả quan và vào năm 2011, Kosteltsky và Russell đã tiến hành phân tích thống kê chi tiết về kết quả này.
Với việc khám phá sâu hơn về tính đối xứng CPT và sự vi phạm nó, chúng ta có thể khám phá ra những bí ẩn sâu xa hơn của vũ trụ. Nhưng trong quá trình này, khoa học sẽ thách thức những ý tưởng và quan điểm truyền thống như thế nào?
