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¿Antimateria como materia que retrocede en el tiempo? (solicitando más aclaraciones sobre una publicación anterior)

Penélope, miembro de nuestro equipo, nos hizo el favor de crear esta crónica porque conoce perfectamente el tema.

Solución:

Tenga en cuenta que soy un experimentalista, por lo tanto, trato las ideas y los modelos teóricos como dependientes de observaciones experimentales y no al revés.

Hechos:

  • las partículas elementales tienen números cuánticos medibles. Estos números cuánticos definen la partícula.

  • las partículas elementales tienen masa

  • existen partículas elementales y compuestas (desde elementales) que tienen la misma masa que otras pero carga opuesta, como el electrón vs positrón, protón vs antiprotón, llamadas antipartículas porque:

  • Existe una probabilidad muy alta de que cuando se dispersen entre sí, la partícula y la antipartícula desaparezcan y la energía aparezca en una plétora de otras partículas. Esto se llama aniquilación porque la carga desaparece y, en general, los números cuánticos opuestos se "aniquilan".

En el aspecto teórico, estas observaciones experimentales se ajustan maravillosamente a la ecuación de Dirac si se consideran las soluciones de energía negativa para describir las antipartículas.

Una cosa de la que podemos estar seguros es que las antipartículas medidas viajan hacia adelante en el tiempo.

Popular interpretación teórica de las antipartículas que son partículas que viajan hacia atrás en el tiempo proviene principalmente de los diagramas de Feynman. Se trata de una brillante herramienta matemática para ajustar y predecir medidas que representan interacciones de partículas como líneas entrantes y líneas salientes y entre líneas que representan partículas virtuales que llevan los números cuánticos pero están fuera de la capa de masa.

Debido al teorema de CPT, una vez que se dibuja un diagrama de Feynman, se pueden interpretar las líneas consistentemente de acuerdo con CPT y obtendrán las correspondientes secciones transversales y probabilidades para el cambio en los números cuánticos consistentes con CPT (conjugación de carga, paridad e inversión de tiempo) . Identificar un positrón como un electrón retrocedido en el tiempo es una interpretación elegante que, en los diagramas de Feynman, muestra la simetría CPT que deben obedecer.

Lo que estoy diciendo es que el enunciado "los positrones son electrones en retroceso" es una representación matemática conveniente y precisa para fines de cálculo. "Como si". No ha habido ningún indicio, ni siquiera pequeño, de que en la naturaleza (como la estudiamos experimentalmente) todo vaya hacia atrás en el tiempo, como definimos el tiempo en el laboratorio.

Editar respondiendo al comentario de Nathaniel:

Tengo curiosidad: ¿cómo esperaría que los datos empíricos de un positrón que viaja hacia atrás difieran de lo que realmente vemos?

En esta imagen de la cámara de burbujas vemos lo opuesto a la aniquilación, la creación por un fotón de un par e + e. (Este es un detalle ampliado de la foto de la cámara de burbujas en los archivos. La página web original con las letras ha desaparecido, a partir de julio de 2017)

gamma e + e-

El campo magnético que los hace entrar en hélices es perpendicular al plano de la foto. Identificamos el electrón por el signo de su curvatura cuando sale del vértice. El positrón es el que sube a la esquina izquierda. Sabemos que no es un electrón que comenzó su vida antes de que se formara el vértice porque cuando un electrón / positrón se mueve a través del líquido pierde energía y la pérdida define la dirección temporal de la trayectoria. Entonces, la partícula tiene que comenzar en el vértice y terminar en la parte superior izquierda, por lo que tiene la curvatura opuesta al electrón y es un positrón.

Un diagrama de Feynman parece una dispersión en el espacio real, o una producción de pares, pero no se pueden proyectar las complejidades de las matemáticas que representa en el espacio real. Solo los cálculos de las secciones transversales y las probabilidades pueden compararse con las mediciones.

Sí, la partícula de antimateria puede tratarse como un retroceso en el tiempo en cierto sentido.

Pero considere algunos puntos:

(1) Si un abyecto "retrocede" en el tiempo, nosotros, los objetos normales, lo veremos como un avance en el tiempo. Por ejemplo, si una persona vive atrás en el tiempo, la veremos viviendo hacia adelante en el tiempo, pero primero muerta, luego anciana, luego adulta, luego niña y finalmente nacida. Es decir, veremos a una persona que tiene un orden inverso de etapas de la vida. Supongamos que la Tierra está llena de personas que viven hacia adelante o hacia atrás. ¿Qué decidiremos? Decidiremos que hay dos tipos de personas con orden inverso de etapas, nada más.

(2) Las partículas no tienen etapas de vida como las personas. Tanto el electrón como el positrón no cambian ni evolucionan mientras "viven". No se modifican y tienen propiedades constantes. Además, el proceso de "moverse" (en el espacio) no tiene una dirección temporal.

Entonces, la reversión de las anti-partículas solo significa que tienen algunas propiedades 4D (espacio-tiempo), y estas propiedades están orientadas en sentido opuesto a las anti-partículas.

(3) La física de partículas probablemente obedece a la llamada simetría CPT. Es decir, cada posible reacción "química" entre partículas, puede ser (P) reflejada en un espejo, (T) invertida en el tiempo y (C) partículas reemplazadas por antipartículas y este procedimiento dará también una posible reacción "química".

Entonces, si dices que las antipartículas son partículas invertidas en el tiempo, estás diciendo que obedecen a la simetría CT, que no es completamente true. La simetría completa es CPT, por lo que las antipartículas se invierten en el tiempo y se reflejan en un espejo.

La noción de antipartícula surge tan pronto como se tiene en cuenta la relatividad especial. Para una partícula relativista de masa $ m $, su energía y momento satisfacen $ E ^ 2 = p ^ 2 + m ^ 2 $. Para ilustrar de dónde vienen las anti-partículas, tomemos la "ecuación de función de onda" más simple (eso es un abuso del lenguaje ya que es una ecuación para campos), es decir, la de Klein-Gordon. Por simplicidad, considero solo 1 dimensión: $$ frac partial ^ 2 phi partial t ^ 2 - frac partial ^ 2 phi partial x ^ 2 + m ^ 2 phi = 0 $$ Una solución de esta ecuación es: $$ phi_1 = e ^ - i (Et-px) $$ ya que tenemos $ frac partial ^ 2 phi_1 partial t ^ 2 = (-iE) ^ 2 phi_1 = -E ^ 2 phi_1 $ y $ frac partial ^ 2 phi_1 partial x ^ 2 = (-ip) ^ 2 phi_1 = -p ^ 2 phi_1 $ y $ E ^ 2 = p ^ 2 + m ^ 2 $. Hasta ahora tan bueno. Ahora, hay otra solución de la ecuación de KG dada por: $$ phi_2 = e ^ + i (Et-px) $$ con todavía $ E ^ 2 = p ^ 2 + m ^ 2 $. Por lo tanto, 2 soluciones que describen 2 partículas con la misma masa. ¿Cuál es la diferencia entre estas 2 partículas? La carga. Se puede demostrar que la carga viene dada por esta expresión: $$ q ( phi) = i ( phi ^ * frac partial phi partial t - phi frac partial phi ^ * parcial t) $$ Al inyectar $ phi_1 $ y $ phi_2 $ se encuentra: $$ q ( phi_1) = + 2E, ~~~~ q ( phi_2) = -2E $$ Puede sorprenderte que la carga dependa de la energía, pero lo que importa aquí es que las 2 cargas son opuestas (el hecho de que sea proporcional a $ E $ se debe a la normalización relativista). Conclusión, $ phi_2 $ parece describir una partícula que tiene todas las propiedades de la descrita por $ phi_1 $ excepto que su carga es opuesta: es la antipartícula de $ phi_1 $. Ahora, observe que puedo expresar $ phi_2 $ con $ phi_1 $. De hecho, solo tengo que invertir el signo de $ E $ y $ p $: $$ phi_2 (E, p) = phi_1 (-E, -p) $$ Entonces, si $ phi_1 (E, p) $ describe una partícula con una energía positiva $ E $ y un impulso $ p $, la antipartícula también puede ser descrita por $ phi_1 $ con una energía negativa y una dirección opuesta del impulso. Pero: $$ phi_1 (-E, -p) = e ^ - i (E (-t) - (- p) .x) $$ y así la antipartícula expresada con $ phi_1 $ parece retroceder en el tiempo $ (- t) $ y con el impulso $ -p $. ¡Eso es todo! Una anti-partícula puede describirse por la solución de una partícula si inviertes el tiempo (o la energía) y el momento. Nada mas. Pero, obviamente, todos prefieren describir la antipartícula con $ phi_2 $ con cantidades físicas significativas: la antipartícula viaja hacia adelante en el tiempo (como cualquier partícula).

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