• Começa com um estrondo

A simetria mais inquebrável do Universo

A combinação de conjugação de carga, paridade e simetria de reversão de tempo é conhecida como CPT. E nunca deve ser quebrado. Sempre.

Principais conclusões

• Muitas das leis da física têm simetrias, exibindo o mesmo comportamento, sejam certas propriedades convencionais ou 'invertidas'.
• Certas simetrias podem ser violadas individualmente: simetria de espelho, simetria de matéria-antimatéria e simetria de reversão do tempo, por exemplo.
• Mas a combinação dessas três simetrias, conhecida como simetria 'CPT', nunca pode ser quebrada, caso contrário, nosso Universo desmoronaria. Aqui está a surpreendente ciência do porquê.

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O objetivo final da física é descrever com precisão, o mais precisamente possível, exatamente como cada sistema físico que pode existir em nosso Universo se comportará. As leis da física precisam ser aplicadas universalmente: as mesmas regras devem funcionar para todas as partículas e campos em todos os locais e em todos os momentos. Eles devem ser bons o suficiente para que, independentemente das condições existentes ou dos experimentos que realizamos, nossas previsões teóricas coincidam com os resultados medidos. E ter poder preditivo, explicitamente, significa que se você conhece as condições iniciais do seu sistema e as leis que o regem, você pode prever quais serão os resultados – ou a probabilidade relativa do conjunto de resultados possíveis.

As teorias físicas mais bem-sucedidas de todas são duas:

• as teorias de campos quânticos que descrevem cada uma das interações fundamentais que ocorrem entre as partículas,
• assim como a Relatividade Geral, que descreve o espaço-tempo e a gravitação.

E, no entanto, há uma simetria fundamental que se aplica não apenas a todas essas leis físicas, mas a todos os fenômenos físicos: simetria CPT . E por quase 70 anos, conhecemos o teorema que nos proíbe de violá-lo.

Existem muitas letras do alfabeto que exibem simetrias particulares. Observe que as letras maiúsculas mostradas aqui têm uma e apenas uma linha de simetria; letras como “H”, “I”, “O” e “X” têm mais de um. Essa simetria de 'espelho', conhecida como Paridade (ou P-simetria), foi verificada para todas as interações fortes, eletromagnéticas e gravitacionais sempre que testadas. No entanto, as interações fracas ofereciam a possibilidade de violação de paridade. A descoberta e confirmação disso valeu o Prêmio Nobel de Física de 1957.

Para a maioria de nós, quando ouvimos a palavra simetria, pensamos em refletir as coisas em um espelho. Algumas das letras do nosso alfabeto exibem esse tipo de simetria: “A” e “T” são verticalmente simétricos, enquanto “B” e “E” são horizontalmente simétricos. “O” é simétrico em relação a qualquer linha reta que passa por seu ponto central, além de possuir simetria rotacional: não importa como você o gire, sua aparência permanece inalterada. Essas simetrias - conhecidas como simetria de 'linha' e simetria de 'ponto', respectivamente - são as duas simetrias com as quais temos mais experiência em nosso dia-a-dia.

Mas existem outros tipos de simetria que também aparecem na natureza. Se você tem uma linha horizontal e desloca essa linha em qualquer quantidade na linha horizontal, ela permanece inalterada: ainda é a mesma linha horizontal. Esse é um exemplo do que chamamos de simetria “translacional”. Se você está dentro de um vagão de trem e os experimentos que você realiza dão o mesmo resultado, quer o trem esteja parado ou se movendo rapidamente nos trilhos, isso é uma simetria sob impulsos (ou transformações de velocidade). Algumas dessas simetrias comuns sempre se mantêm sob as leis físicas conhecidas, enquanto outras são válidas apenas às vezes: desde que certas condições sejam atendidas.

Diferentes estruturas de referência, incluindo diferentes posições e movimentos, veriam diferentes leis da física (e discordariam sobre a realidade) se uma teoria não fosse relativisticamente invariante. O fato de termos uma simetria em “impulsos” ou transformações de velocidade nos diz que temos uma quantidade conservada: momento linear. O fato de uma teoria ser invariante sob qualquer tipo de transformação de coordenadas ou velocidade é conhecido como invariância de Lorentz, e qualquer simetria invariante de Lorentz conserva a simetria CPT. No entanto, C, P e T (assim como as combinações CP, CT e PT) podem ser violados individualmente. As formulações originais da mecânica quântica não tinham essa propriedade.

Se quisermos descer a um nível fundamental, e considerar as menores partículas indivisíveis que compõem tudo o que conhecemos em nosso Universo, isso nos levaria a dar uma olhada nas partículas do Modelo Padrão. Consistindo de férmions (quarks e léptons) e bósons (glúons, fótons, bósons W e Z e o Higgs), eles compreendem todas as partículas que conhecemos que compõem a matéria e a radiação que realizamos experimentos diretamente no Universo. (Embora também tenhamos fortes evidências de que a matéria escura e a energia escura existem, elas não estão incluídas nesta imagem e não podem ser explicadas por nenhuma das partículas conhecidas do Modelo Padrão.)

De acordo com as leis da teoria quântica de campos e da relatividade geral, podemos calcular as forças entre quaisquer partículas em qualquer configuração e determinar como elas se moverão, interagirão e evoluirão com o tempo. Podemos observar como as partículas de matéria se comportam nas mesmas condições que as partículas de antimatéria e determinar onde seu comportamento é idêntico e onde são diferentes umas das outras. Podemos realizar experimentos que são as contrapartes de imagem espelhada de outros experimentos e observar os resultados. Todos os três testam a validade de várias simetrias.

De acordo com o Modelo Padrão, os léptons e antiléptons devem ser todos separados, partículas independentes umas das outras. Mas os três tipos de neutrinos se misturam, indicando que devem ser massivos e, além disso, que neutrinos e antineutrinos podem de fato ser a mesma partícula: os férmions de Majorana.

Na física, essas três simetrias fundamentais – as simetrias entre matéria e antimatéria, as simetrias entre sistemas de partículas e seus reflexos de imagens especulares e a simetria de fazer o relógio andar para frente ou para trás – têm nomes e regras específicas que seguem.

1. Conjugação de carga (C) : esta simetria envolve a substituição de cada partícula em seu sistema por sua contraparte de antimatéria. É chamado de conjugação de carga porque cada partícula carregada tem uma carga oposta (como carga elétrica ou colorida) para sua antipartícula correspondente.
2. Paridade (P) : esta simetria envolve a substituição de cada partícula, interação e decaimento por sua contraparte de imagem espelhada.
3. Simetria de reversão de tempo (T) : essa simetria exige que as leis da física que afetam as interações das partículas se comportem exatamente da mesma maneira, quer você avance ou retroceda o relógio no tempo.

A maioria das forças e interações que estamos acostumados obedece a cada uma dessas três simetrias de forma independente. Se você jogasse uma bola no campo gravitacional da Terra e ela tomasse a forma de uma parábola, não importaria se você substituísse as partículas por antipartículas (C), não importaria se você refletisse sua parábola em um espelho ou não (P), e não importaria se você avançasse ou retrocedesse o relógio (T), desde que ignorasse coisas como a resistência do ar e quaisquer colisões (não perfeitamente elásticas) com o solo.

Uma bola no meio do salto tem suas trajetórias passadas e futuras determinadas pelas leis da física, mas o tempo só fluirá para o futuro para nós. Se não houvesse resistência do ar e nenhuma perda de energia sempre que a bola atingisse o solo, um observador não seria capaz de dizer se a bola começou à esquerda e se moveu para a direita com o passar do tempo, ou vice-versa. Embora as leis do movimento de Newton sejam as mesmas, independentemente de você avançar ou retroceder o relógio no tempo, além de ser simétrica esquerda-direita e simétrica matéria-antimatéria, nem todas as regras da física se comportam de maneira idêntica sob todas essas simetrias.

Mas as partículas individuais não obedecem a todas essas simetrias em todas as condições físicas que podemos imaginar. Observou-se que algumas partículas se comportam de maneira fundamentalmente diferente de suas antipartículas, violando a simetria C. Neutrinos e antineutrinos - pelo menos, os que podem ser observados - são sempre vistos em movimento e se movendo perto da velocidade da luz. No entanto, se você apontar o polegar esquerdo na direção em que as partículas se movem, os neutrinos sempre “girarão” na direção em que seus dedos da mão esquerda se enrolam em torno do neutrino, enquanto os antineutrinos são sempre “destros” na mesma direção. moda.

Algumas partículas são instáveis ​​e irão decair com tempo suficiente, e algumas dessas partículas decaem violam a paridade. Se você tiver uma partícula instável que gira em uma direção e depois decai, seus produtos de decaimento podem ser alinhados ou anti-alinhados com o giro. Se a partícula instável exibir uma direcionalidade preferencial para seu decaimento, então o decaimento da imagem espelhada exibirá a direcionalidade oposta, violando a P-simetria.

A natureza não é simétrica entre partículas/antipartículas ou entre imagens espelhadas de partículas. (Ou, por falar nisso, tanto a reflexão do espelho quanto a simetria da conjugação de carga combinadas.) Antes da detecção de neutrinos, que claramente violam as simetrias do espelho mesmo sem decaimentos, já que todos os neutrinos são canhotos e todos os antineutrinos são destros , partículas fracamente decaídas ofereciam o único caminho potencial para identificar violações de simetria P.

Você também pode testar a combinação dessas simetrias, configurando a imagem espelhada do seu sistema e, em seguida, substituindo as partículas no espelho por antipartículas. Essa combinação, que pode ser violada ou conservada, é conhecida como CP-simetria.

Nas décadas de 1950 e 1960, foi realizada uma série de experimentos que testaram cada uma dessas simetrias e o quão bem elas funcionavam sob as forças gravitacional, eletromagnética, nuclear forte e fraca. Sob a força nuclear forte, bem como sob as forças eletromagnética e gravitacional, não foram observadas tais violações de simetria. Isso permanece verdadeiro até os dias atuais; até a década de 2020, nenhuma violação da simetria C, P ou T foi observada.

Talvez surpreendentemente, no entanto, observou-se que as interações fracas violam cada uma das simetrias C, P e T individualmente, bem como combinações de quaisquer duas dessas simetrias (CP, PT e CT) juntas.

Essas violações são importantes para nossa compreensão do Universo, com certeza. Mas todas as interações fundamentais, cada uma delas, sempre obedecem à combinação de todas essas três simetrias juntas: simetria CPT.

Um méson normal gira no sentido anti-horário em torno de seu Pólo Norte e então decai com um elétron sendo emitido ao longo da direção do Pólo Norte. A aplicação da simetria C substitui as partículas por antipartículas, o que significa que devemos ter um antitimeson girando no sentido anti-horário sobre seu decaimento do Pólo Norte, emitindo um pósitron na direção norte. Da mesma forma, a P-simetria inverte o que vemos em um espelho. Se partículas e antipartículas não se comportam exatamente da mesma forma nas simetrias C, P ou CP, diz-se que essa simetria foi violada. Até agora, apenas a interação fraca viola algum dos três, mas é possível que existam violações em outros setores abaixo dos nossos limites atuais. No entanto, a combinação de CPT, em conjunto, nunca foi violada.

A simetria CPT diz que qualquer sistema físico feito de partículas que avança no tempo obedecerá às mesmas leis que o sistema físico idêntico feito de antipartículas, refletidas em um espelho, que se move para trás no tempo. É uma simetria observada e exata da natureza no nível fundamental, e deve valer para todos os fenômenos físicos, mesmo aqueles que ainda não descobrimos.

Na frente experimental, os experimentos de física de partículas vêm operando há décadas para procurar violações da simetria CPT. Para precisões significativamente melhores do que 1 parte em 10 bilhões , CPT é observado como uma boa simetria em sistemas méson (quark-antiquark), bárion (próton-antipróton) e lépton (elétron-pósitron). Nem um único experimento observou uma inconsistência com a simetria CPT, e isso é bom para o Modelo Padrão.

Também é uma consideração importante do ponto de vista teórico, pois existe um teorema CPT que exige que essa combinação de simetrias, aplicadas em conjunto, não seja violada. Embora fosse provado pela primeira vez em 1951 por Julian Schwinger, existem muitas consequências fascinantes que surgem devido ao fato de que a simetria CPT deve ser conservada em nosso Universo, e inúmeras patologias que apareceriam se ela fosse fundamentalmente violada.

Podemos imaginar que existe um Universo espelho para o nosso, onde as mesmas regras se aplicam. Se a grande partícula vermelha retratada acima é uma partícula com uma orientação com seu momento em uma direção, e decai (indicadores brancos) por meio de interações fortes, eletromagnéticas ou fracas, produzindo partículas 'filhas' quando o fazem, esse é o mesmo que o processo de espelho de sua antipartícula com seu momento invertido (ou seja, movendo-se para trás no tempo). Se o reflexo do espelho sob todas as três simetrias (C, P e T) se comportar da mesma forma que a partícula em nosso Universo, então a simetria CPT é conservada.

A primeira consequência é que nosso Universo como o conhecemos seria indistinguível de uma encarnação específica de um anti-Universo. Se você fosse mudar:

• a posição de cada partícula para uma posição que corresponde a uma reflexão através de um ponto (reversão P),
• toda e qualquer partícula substituída por sua contraparte de antimatéria (reversão C),
• e o momento de cada partícula invertido, com a mesma magnitude e direção oposta, de seu valor atual (T reversão),

então esse anti-Universo evoluiria exatamente de acordo com as mesmas leis físicas do nosso próprio Universo.

Outra consequência é que, se a combinação de CPT for válida, então cada violação de um deles (C, P ou T) deve corresponder a uma violação equivalente das outras duas combinadas (PT, CT ou CP, respectivamente) para conservar a combinação de CPT. Isso é por que sabíamos que a violação T precisava ocorrer em certos sistemas, décadas antes, éramos capazes de medi-lo diretamente: porque a violação de CP observada exigia que assim fosse. Isso também significa que, assim que medimos a violação C e a violação P, sabíamos instantaneamente que a simetria PT e a simetria CT também precisariam ser violadas.

No Modelo Padrão, prevê-se que o momento de dipolo elétrico do nêutron seja um fator dez bilhões maior do que nossos limites observacionais mostram. A única explicação é que, de alguma forma, algo além do Modelo Padrão está protegendo essa simetria CP nas interações fortes. Se C for violado, PT também será; se P for violado, CT também será; se T for violado, CP também será.

Mas a consequência mais profunda do teorema CPT aparece como uma conexão muito profunda entre a relatividade e a física quântica: a invariância de Lorentz. Se a simetria CPT é uma boa simetria, então a simetria de Lorentz — que afirma que as leis da física permanecem as mesmas para os observadores em todos os referenciais inerciais (isto é, sem aceleração) — também deve ser uma boa simetria. O inverso disso, no entanto, também é verdadeiro, implicando que se você violar a simetria CPT, a simetria Lorentz também será quebrada .

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Por uma série de razões, isso não é apenas ruim, mas tem o potencial de ser patológico: destruir o alicerce sobre o qual a física moderna é construída.

Quebrar a simetria de Lorentz pode estar na moda em certas áreas da física teórica, particularmente em certas abordagens de gravidade quântica , mas as restrições experimentais sobre isso são extraordinariamente fortes. Houve muitas buscas experimentais por violações da invariância de Lorentz por mais de 100 anos, e os resultados são esmagadoramente negativo e robusto . Se as leis da física são as mesmas para todos os observadores, então o CPT deve ser uma boa simetria. E se não forem, então as maneiras pelas quais são quebradas são minúsculas, não observadas e extremamente restritas.

A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Se você estender o Modelo Padrão para incluir a gravidade, a simetria que descreve o CPT (a simetria de Lorentz) pode se tornar apenas uma simetria aproximada, permitindo violações. Até agora, no entanto, tais violações experimentais não foram observadas.

Na física, temos de estar dispostos a desafiar nossas suposições e a investigar todas as possibilidades, não importa o quão improváveis ​​elas pareçam ou quão fortemente elas violem nosso senso intuitivo de como a natureza deve se comportar. Mas nosso padrão deve ser que as leis da física que resistiram a todos os testes experimentais, que compõem uma estrutura teórica autoconsistente e que descrevem com precisão nossa realidade, devem ser tratadas como se estivessem corretas até que se prove o contrário. Nesse caso, significa que a suposição de que as leis da física são as mesmas em todos os lugares e para todos os observadores deve ser tratada como válida até que se prove o contrário.

Às vezes, as partículas se comportam de maneira diferente das antipartículas, e tudo bem. Às vezes, os sistemas físicos se comportam de maneira diferente de seus reflexos de imagem espelhada, e tudo bem. E, às vezes, os sistemas físicos se comportam de maneira diferente dependendo se o relógio avança ou retrocede, o que também é admissível. No entanto, temos que exigir que os mesmos comportamentos sejam vistos para

• partículas avançando no tempo
• como para antipartículas refletidas em um espelho que se move para trás no tempo;

isso é uma consequência do teorema CPT. Essa é a única simetria, desde que as leis físicas que conhecemos estejam corretas, que deve ser verdadeiramente inquebrável em nosso Universo.

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