CPT对称
CPT对称是物理定律中一种对称性质，有此性质的物理量在时间（T，time）、电荷（C，Charge）及宇称（P，Parity）一起被反向变换（即正负变号）后不变。
历史
[编辑]1950年代的研究指出，P对称（宇称）在弱相互作用下会被破坏，而C对称（电荷共轭）破坏也有几个有名的例证。于是有一小段时期，物理学家认为CP对称在所有物理现象中都会守恒，但不久后就发现这个也是错的。由于CPT守恒的关系，这意味着T对称（时间反转）也必须被破坏。CPT定理需要所有物理现象都保有CPT对称。它假设量子定律和洛仑兹不变性都是正确的。具体地，CPT定理指定，任何有自伴哈密顿算符的洛仑兹不变局部量子场论，都必须要有CPT对称。
CPT定理最早含蓄地出现于1951年，在朱利安·施温格有关自旋统计定理的研究报告中。在1954年，格哈特·吕德斯及沃尔夫冈·泡利推导出更明确的证明，因此这定理有时候会被称为吕德尔斯－泡利定理。约翰·贝尔也在差不多同一时间独立地证明了这一定理。这些证明都是基于量子场相互作用中的洛仑兹不变性及局部性原理。随后，雷斯·约斯特在公设量子场论的框架下提出了一个更通用的证明。
推导
[编辑]考虑一z方向的一维洛仑兹变换。它可被诠释成时间轴旋转进z轴，其中旋转参数为虚数。若旋转参数为实数时，180°的旋转变得可行，从而可以反转时间和z的方向。把其中一条轴的方向逆转，在任何数量的维里都会是一种反射。若空间是三维的话，因为可以在x-y平面上再加一个180°的旋转，所以这跟把所有坐标都反射是一样的。
如果我们采用反粒子的费曼-斯蒂克尔伯格表述，即反粒子往时间的反方向移动，那么上述的反射就是CPT变换的定义。这个诠种需要少量的解析延拓，它只能在以下的条件下有良适定义：
- 理论本身是洛仑兹不变的；
- 真空是洛仑兹不变的；
- 能量从下方受到束缚。
当上述条件成立时，量子场论可被延伸至欧几里得空间，使用哈密顿算符把所有算符平移至虚数平面（威克转动），即可得欧几里得理论。此时哈密顿算符的对易关系，与洛仑兹生成元，会保证洛仑兹不变性导致旋转不变性，因此在欧几里得空间任何态都能被旋转180°。
由于连续两次CPT反射相当于360°旋转，所以费米子在两次CPT反射后会变号，而玻色子则不会。这个特性可用于证明自旋统计定理。
后果
[编辑]引申 CPT 对称可得我们宇宙的一个“镜像”——所有物体的位置都被一虚拟平面所反射（对应宇称反向），所有动量反向（时间反转）及所有物质都被反物质所取代（对应电荷反转）——在跟我们一样的物理定律下会如何演进。CPT 变换把我们的宇宙变成它的“镜像”，反之亦然。CPT 对称被认为是所有物理定律的基础性质。
为了保住这一项对称，CPT 中任何两个对称所组成的对称（例如 CP）被破坏时，对应地余下的一个对称（例如T）也一定会被破坏；实际上，就数学而言，两者是一样的。因此T对称破坏很多时候会被称为 CP破坏。
在需要考虑 Pin 群的时候，CPT 定理可被概括化。
2002 年，Oscar Greenberg 宣称 CPT 对称性的破坏可以导致洛伦兹破坏[1]。这代表任何 CPT 破坏的研究都包含洛伦兹破坏。然而，Chaichian 等人于 2011 年驳斥 Greenberg 的证明[2]。
热力学第二定律
[编辑]按热力学第二定律，在我们身处的宇宙中，随时间流逝，低熵状态将会变成高熵。然而，若某一区域中，粒子的电荷、宇称与我们相反，则高熵降为低熵为自然变化，如此则违反了热力学第二定律。
物理学家休·普莱斯称此为“双重标准原则”；宇宙任何初始的状态是自然的，那么该状态作为终结状态，也必须是自然的。
参见
[编辑]参考资料
[编辑]- ^
Greenberg, O. W. CPT Violation Implies Violation of Lorentz Invariance. Physical Review Letters. 2002, 89 (23): 231602. Bibcode:2002PhRvL..89w1602G. arXiv:hep-ph/0201258
. doi:10.1103/PhysRevLett.89.231602.
- ^
Chaichian, M.; Dolgov, A. D.; Novikov, V. A.; Tureanu, A. CPT Violation Does Not Lead to Violation of Lorentz Invariance and Vice Versa. Physics Letters B. 2011, 699 (3): 177–180. Bibcode:2011PhLB..699..177C. arXiv:1103.0168 . doi:10.1016/j.physletb.2011.03.026.
- Sozzi, M.S. Discrete symmetries and CP violation. Oxford University Press. 2008. ISBN 978-0-19-929666-8.
- Griffiths, David J. Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc. 1987. ISBN 0-471-60386-4.
- Streater, R.F. and Wightman, A.S. PCT, spin and statistics, and all that. Benjamin/Cummings. 1964. ISBN 0-691-07062-8.
外部链接
[编辑]- 物理中的Pin群：C、P及T（页面存档备份，存于互联网档案馆） arXiv（英文）
- 电荷、宇称及时间反转（CPT）对称（页面存档备份，存于互联网档案馆） 劳伦斯伯克利国家实验室（英文）
- 用K介子衰变验证CPT不变性（页面存档备份，存于互联网档案馆） 劳伦斯伯克利国家实验室（英文）