Комбинация трех симметрий, известная как симметрия «СРТ», никогда не может быть нарушена
Конечная цель физики — максимально точно описать, как именно будет вести себя каждая физическая система, которая может существовать в нашей Вселенной. Законы физики должны применяться повсеместно: одни и те же правила должны работать для всех частиц и полей во всех местах и в любое время.
Они должны быть достаточно хороши, чтобы, независимо от существующих условий или проводимых экспериментов, наши теоретические предсказания соответствовали измеренным результатам. И наличие предсказательной способности в явном виде означает, что если вы знаете начальные условия вашей системы и законы, которые ею управляют, вы можете предсказать, какими всегда будут результаты — или относительная вероятность набора возможных результатов.
Наиболее успешные физические теории это:
- квантовая теории поля, описывающие каждое из фундаментальных взаимодействий между частицами,
- а также общая теория относительности, описывающая пространство-время и гравитацию.
И все же есть одна фундаментальная симметрия, которая применима не только ко всем этим физическим законам, но и ко всем физическим явлениям: СРТ-симметрия. И уже почти 70 лет ученые знают теорему, запрещающую ее нарушать.
Для большинства из нас, когда мы слышим слово «симметрия», мы думаем об отражении вещей в зеркале. Некоторые буквы алфавита обладают такой симметрией: «А» и «Т» вертикально симметричны, а «В» и «Е» горизонтально симметричны. «О» симметрична относительно любой прямой, проходящей через ее центральную точку, а также обладает вращательной симметрией: как бы вы ее ни вращали, ее вид неизменен.
Эти симметрии — известные как «линейная» симметрия и «точечная» симметрия соответственно — это две симметрии, с которыми мы больше всего сталкиваемся в нашей повседневной жизни.
Но есть и другие виды симметрии, встречающиеся в природе. Если у вас есть горизонтальная линия, и вы сдвигаете эту линию на любую величину в горизонтальной линии, она остается неизменной: это все та же горизонтальная линия. Это пример того, что называется «трансляционной» симметрией.
Если вы находитесь внутри вагона поезда и эксперименты, которые вы проводите, дают один и тот же результат независимо от того, находится ли поезд в покое или быстро движется по рельсам, это симметрия относительно ускорений (или преобразований скорости). Некоторые из этих общих симметрий всегда выполняются в соответствии с известными физическими законами, в то время как другие действительны только иногда: пока выполняются определенные условия.
Если спуститься на фундаментальный уровень и рассмотреть мельчайшие неделимые частицы, из которых состоит все, что мы знаем о Вселенной, это приведет нас к рассмотрению частиц Стандартной модели. Состоящие из фермионов (кварков и лептонов) и бозонов (глюонов, фотонов, W- и Z-бозонов и бозонов Хиггса), они включают в себя все известные нам частицы, составляющие материю и излучение, которые ученые непосредственно изучали в экспериментах. (Хотя также есть веские доказательства существования темной материи и темной энергии, они не включены в эту картину и не могут быть объяснены ни одной из известных частиц Стандартной модели.)
Согласно законам как квантовой теории поля, так и общей теории относительности, мы можем рассчитать силы между любыми частицами в любой конфигурации и определить, как они будут двигаться, взаимодействовать и развиваться во времени.
Мы можем наблюдать, как частицы материи ведут себя в тех же условиях, что и частицы антиматерии, и определять, где их поведение идентично друг другу, а где они отличаются друг от друга. Мы можем проводить эксперименты, являющиеся зеркальным отражением других экспериментов, и записывать результаты. Все три из них проверяют достоверность различных симметрий.
В физике эти три фундаментальные симметрии — симметрия между материей и антиматерией, симметрия между системами частиц и их зеркальными отражениями и симметрия хода часов вперед или назад — имеют определенные названия и правила, которым они следуют.
- Зарядовое сопряжение (C): эта симметрия предполагает замену каждой частицы в вашей системе ее аналогом из антиматерии. Это называется зарядовым сопряжением, потому что каждая заряженная частица имеет противоположный заряд (например, электрический или цветовой) для соответствующей античастицы.
- Четность (P): эта симметрия предполагает замену каждой частицы, взаимодействия и распада их зеркальным отражением.
- Симметрия времени (T): эта симметрия требует, чтобы законы физики, влияющие на взаимодействие частиц, вели себя одинаково независимо от того, двигаетесь ли вы вперед или назад во времени.
Большинство сил и взаимодействий, к которым мы привыкли, подчиняются каждой из этих трех симметрий независимо.
Если вы бросили мяч в гравитационное поле Земли, и его траектория полета приняла форму, подобную параболе, не имело бы значения, если бы вы заменили частицы античастицами (С), не имело бы значения, отразили ли вы свою параболу в зеркале или нет (P), и не имело бы значения, если бы вы переводил часы вперед или назад (T), при условии, что вы игнорировали такие вещи, как сопротивление воздуха и любые (не совсем упругие) столкновения с землей.
Но отдельные частицы не подчиняются всем этим симметриям при всех физических условиях, которые мы можем себе представить. Было замечено, что некоторые частицы ведут себя принципиально иначе, чем их античастицы, нарушая C-симметрию.
Нейтрино и антинейтрино — по крайней мере те, которые можно наблюдать — всегда видны в движении и движутся со скоростью, близкой к скорости света. Однако, если вы укажете большим пальцем левой руки в направлении движения частиц, нейтрино всегда «вращаются» в направлении, в котором ваши пальцы на левой руке сжимаются вокруг нейтрино, в то время как антинейтрино всегда «правосторонние» таким же образом.
Некоторые частицы нестабильны и распадаются по прошествии достаточного времени, а некоторые из этих распадов частиц нарушают четность. Если у вас есть нестабильная частица, которая вращается в одном направлении, а затем распадается, продукты ее распада могут быть либо выровнены, либо антинаправлены со спином. Если нестабильная частица демонстрирует предпочтительную направленность своего распада, то распад зеркального отображения будет иметь противоположную направленность, нарушая P-симметрию.
Вы также можете проверить комбинацию этих симметрий, создав зеркальное отображение системы и затем заменив частицы в зеркале античастицами. Эта комбинация, которая может либо нарушаться, либо сохраняться, известна как CP-симметрия.
В 1950-х и 1960-х годах была проведена серия экспериментов, в которых проверялась каждая из этих симметрий и то, насколько хорошо они работают в условиях гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых ядерных сил. При сильном ядерном взаимодействии, а также при электромагнитном и гравитационном взаимодействии нарушений симметрии не наблюдалось. Это остается верным даже в наши дни; по состоянию на 2020-е годы нарушений симметрии C, P или T никогда не наблюдалось.
Возможно, удивительно, что слабые взаимодействия нарушают каждую из симметрий C, P и T по отдельности, а также комбинации любых двух таких симметрий (CP, PT и CT) вместе.
Эти нарушения важны для нашего понимания Вселенной. Но все фундаментальные взаимодействия, каждое отдельное, всегда подчиняются комбинации всех трех этих симметрий вместе: СРТ-симметрии (CPT-инвариантность).
СРТ-симметрия утверждает, что любая физическая система, состоящая из частиц, которая движется вперед во времени, будет подчиняться тем же законам, что и идентичная физическая система, состоящая из античастиц, отраженных в зеркале, которая движется назад во времени. Это наблюдаемая точная симметрия природы на фундаментальном уровне, и она должна соблюдаться для всех физических явлений, даже для тех, которые еще предстоит открыть.
Эксперименты по физике элементарных частиц проводились в течение десятилетий для поиска нарушений симметрии СРТ. Со значительно большей точностью, чем 1 часть на 10 миллиардов, наблюдается хорошая симметрия CPT в мезонных (кварк-антикварк), барионных (протон-антипротон) и лептонных (электрон-позитрон) системах. Ни в одном эксперименте никогда не наблюдалось несоответствие с СРТ-симметрией, и это хорошо для Стандартной модели.
Это также важное соображение с теоретической точки зрения, потому что существует теорема CPT, которая требует, чтобы эта комбинация симметрий, применяемых вместе, не нарушалась. Хотя это было впервые доказано в 1951 году Джулианом Швингером, из того факта, что СРТ-симметрия должна сохраняться в нашей Вселенной, вытекает множество удивительных последствий, а также многочисленные патологии, которые проявились бы, если бы она была фундаментально нарушена.
Первое следствие состоит в том, что наша Вселенная, какой мы ее знаем, будет неотличима от конкретного воплощения анти-Вселенной. Если бы вы меняли:
- положение каждой частицы в положение, которое соответствовало отражению через точку (P-обращение),
- каждая частица заменена своим аналогом из антивещества (обращениет C),
- и импульс каждой частицы, обращенный на противоположнный с той же величиной и в противоположном направлении от ее настоящего значения (обращение T),
тогда эта анти-Вселенная будет развиваться в соответствии с точно такими же физическими законами, как и наша собственная Вселенная.
Другим следствием является то, что если выполняется комбинация CPT, то каждое нарушение одного из них (C, P или T) должно соответствовать эквивалентному нарушению двух других комбинаций (PT, CT или CP соответственно), чтобы сохранить комбинацию CPT.
Вот почему ученые знали, что T-нарушение должно происходить в определенных системах за десятилетия до того, как смогли измерить его напрямую: потому что наблюдаемое CP-нарушение требовало этого. Это также означает, что как только мы измеряем С-нарушение и Р-нарушение, мы сразу же знаем, что PT-симметрия и CT-симметрия также должны быть нарушены.
Но самым важным следствием теоремы СРТ является очень глубокая связь между теорией относительности и квантовой физикой: лоренц-инвариантность. Если СРТ-симметрия является хорошей симметрией, то симметрия Лоренца, утверждающая, что законы физики остаются одинаковыми для наблюдателей во всех инерциальных (т. е. неускоряющих) системах отсчета, также должна быть хорошей симметрией. Обратное, однако, также верно, подразумевая, что если вы нарушаете симметрию СРТ, то симметрия Лоренца также нарушается .
По ряду причин это не только плохо, но и потенциально может быть патологическим: разрушение фундамента, на котором построена современная физика.
Нарушение лоренцевой симметрии может быть модным в некоторых областях теоретической физики, особенно в некоторых подходах к квантовой гравитации , но экспериментальные ограничения на это чрезвычайно сильны.
За более чем 100 лет было проведено множество экспериментальных поисков нарушений лоренц-инвариантности, и результаты в подавляющем большинстве случаев отрицательные и надежные. Если законы физики одинаковы для всех наблюдателей, то СРТ должна быть хорошей симметрией. А если это не так, то способы, которыми она нарушается, крошечны, незаметны и крайне жестко ограничены.
В физике мы должны быть готовы подвергнуть сомнению наши предположения и исследовать все возможности, какими бы маловероятными они ни казались или насколько сильно они противоречили бы нашему интуитивному пониманию того, как должна вести себя природа. Но по умолчанию мы должны считать, что к законам физики, выдержавшим все экспериментальные проверки, составляющим непротиворечивую теоретическую основу и точно описывающим нашу реальность, следует относиться так, как если бы они были правильными, пока не доказано обратное.
В данном случае это означает, что предположение о том, что законы физики одинаковы везде и для всех наблюдателей, следует рассматривать как справедливое, пока не будет доказано обратное.
Иногда частицы ведут себя иначе, чем античастицы, и это нормально. Иногда физические системы ведут себя иначе, чем их зеркальные отражения, и это тоже нормально. И иногда физические системы ведут себя по-разному в зависимости от того, идут ли часы вперед или назад, что также допустимо. Однако мы должны требовать, чтобы такое же поведение наблюдалось для:
- частицы, движущиеся вперед во времени
- как для античастиц, отраженных в зеркале, движущихся назад во времени;
Это следствие теоремы CPT. Это единственная симметрия, до тех пор, пока физические законы, о которых мы знаем, верны, которая должна быть действительно нерушимой в нашей Вселенной.