stringtranslate.com

CPT-симметрия

Симметрия заряда, четности и обращения времени - это фундаментальная симметрия физических законов при одновременных преобразованиях зарядового сопряжения (C), преобразования четности (P) и обращения времени (T). CPT — единственная комбинация C, P и T, которая, как наблюдается, представляет собой точную симметрию природы на фундаментальном уровне. [1] [2] Теорема CPT утверждает, что CPT-симметрия справедлива для всех физических явлений, или, точнее, что любая лоренц-инвариантная локальная квантовая теория поля с эрмитовым гамильтонианом должна обладать CPT-симметрией.

История

Теорема CPT впервые появилась в неявном виде в работе Джулиана Швингера в 1951 году для доказательства связи между спином и статистикой . [3] В 1954 году Герхарт Людерс и Вольфганг Паули получили более явные доказательства, [4] [5], поэтому эту теорему иногда называют теоремой Людерса–Паули. Примерно в то же время и независимо эту теорему доказал Джон Стюарт Белл . [6] [7] Эти доказательства основаны на принципе лоренц-инвариантности и принципе локальности во взаимодействии квантовых полей. Впоследствии, в 1958 году, Рес Йост дал более общее доказательство, используя рамки аксиоматической квантовой теории поля .

Усилия конца 1950-х годов выявили нарушение P-симметрии явлениями, связанными со слабым взаимодействием , а также были хорошо известны нарушения C-симметрии . Некоторое время считалось, что CP-симметрия сохраняется во всех физических явлениях, но в 1960-х годах это оказалось ложным, что подразумевало, в силу CPT-инвариантности , и нарушения T-симметрии .

Вывод теоремы CPT

Рассмотрим усиление Лоренца в фиксированном направлении z . Это можно интерпретировать как поворот оси времени относительно оси z с мнимым параметром вращения. Если бы этот параметр вращения был реальным , то поворот на 180° мог бы изменить направление времени и z . Изменение направления одной оси на противоположное — это отражение пространства в любом количестве измерений. Если пространство имеет три измерения, это эквивалентно отражению всех координат, поскольку можно включить дополнительный поворот на 180° в плоскости xy .

Это определяет преобразование CPT, если мы примем интерпретацию античастиц Фейнмана-Штюкельберга как соответствующих частиц, движущихся назад во времени. Эта интерпретация требует небольшого аналитического продолжения , которое корректно определено только при следующих предположениях:

  1. Теория является лоренц-инвариантной ;
  2. Вакуум лоренц-инвариантен;
  3. Энергия ограничена снизу.

Когда вышеизложенное верно, квантовая теория может быть расширена до евклидовой теории, определяемой путем перевода всех операторов в мнимое время с использованием гамильтониана . Коммутационные соотношения гамильтониана и генераторов Лоренца гарантируют, что лоренц-инвариантность подразумевает вращательную инвариантность , так что любое состояние можно повернуть на 180 градусов.

Поскольку последовательность двух CPT-отражений эквивалентна повороту на 360 градусов, фермионы меняют знак при двух CPT-отражениях, а бозоны - нет. Этот факт можно использовать для доказательства теоремы о спин-статистике .

Последствия и последствия

Смысл симметрии CPT заключается в том, что это «зеркальное отражение» нашей Вселенной — со всеми объектами, чьи положения отражаются через произвольную точку (что соответствует инверсии четности ), все импульсы перевернуты (что соответствует инверсии времени ) и со всей материей . заменено антивеществом (что соответствует инверсии заряда ) — будет развиваться точно по нашим физическим законам. Преобразование CPT превращает нашу Вселенную в свое «зеркальное отражение» и наоборот. [8] CPT-симметрия признана фундаментальным свойством физических законов.

Чтобы сохранить эту симметрию, каждое нарушение совместной симметрии двух его компонентов (например, CP) должно иметь соответствующее нарушение в третьем компоненте (например, T); на самом деле математически это одно и то же. Таким образом, нарушения Т-симметрии часто называют CP-нарушениями .

Теорема CPT может быть обобщена для учета групп выводов .

В 2002 году Оскар Гринберг доказал, что при разумных предположениях нарушение CPT подразумевает нарушение симметрии Лоренца . [9]

Нарушения CPT можно ожидать от некоторых моделей теории струн , а также от некоторых других моделей, лежащих за пределами квантовой теории поля точечных частиц. Некоторые предполагаемые нарушения лоренц-инвариантности, такие как компактность космологического размера, также могут привести к нарушению CPT. Неунитарные теории, такие как предположения о том, что черные дыры нарушают унитарность, также могут нарушать CPT. С технической точки зрения поля с бесконечным спином могут нарушать симметрию CPT. [10]

Подавляющее большинство экспериментальных поисков нарушения Лоренца дали отрицательные результаты. Подробная таблица этих результатов была представлена ​​в 2011 году Костелецки и Расселом. [11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Костелецкий, В.А. (1998). «Статус КПТ». arXiv : hep-ph/9810365 .
  2. ^ «Это единственная симметрия, которую Вселенная никогда не должна нарушать» . Форбс .
  3. ^ Швингер, Джулиан (1951). «Теория квантованных полей I». Физический обзор . 82 (6): 914–927. Бибкод : 1951PhRv...82..914S. doi : 10.1103/PhysRev.82.914. S2CID  121971249.
  4. ^ Людерс, Г. (1954). «Об эквивалентности инвариантности относительно обращения времени и сопряжения частица-античастица для релятивистских теорий поля». Kongelige Danske Videnskabernes Selskab, Matematisk-Fysiske Meddelelser . 28 (5): 1–17.
  5. ^ Паули, В.; Розенфельф, Л.; Вайскопф, В., ред. (1955). Нильс Бор и развитие физики . МакГроу-Хилл . LCCN  56040984.
  6. ^ Уитакер, Эндрю (2016). Джон Стюарт Белл и физика двадцатого века. Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0198742999.
  7. ^ Белл, Джон Стюарт (1955). «Обращение времени в теории поля». Учеб. Р. Сок. Лонд. А. _ 231 (1187): 479–495. Бибкод : 1955RSPSA.231..479B. дои : 10.1098/rspa.1955.0189. S2CID  123577175.
  8. ^ У нашей Вселенной может быть близнец, который движется вспять во времени Пол Саттер, Live Science. 16 марта 2022 г.
  9. ^ Гринберг, Огайо (2002). «Нарушение CPT влечет за собой нарушение лоренц-инвариантности». Письма о физических отзывах . 89 (23): 231602. arXiv : hep-ph/0201258 . Бибкод : 2002PhRvL..89w1602G. doi : 10.1103/PhysRevLett.89.231602. PMID  12484997. S2CID  9409237.
  10. ^ Ленерт, Ральф (ноябрь 2016 г.). «Симметрия CPT и ее нарушение». Симметрия . 8 (11): 114. Бибкод : 2016Symm....8..114L. дои : 10.3390/sym8110114 . ISSN  2073-8994.
  11. ^ Костелецкий, В.А.; Рассел, Н. (2011). «Таблицы данных для нарушения Лоренца и CPT ». Обзоры современной физики . 83 (1): 11–31. arXiv : 0801.0287 . Бибкод : 2011РвМП...83...11К. doi : 10.1103/RevModPhys.83.11. S2CID  3236027.

Источники

Внешние ссылки