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CPT對稱

九月 15, 2023

CPT對稱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。

歷史 编辑

1950年代的研究指出，P對稱（宇稱）在弱相互作用下會被破壞，而C對稱（電荷共軛）破壞也有幾個有名的例證。於是有一小段時期，物理學家認為CP對稱在所有物理現象中都會守恆，但不久後就發現這個也是錯的。由於CPT守恆的關係，這意味着T對稱（時間反轉）也必須被破壞。CPT定理需要所有物理現象都保有CPT對稱。它假設量子定律和洛侖茲不變性都是正確的。具體地，CPT定理指定，任何有自伴哈密頓算符的洛侖茲不變局部量子場論，都必須要有CPT對稱。

CPT定理最早含蓄地出現於1951年，在朱利安·施溫格有關自旋統計定理的研究報告中。在1954年，格哈特·呂德斯及沃爾夫岡·泡利推導出更明確的證明，因此這定理有時候會被稱為呂德爾斯－泡利定理。約翰·貝爾也在差不多同一時間獨立地證明了這一定理。這些證明都是基於量子場相互作用中的洛侖茲不變性及局部性原理。隨後，雷斯·約斯特（英语：Res Jost）在公設量子場論的框架下提出了一個更通用的證明。

推導 编辑

考慮一z方向的一維洛侖茲變換。它可被詮釋成時間軸旋轉進z軸，其中旋轉參數為虛數。若旋轉參數為實數時，180°的旋轉變得可行，從而可以反轉時間和z的方向。把其中一條軸的方向逆轉，在任何數量的維裏都會是一種反射。若空間是三維的話，因為可以在x-y平面上再加一個180°的旋轉，所以這跟把所有座標都反射是一樣的。

如果我們採用反粒子的費曼-斯蒂克爾伯格表述，即反粒子往時間的反方向移動，那麼上述的反射就是CPT變換的定義。這個詮種需要少量的解析延拓，它只能在以下的條件下有良適定義：

  1. 理論本身是洛侖兹不變的；
  2. 真空是洛侖兹不變的；
  3. 能量從下方受到束縛。

當上述條件成立時，量子場論可被延伸至歐幾里得空間，使用哈密頓算符把所有算符平移至虛數平面（威克轉動），即可得歐幾里得理論。此時哈密頓算符的對易關係，與洛侖茲生成元，會保證洛侖茲不變性導致旋轉不變性，因此在歐幾里得空間任何態都能被旋轉180°。

由於連續兩次CPT反射相當於360°旋轉，所以費米子在兩次CPT反射後會變號，而玻色子則不會。這個特性可用於證明自旋統計定理。

後果 编辑

引申 CPT 對稱可得我們宇宙的一個“鏡像”——所有物體的位置都被一虛擬平面所反射（對應宇稱反向），所有動量反向（時間反轉）及所有物質都被反物質所取代（對應電荷反轉）——在跟我們一樣的物理定律下會如何演進。CPT 變換把我們的宇宙變成它的“鏡像”，反之亦然。CPT 對稱被認為是所有物理定律的基礎性質。

為了保住這一項對稱，CPT 中任何兩個對稱所組成的對稱（例如 CP）被破壞時，對應地餘下的一個對稱（例如T）也一定會被破壞；實際上，就數學而言，兩者是一樣的。因此T對稱破壞很多時候會被稱為 CP破壞。

在需要考慮 Pin 群的時候，CPT 定理可被概括化。

2002 年，Oscar Greenberg 宣稱 CPT 對稱性的破壞可以導致勞侖茲破壞[1]。這代表任何 CPT 破壞的研究都包含勞侖茲破壞。然而，Chaichian 等人於 2011 年駁斥 Greenberg 的證明[2]。

熱力學第二定律 编辑

按熱力學第二定律，在我們身處的宇宙中，隨時間流逝，低熵狀態將會變成高熵。然而，若某一區域中，粒子的電荷、宇稱與我們相反，則高熵降為低熵為自然變化，如此則違反了熱力學第二定律。

物理學家休·普萊斯（英语：Huw Price）稱此為「雙重標准原則」；宇宙任何初始的狀態是自然的，那麼該狀態作為終結狀態，也必須是自然的。

參見 编辑

參考資料 编辑

  1. ^ 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. 
  2. ^ 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. 

外部連結 编辑

九月 15, 2023
cpt對稱, 是物理定律中一种对称性质, 有此性质的物理量在时间, time, 电荷, charge, 及宇称, parity, 一起被反向变换, 即正负变号, 后不变, 目录, 歷史, 推導, 後果, 熱力學第二定律, 參見, 參考資料, 外部連結歷史, 编辑1950年代的研究指出, p對稱, 宇稱, 在弱相互作用下會被破壞, 而c對稱, 電荷共軛, 破壞也有幾個有名的例證, 於是有一小段時期, 物理學家認為cp對稱在所有物理現象中都會守恆, 但不久後就發現這個也是錯的, 由於cpt守恆的關係, 這意味着t對稱,. CPT對稱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 目录 1 歷史 2 推導 3 後果 3 1 熱力學第二定律 4 參見 5 參考資料 6 外部連結歷史 编辑1950年代的研究指出 P對稱 宇稱 在弱相互作用下會被破壞 而C對稱 電荷共軛 破壞也有幾個有名的例證 於是有一小段時期 物理學家認為CP對稱在所有物理現象中都會守恆 但不久後就發現這個也是錯的 由於CPT守恆的關係 這意味着T對稱 時間反轉 也必須被破壞 CPT定理需要所有物理現象都保有CPT對稱 它假設量子定律和洛侖茲不變性都是正確的 具體地 CPT定理指定 任何有自伴哈密頓算符的洛侖茲不變局部量子場論 都必須要有CPT對稱 CPT定理最早含蓄地出現於1951年 在朱利安 施溫格有關自旋統計定理的研究報告中 在1954年 格哈特 呂德斯及沃爾夫岡 泡利推導出更明確的證明 因此這定理有時候會被稱為呂德爾斯 泡利定理 約翰 貝爾也在差不多同一時間獨立地證明了這一定理 這些證明都是基於量子場相互作用中的洛侖茲不變性及局部性原理 隨後 雷斯 約斯特 英语 Res Jost 在公設量子場論的框架下提出了一個更通用的證明 推導 编辑考慮一z方向的一維洛侖茲變換 它可被詮釋成時間軸旋轉進z軸 其中旋轉參數為虛數 若旋轉參數為實數時 180 的旋轉變得可行 從而可以反轉時間和z的方向 把其中一條軸的方向逆轉 在任何數量的維裏都會是一種反射 若空間是三維的話 因為可以在x y平面上再加一個180 的旋轉 所以這跟把所有座標都反射是一樣的 如果我們採用反粒子的費曼 斯蒂克爾伯格表述 即反粒子往時間的反方向移動 那麼上述的反射就是CPT變換的定義 這個詮種需要少量的解析延拓 它只能在以下的條件下有良適定義 理論本身是洛侖兹不變的 真空是洛侖兹不變的 能量從下方受到束縛 當上述條件成立時 量子場論可被延伸至歐幾里得空間 使用哈密頓算符把所有算符平移至虛數平面 威克轉動 即可得歐幾里得理論 此時哈密頓算符的對易關係 與洛侖茲生成元 會保證洛侖茲不變性導致旋轉不變性 因此在歐幾里得空間任何態都能被旋轉180 由於連續兩次CPT反射相當於360 旋轉 所以費米子在兩次CPT反射後會變號 而玻色子則不會 這個特性可用於證明自旋統計定理 後果 编辑引申 CPT 對稱可得我們宇宙的一個 鏡像 所有物體的位置都被一虛擬平面所反射 對應宇稱反向 所有動量反向 時間反轉 及所有物質都被反物質所取代 對應電荷反轉 在跟我們一樣的物理定律下會如何演進 CPT 變換把我們的宇宙變成它的 鏡像 反之亦然 CPT 對稱被認為是所有物理定律的基礎性質 為了保住這一項對稱 CPT 中任何兩個對稱所組成的對稱 例如 CP 被破壞時 對應地餘下的一個對稱 例如T 也一定會被破壞 實際上 就數學而言 兩者是一樣的 因此T對稱破壞很多時候會被稱為 CP破壞 在需要考慮 Pin 群的時候 CPT 定理可被概括化 2002 年 Oscar Greenberg 宣稱 CPT 對稱性的破壞可以導致勞侖茲破壞 1 這代表任何 CPT 破壞的研究都包含勞侖茲破壞 然而 Chaichian 等人於 2011 年駁斥 Greenberg 的證明 2 熱力學第二定律 编辑 按熱力學第二定律 在我們身處的宇宙中 隨時間流逝 低熵狀態將會變成高熵 然而 若某一區域中 粒子的電荷 宇稱與我們相反 則高熵降為低熵為自然變化 如此則違反了熱力學第二定律 物理學家休 普萊斯 英语 Huw Price 稱此為 雙重標准原則 宇宙任何初始的狀態是自然的 那麼該狀態作為終結狀態 也必須是自然的 參見 编辑龐加萊對稱及量子場論 宇稱 電荷共軛 時間反轉對稱 CP破壞及K介子參考資料 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 nbsp 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 nbsp 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 amp 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 外部連結 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 電荷 宇稱及時間反轉 CPT 對稱 页面存档备份 存于互联网档案馆 勞倫斯伯克利國家實驗室 英文 用K介子衰變驗證CPT不變性 页面存档备份 存于互联网档案馆 勞倫斯伯克利國家實驗室 英文 取自 https zh wikipedia org w index php title CPT對稱 amp oldid 76708527, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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