Não, as leis da física não são as mesmas para frente e para trás no tempo

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. Embora as leis do movimento de Newton sejam as mesmas, quer você faça o relógio avançar ou retroceder no tempo, nem todas as regras da física se comportam de forma idêntica se você executar o relógio para frente ou para trás. (WIKIMEDIA COMMONS USERS MICHAELMAGGS E (EDITADO POR) RICHARD BARTZ)

As leis da física não são invariantes no tempo. Aqui está como sabemos.


Não importa quando, onde ou o que você está no Universo, você experimenta o tempo em apenas uma direção: para a frente. Em nossas experiências cotidianas, os relógios nunca andam para trás; ovos mexidos nunca se desprendem e desembaraçam sozinhos; vidro quebrado nunca se recompõe espontaneamente. Mas se você olhar para as leis da física que governam a maneira como o Universo funciona ⁠ — das leis do movimento de Newton até a física quântica das partículas subatômicas ⁠ — você encontraria algo peculiar e inesperado: as regras são exatamente as mesmas se o tempo corre para frente ou para trás.



Isso corresponde a uma certa simetria da natureza: T -simetria , ou invariância de reversão no tempo. Nossa experiência cotidiana nos indica, com bastante força, que as leis da física devem violar essa simetria, mas por décadas não conseguimos demonstrá-lo. Mas há alguns anos, provamos experimentalmente que as leis da física são diferentes dependendo de qual direção o tempo corre. Aqui está como sabemos.



Segundo a lenda, o primeiro experimento a mostrar que todos os objetos caíram na mesma proporção, independentemente da massa, foi realizado por Galileu Galilei no topo da Torre Inclinada de Pisa. Quaisquer dois objetos lançados em um campo gravitacional, na ausência (ou desprezando) a resistência do ar, irão acelerar até o solo na mesma taxa. Isso foi posteriormente codificado como parte das investigações de Newton sobre o assunto. Uma bola caída da torre e uma bola lançada do fundo da torre podem ter a mesma trajetória, pois as leis do movimento são as mesmas, independentemente da direção em que o tempo flui. (GETTY IMAGENS)

Imagine que você e um amigo decidem ir a Pisa, com um de vocês no topo da famosa torre inclinada e o outro na parte inferior. De cima, quem joga uma bola para fora da borda pode facilmente prever onde ela cairá no fundo. No entanto, se a pessoa de baixo jogasse a bola para cima com uma velocidade igual e oposta à da bola que acabou de cair, ela chegaria exatamente ao local de onde a pessoa de cima jogou a bola.



Esta é uma situação em que a invariância de reversão no tempo se mantém: onde o T - a simetria é ininterrupta. A reversão do tempo pode ser pensada da mesma maneira que a reversão do movimento: se as regras são as mesmas, quer você corra o relógio para frente ou para trás, é verdade. T -simetria. Mas se as regras são diferentes quando o relógio anda para trás de quando o relógio anda para a frente, o T - a simetria deve ser quebrada.

Diferentes quadros de referência, incluindo diferentes posições e movimentos, veriam diferentes leis da física (e discordariam da realidade) se uma teoria não fosse relativisticamente invariante. O fato de termos uma simetria sob ‘aumentos’, 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 violadas individualmente. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO KREA)

Há duas razões muito, muito boas (mas indiretas) para acreditar que T - a simetria deve ser quebrada em algum nível profundo e fundamental. O primeiro é um teorema comprovado conhecido como a CPT teorema . Se você tem uma teoria quântica de campos que obedece às regras da relatividade ⁠ — ou seja, é invariante de Lorentz ⁠ — essa teoria deve exibir CPT -simetria.



Existem três simetrias que são discretas e fundamentais no contexto do Modelo Padrão da física de partículas:

  • C -simetria, que exige que você substitua todas as partículas por suas antipartículas,
  • P -simetria, que exige que você substitua todas as partículas com seus reflexos de imagem espelhada, e
  • T -simetria, que exige que você execute as leis da física para trás no tempo em vez de para frente.

Trocar partículas por antipartículas e refleti-las em um espelho simultaneamente representa a simetria CP. Se os decaimentos anti-espelho forem diferentes dos decaimentos normais, CP é violado. A simetria de reversão de tempo, conhecida como T, deve ser violada se CP for violado. As simetrias combinadas de C, P e T, todas juntas, devem ser conservadas sob nossas atuais leis da física, com implicações para os tipos de interações que são e não permitidas. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

O CPT O teorema nos diz que a combinação de todas as três simetrias deve sempre ser preservada. Em outras palavras, uma partícula giratória se movendo para frente no tempo deve obedecer às mesmas regras que sua antipartícula girando na direção oposta se movendo para trás no tempo. Se C - a simetria é violada, então para -simetria também deve ser violada por uma quantidade igual para manter a combinação conservada. Como PC -a violação de simetria já foi observada ( remonta a 1964 ), nós sabemos isso T -simetria também deve ser violada.



A segunda razão é que vivemos em um universo onde há mais matéria do que antimatéria, mas as leis da física que conhecemos são completamente simétricas entre matéria e antimatéria.

Se você criar novas partículas (como X e Y aqui) com contrapartes antipartículas, elas devem conservar CPT, mas não necessariamente C, P, T ou CP sozinhas. Se o CP for violado, os caminhos de decaimento – ou a porcentagem de partículas que decaem de uma maneira versus outra – podem ser diferentes para partículas em comparação com antipartículas, resultando em uma produção líquida de matéria sobre antimatéria se as condições forem adequadas. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)



É verdade que deve necessariamente haver física adicional ao que observamos para explicar essa assimetria, mas há restrições significativas sobre os tipos de nova física que podem causá-la. Eles eram elucidado por Andrei Sakharov em 1967 , que observou:

  1. O Universo deve estar em um estado fora de equilíbrio.
  2. Ambos C -simetria e PC -simetria deve ser violada.
  3. E interações que violem o número bariônico devem ocorrer.

Mesmo que não tivéssemos observado PC -violando as interações diretamente, saberíamos que elas devem ocorrer para criar um Universo que seja consistente com o que observamos. E, portanto, uma vez que novamente T -a violação é necessariamente implícita por PC -violação, T -simetria nem sempre pode ser verdadeira.

A taxa de decaimento orbital de um pulsar binário é altamente dependente da velocidade da gravidade e dos parâmetros orbitais do sistema binário. Usamos dados binários de pulsar para restringir a velocidade da gravidade a ser igual à velocidade da luz com uma precisão de 99,8% e inferir a existência de ondas gravitacionais décadas antes que o LIGO e o Virgo as detectassem. No entanto, a detecção direta de ondas gravitacionais era uma parte vital do processo científico, e a existência de ondas gravitacionais ainda estaria em dúvida sem ela. (NASA (L), INSTITUTO MAX PLANCK DE RÁDIO ASTRONOMIA / MICHAEL KRAMER (R))

Mas há uma enorme diferença, em qualquer ciência, entre evidências teóricas ou indiretas de um fenômeno e uma observação direta ou medição do efeito desejado. Mesmo nos casos em que você sabe qual deve ser o resultado, a verificação experimental deve ser exigida, ou corremos o risco de nos enganar.

Isso é verdade em qualquer área da física. Claro, sabíamos observando o tempo dos pulsares binários que suas órbitas estavam decaindo, mas somente com a detecção direta de ondas gravitacionais poderíamos ter certeza de que era assim que a energia estava sendo levada. Sabíamos que horizontes de eventos devem existir em torno de buracos negros, mas somente ao imaginá-los diretamente confirmamos essa previsão da física teórica. E sabíamos que o bóson de Higgs deveria existir para tornar o Modelo Padrão consistente, mas apenas descobrindo suas assinaturas inequívocas no LHC o confirmamos.

A primeira detecção robusta de 5 sigma do bóson de Higgs foi anunciada há alguns anos pelas colaborações CMS e ATLAS. Mas o bóson de Higgs não faz um único “pico” nos dados, mas sim um aumento espalhado, devido à sua incerteza inerente na massa. Sua massa de 125 GeV/c² é um quebra-cabeça para a física teórica, mas os experimentalistas não precisam se preocupar: ela existe, podemos criá-la e agora podemos medir e estudar suas propriedades também. (A COLABORAÇÃO CMS, OBSERVAÇÃO DO DIPHOTON DECAY DO BÓSON DE HIGGS E MEDIÇÃO DE SUAS PROPRIEDADES, (2014))

Para confirmar diretamente e experimentalmente a existência de T -violação, os cientistas tinham que ser incrivelmente inteligentes. O que se deve fazer é projetar um experimento em que as leis da física possam ser testadas diretamente quanto às diferenças entre um experimento que avança no tempo e um que avança no tempo. E como – no mundo real – o tempo só avança, isso exigiu um pensamento verdadeiramente criativo.

A maneira de pensar sobre isso é lembrar como os estados quânticos emaranhados funcionam. Se você tem duas partículas quânticas emaranhadas uma na outra, você sabe algo sobre suas propriedades combinadas, mas suas propriedades individuais são indeterminadas até que você faça uma medição. Medir o estado quântico de uma partícula lhe dará alguma informação sobre a outra, e lhe dará instantaneamente, mas você não pode saber nada sobre nenhuma partícula individual até que ocorra essa medição crítica.

Se duas partículas estão emaranhadas, elas têm propriedades de função de onda complementares, e a medição de uma determina as propriedades da outra. Se você criar duas partículas ou sistemas emaranhados, no entanto, e medir como um decai antes que o outro decaia, você deve ser capaz de medir a reação invertida no tempo para testar a conservação ou violação da simetria T. (USUÁRIO DA WIKIMEDIA COMMONS DAVID KORYAGIN)

Normalmente, quando pensamos em emaranhamento quântico de duas partículas, realizamos experimentos envolvendo partículas estáveis, como fótons ou elétrons. Mas há apenas um tipo de processo físico em que PC -a violação é conhecida por ocorrer: através de decaimentos que prosseguem através da interação nuclear fraca. Na verdade, esse tipo direto de PC -violação foi observado em 1999 , e pelo CPT teorema, T -violação deve ocorrer. Portanto, se quisermos testar a violação direta da simetria de reversão do tempo, teríamos que criar partículas onde T - ocorre violação, o que significa criar bárions ou mésons (partículas compostas instáveis) que decaem por meio das interações fracas.

Essas duas propriedades, de indeterminismo quântico e de decaimento por meio de interações fracas, podem ser aproveitadas para projetar o tipo exato de experimento necessário para testar a violação direta de T -simetria.

Os mésons B podem decair diretamente em uma partícula J/Ψ (psi) e uma partícula Φ (phi). Os cientistas do CDF encontraram evidências de que alguns mésons B decaem inesperadamente em uma estrutura intermediária de tetraquark identificada como uma partícula Y, onde o tetraquark consiste em dois quarks e dois antiquarks. Quando um sistema composto, como a partícula Y, decai em dois estados que têm valores diferentes para suas propriedades CP, eles também devem ter propriedades diferentes para suas propriedades T, permitindo que os cientistas criem um experimento que possa testar diretamente a violação de T. . (REVISTA SIMETRIA)

A maneira de testar a violação de reversão de tempo diretamente proposta pela primeira vez apenas recentemente , já que a tecnologia para produzir um grande número de partículas que contêm quarks bottom (b) só surgiu nos últimos anos. O partícula ϒ (a letra grega Upsilon) é o exemplo clássico de uma partícula contendo quarks bottom, pois na verdade é um méson feito de um par de quark bottom e um par de antiquark bottom.

Como a maioria das partículas compostas, existem muitos estados de energia e configurações diferentes em que ele pode existir, semelhante a como o átomo de hidrogênio exibe uma variedade de estados de energia possíveis para o elétron estar. Em particular, foi sugerido que o estado de energia 4s se mantém. algumas propriedades especiais, e pode ser o melhor candidato para observar T -violação de simetria diretamente.

Em um sistema atômico, cada orbital s (vermelho), cada um dos orbitais p (amarelo), os orbitais d (azul) e os orbitais f (verde) podem conter apenas dois elétrons cada: um spin para cima e um spin para baixo em cada um. 1. Em um sistema nuclear, mesmo em um méson que tem apenas um quark e um antiquark, existem orbitais (e estados de energia) semelhantes. Em particular, o estado 4s da partícula Upsilon (ϒ) tem propriedades particularmente interessantes e foi criado centenas de milhões de vezes para a colaboração BaBar no SLAC. (BIBLIOTECA DE LIBRETEXTS / NSF / UC DAVIS)

A razão? O partícula ϒ (4s) , quando você cria um, decai em um méson B neutro (com um quark down e um quark anti-bottom) e um anti-méson B neutro (com um quark bottom e um quark anti-down) cerca de 48% do tempo. Em um colisor de elétron-pósitron, você tem a liberdade de ajustar suas colisões para que ocorram na energia exata necessária para criar uma partícula ϒ(4s), o que significa que você pode criar um número enorme de mésons B e anti-mésons B para todos. suas necessidades de física de partículas.

Cada méson, seja um B ou um anti-B, pode decair de algumas maneiras possíveis. Ou você pode produzir:

  • uma partícula J/ψ (charme-anticharme) e um Kaon de vida longa,
  • uma partícula J/ψ e um Kaon de vida curta,
  • ou um lépton carregado e outras partículas.

Isso é interessante, porque o primeiro decaimento tem um valor conhecido de CP, o segundo tem um valor conhecido de CP que é oposto ao primeiro e o terceiro decaimento identifica se é um B ou anti-B em virtude do sinal da carga no lépton. (Um anti-lépton carregado positivamente indica um decaimento B; um lépton carregado negativamente indica um decaimento anti-B.)

Uma configuração do sistema usado pela colaboração BaBar para testar a violação de simetria de reversão de tempo diretamente. A partícula ϒ(4s) foi criada, ela decai em dois mésons (que pode ser uma combinação B/anti-B), e então ambos os mésons B e anti-B irão decair. Se as leis da física não forem invariantes no tempo, os diferentes decaimentos em uma ordem específica exibirão propriedades diferentes. Isso foi confirmado em 2012. (APS / ALAN QUEBRADOR DE PEDRA)

Quando um membro do par B/anti-B decai em um J/ψ e um Kaon e o outro membro decai em um lépton, isso nos dá a oportunidade de testar a violação de reversão no tempo. Como essas duas partículas, a B e a anti-B, são instáveis, seus tempos de decaimento são conhecidos apenas em termos de suas meias-vidas: os decaimentos não ocorrem de uma só vez, mas em momentos aleatórios com uma probabilidade conhecida.

Então, você vai querer fazer as seguintes medidas:

  1. Se o primeiro méson a decair em um lépton carregado positivamente, você sabe que o segundo deve ser uma partícula anti-B.
  2. Você então mede o decaimento da partícula anti-B e vê quantos deles dão a você um decaimento em um Kaon de vida curta.
  3. Então, você procura eventos em que a ordem de decaimento é invertida e os estados inicial e final são trocados, ou seja, onde o primeiro méson decai em um Kaon de vida longa e é seguido pelo segundo decaindo em um lépton carregado negativamente.

Este é um teste direto de violação de reversão de tempo. Se as duas taxas de eventos forem desiguais, o T - a simetria está quebrada.

Existem quatro assimetrias independentes que violam a reversão no tempo no sistema de decaimento ϒ(4s), correspondendo a decaimentos em léptons carregados e combinações de quark-antiquark charm. A curva azul tracejada representa o melhor ajuste aos dados BaBar sem violação de T; você pode ver como é absurdamente ruim. A curva vermelha representa os dados de melhor ajuste com violação de T. Com base neste experimento, a violação direta de T é suportada no nível de 14 sigma. (J. P. LEES ET AL. (A COLABORAÇÃO BABAR), PHYS. REV. LETT. 109, 211801 (2012))

Levou a criação de mais de 400 milhões de partículas ϒ(4s) para detectar a violação de reversão de tempo diretamente, e isso foi realizado pela colaboração BaBar em 2012 . O teste para a reversão dos estados emaranhados inicial e final é, até o momento, o único teste direto já realizado para verificar se T - a simetria é conservada ou violada de forma direta. Assim como previsto, as interações fracas violam essa T -simetria, provando que as leis da física não são idênticas se o tempo avança ou retrocede.

Na física de partículas, o padrão-ouro para significância experimental é um limite de 5 sigma. No entanto, os físicos da BaBar alcançaram um significado de 14 sigma: uma conquista notável. O motivo pelo qual você provavelmente nunca ouviu falar sobre isso? Foi ofuscado por notícias de física de partículas um pouco maiores que ocorreram no mesmo ano: a descoberta do bóson de Higgs. Mas esse resultado talvez seja digno de um Nobel também. As leis da natureza não são as mesmas para a frente e para trás no tempo. Depois de sete anos, é hora de o mundo sentir o impacto dessa descoberta.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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