Движется ли антивещество назад во времени?

Насколько мне известно, большинство физиков не верят, что антиматерия на самом деле является материей, движущейся назад во времени. Не совсем ясно даже, что на самом деле означает движение назад во времени, с общепринятой точки зрения.

Если я правильно помню, вся эта идея исходит из истории, которая, вероятно, возникла у Ричарда Фейнмана. В то время одной из больших загадок физики было то, почему все экземпляры конкретной элементарной частицы (например, все электроны) кажутся идентичными. У Фейнмана была очень сумбурная идея, что все электроны на самом деле могут быть одним и тем же электроном, просто прыгающим туда-сюда между началом времени и концом. Насколько я знаю, эта идея так и не развилась во что-то математически обоснованное, но она вдохновила Фейнмана и других на расчет свойств электрона, движущегося назад во времени, в определенном точном смысле, который вытекает из квантовой теории поля. То, что они придумали, было частицей, которая соответствовала известным свойствам позитрона.

Просто чтобы дать вам приблизительное представление о том, что означает для частицы «движение назад во времени» в техническом смысле: в квантовой теории поля частицы несут с собой количества различных сохраняющихся величин по мере своего движения. Эти величины могут включать энергию, импульс, электрический заряд, «аромат» и другие. По мере движения частиц эти сохраняющиеся величины производят «токи», направление которых зависит от движения и знака сохраняющейся величины. Если вы применяете оператор обращения времени (что является чисто математической концепцией, а не чем-то, что на самом деле обращает время), вы меняете направление текущего потока, что эквивалентно изменению знака сохраняемой величины, таким образом (грубо говоря) поворачивая частица в свою античастицу.

Например, рассмотрим электрический ток: он возникает от движения электрического заряда, а направление тока есть произведение направления движения заряда и знака заряда.

Положительный заряд движется влево ($+q\times -v$) эквивалентно движению отрицательного заряда вправо ($-q\times +v$). Если у вас есть поток электронов, движущихся вправо, и вы применяете оператор обращения времени, он преобразует правую скорость в левую скорость ($-q\times -v$). Но вы получите точно такой же результат, вместо этого превратив электроны в позитроны и позволив им продолжать двигаться вправо ($+q\times +v$); в любом случае, вы закончите с потоком чистого положительного заряда, движущимся вправо.

Кстати, факультативное чтение, если вам интересно: в квантовой теории поля есть очень простая (хотя и трудно доказуемая) теорема, TCP-теорема, в которой говорится, что если применить три операции обращения времени, зарядового сопряжения (переключить частицы и античастицы) и обращение четности (зеркальное отображение пространства), результат должен быть в точности эквивалентен тому, с чего вы начали. Из экспериментальных данных мы знаем, что при некоторых экзотических обстоятельствах комбинация зарядового сопряжения и инверсии четности не оставляет неизменными все физические процессы, а это означает, что то же самое должно быть верно и для обращения времени: физика не инвариантна к обращению времени . Конечно, поскольку мы не можем на самом делеобратное время, мы не можем точно проверить, насколько это верно.

Антиматерия во всех смыслах есть материя, движущаяся назад во времени. Понятие «движение назад во времени» бессмысленно в гамильтоновой формулировке, потому что все описание может идти только вперед во времени. Это определение того, что делает гамильтониан — он немного переносит вас во времени вперед. Поэтому, если сформулировать квантовую механику гамильтоновым способом, эту идею трудно понять (хотя это можно сделать — Штюкельберг открыл эту связь до интеграла по траекториям, когда единственным инструментом были полевые гамильтонианы).

Но в фейнмановской картине интеграла по траекториям частиц, когда вы параметризуете частицы по их собственному времени на мировой линии и отказываетесь от глобальной каузальной картины в пользу разделения и соединения частиц, траектории частиц согласуются с теорией относительности, но только в том случае, если траектории включают обратную связь. траектории во времени, где координатное время отсчитывается в обратном направлении относительно собственного времени.

В гамильтоновом формализме координатное время является единственным понятием времени. Таким образом, те пути, где собственное время движется в обратном направлении, выглядят как частицы другого типа, и это античастицы.

Иногда происходит отождествление, так что частица является самой себе античастицей.

Точное следствие: теорема CPT

Оператор «C» превращает все частицы в античастицы, оператор P отражает все пространственные направления, а оператор T отражает все движения (и делает это путем комплексного сопряжения). Важно понимать, что T — это оператор физических состояний, он не абстрактно переворачивает время, он конкретно переворачивает все импульсы и угловые моменты (вращающийся диск вращается в другую сторону), так что все идет в обратном направлении. Оператор четности меняет все направления, но не угловой момент.

Теорема СРТ утверждает, что любой процесс с участием материи происходит точно так же, когда он движется в обратном направлении, в зеркале, по отношению к антиматерии.

Оператор CPT никогда не является тождеством, за исключением случая реального скалярного поля. КПП, действующая на электрон, создает, например, позитронное состояние. CPT, действующая на фотон, создает фотон, движущийся в том же направлении с противоположной поляризацией (если P выбрано для отражения всех осей пространственных координат, это плохое соглашение за пределами 3 + 1 измерения).

Эта теорема доказывается тем, что оператор CPT соответствует повороту на 180 градусов в евклидовой теории, как описано в Википедии.

Точное следствие: пересечение

Любая амплитуда с участием частиц A($k_1,k_2,...,k_n$) аналитична по приходящему и уходящему импульсам, за исключением особенностей полюса и разреза, вызванных созданием промежуточных состояний. В древовидной теории возмущений эти амплитуды являются аналитическими, за исключением случаев создания физических частиц, где вы найдете полюса. Таким образом, амплитуды рассеяния имеют смысл для любого комплексного значения импульса, поскольку обход полюсов не является проблемой.

В терминах переменных Мандельштама для рассеяния 2-2, s, t, u (s — энергия ЦМ, t — передача импульса, а u — другая передача импульса другой созданной частице), амплитуда является аналитической функцией s и т. Области, в которых частицы находятся на массовой оболочке, даны графиком Мандельштама, и есть три разных области, соответствующие A+B, переходит в C+D, Cbar+B переходит в Abar+D, а A+Dbar переходит в C. +Bбар. Эти три режима описываются одной и той же функцией s, t, u в трех несвязанных областях.

Проще говоря, если вы начнете с чистого рассеяния частиц и аналитически продолжите амплитуды частиц с входящим импульсом k (с положительной энергией) до отрицательных k, вы найдете амплитуду процесса античастиц. Амплитуда античастицы однозначно определяется аналитическим продолжением амплитуды частицы для обращения энергии-импульса.

Это соответствует взятию исходящей частицы с положительной энергией и импульсом и изменению энергии и импульса на отрицательные значения, так что она улетает в обратном направлении с отрицательной энергией. Если отождествить линии на диаграммах Фейнмана с траекториями частиц, эта область амплитуды дает вклад траекторий, уходящих в прошлое.

Таким образом, пересечение — это другое точное утверждение «Антиматерия — это материя, возвращающаяся назад во времени».

Причинные картинки

Понятие возврата во времени является акаузальным, то есть автоматически исключается из гамильтоновой формулировки. По этой причине потребовалось много времени, чтобы этот подход был оценен и принят. Штюкельберг предложил эту интерпретацию античастиц в конце 1930-х годов, но представление Фейнмана прижилось.

На диаграммах Фейнмана будущее не определяется из прошлого путем продвижения вперед шаг за шагом, оно определяется путем отслеживания траекторий частиц в собственном времени. Таким образом, формализм диаграмм с философской точки зрения сильно отличается от формализма гамильтоновой теории поля настолько, что Фейнман был несколько разочарован их эквивалентностью.

Они не так легко эквивалентны, когда вы переходите к теории струн, потому что теория струн — это теория S-матрицы, сформулированная полностью на языке Фейнмана, а не на языке Гамильтона. Гамильтонова формулировка струн требует особого разделения пространства-времени, и даже в этом случае она менее ясна и элегантна, чем формулировка Фейнмана, столь же акаузальная и странная. Струны отступают во времени точно так же, как и частицы, поскольку они воспроизводят точечные частицы с бесконечным натяжением.

Если вам с философской точки зрения не нравятся акаузальные формализмы, вы можете сказать (в теории поля), что гамильтонов формализм является фундаментальным, и что вы верите в пересечение и СРТ, и тогда вам не придется говорить о возвращении во времени. Поскольку пересечение и СРТ являются точными проявлениями утверждения, что антиматерия — это материя, возвращающаяся назад во времени, вы на самом деле не говорите ничего другого, кроме как в философском плане. Но философия мотивирует скрещивание и СРТ.

Это относится к теории Фейнмана 1949 года.

См. http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/AntiMatter/AntiMatter.html текст ссылки .

Оттуда: "Теория антивещества Фейнмана.

В 1949 году Ричард Фейнман разработал еще одну теорию антиматерии.

Справа показана пространственно-временная диаграмма рождения и аннигиляции пар. Электрон движется снизу справа, взаимодействует с некоторой световой энергией и начинает двигаться назад во времени. Электрон, путешествующий назад во времени, называется позитроном. На диаграмме электрон, путешествующий назад во времени, взаимодействует с какой-то другой световой энергией и снова начинает двигаться вперед во времени. Обратите внимание, что везде есть только один электрон.

Один мой друг находит изображение электрона, путешествующего назад во времени, которое мы интерпретируем как позитрон, пугающим.

Фейнман в своей оригинальной статье, предлагающей эту теорию, писал:

«Это как если бы бомбардир, летящий низко над дорогой, вдруг увидел три дороги, и только когда две из них сходятся вместе и снова исчезают, он понимает, что просто проехал длинный поворот на одной дороге». (Физическое обозрение 76, (1949), 749.)

Обратите внимание, что теория Фейнмана является еще одним отголоском отмеченного выше факта, что отрицательно заряженный объект, движущийся слева направо в магнитном поле, имеет ту же кривизну, что и положительный объект, движущийся справа налево.

Теория Фейнмана математически эквивалентна теории Дирака, хотя интерпретации совершенно разные. Какой формализм физик использует при работе с антивеществом, обычно зависит от того, какая форма имеет простейшую структуру для конкретной решаемой проблемы.

Обратите внимание, что в теории Фейнмана нет образования или уничтожения пар. Вместо этого электрон просто взаимодействует с электромагнитным излучением, т.е. со светом. Таким образом, весь процесс является лишь еще одним аспектом того факта, что ускоряющиеся электрические заряды излучают электрические и магнитные поля; здесь процесс излучения достаточно силен, чтобы изменить направление движения электрона во времени.

Намбу прокомментировал теорию Фейнмана в 1950 году:

«Само время теряет смысл как показатель развития явлений; есть частицы, которые текут как вниз, так и вверх по течению времени; возможное создание и уничтожение пар, которые могут происходить время от времени, есть не создание или уничтожение, а только изменение направления движущихся частиц, от прошлого к будущему или от будущего к прошлому». (Успехи теоретической физики 5, (1950) 82).

О формально эквивалентных описаниях......"

Затем вы добавляете еще одну очень интересную проблему, а именно происхождение кажущейся асимметрии материи и антиматерии в наблюдаемой Вселенной (наблюдаемое отсутствие аннигиляционного излучения, за исключением особых обстоятельств), и указываете, что это может быть действительно связано с очень и очень сложной проблемой, а именно происхождение временной асимметрии. По одной проблеме, пожалуйста. Может быть, отдельные вопросы, но ответы, скорее всего, будут более или менее над вашей головой, поскольку, в той мере, в какой они хотя бы частично поняты, они все еще выясняются.

Есть одна техническая неточность в утверждении, что антиматерия движется назад во времени (что бы это ни значило). В квантовой теории поля мы получаем решения с положительной энергией (обычные частицы) и решения с отрицательной энергией. Решения с отрицательной энергией ведут себя во времени так, как будто они распространяются назад во времени. Но они не античастицы, это просто "частицы с отрицательной энергией". Античастицы представляют собой решения с положительной энергией, и они получаются путем действия оператора зарядового сопряжения на решения с отрицательной энергией. Итак, античастицы движутся вперед во времени, как и обычные частицы.

Термин «антивещество» вводит в заблуждение. Это не противоположность «реальной» материи. Он создается всякий раз, когда создаются частицы. Но это всего лишь функция сохранения свойств. Это все равно, что сказать, что когда одна частица, идущая налево при образовании пары, будет двигаться назад во времени, а та, что идет направо, движется вперед.

Антиматерия и материя аннигилируют по схожим причинам. Отрицательно заряженная частица, взаимодействующая с положительной, не может иметь заряда. Итак... Бум. Они уходят, и обычно появляется фотон (это очень упрощенно, но это основная проблема).

Если бы мы назвали антиматерию «материей с противоположным зарядом», никто бы не подумал, что она такая уж особенная.

Да. Согласно теореме CPT, антиматерия — это материя, движущаяся назад во времени, но если смотреть через зеркало. Поправьте меня, если я ошибаюсь.

Короче говоря, нет. В антиматерии нет ничего обратного.

Латинские буквы образуют bи dявляются зеркальным отражением друг друга. Правильно сказать, что bэто зеркальное отражение d, и сказать, что dэто зеркальное отражение b. Неправильно говорить, что один из них является зеркальным отражением или что один из них перевернут. Они связаны симметрией, но сами отношения симметричны.

Мюоны и антимюоны связаны СРТ-симметрией, и эта симметрия включает в себя обращение времени, так что в определенном смысле они являются обращениями времени друг друга. Но ни один из них не является обратным.

«Анти-» в физике элементарных частиц похож на анти- против часовой стрелки, а не на анти- антибактериальный. Это не означает, что названная вещь обладает внутренним свойством антибытия. Это просто способ избежать изобретения новых имен для зеркальных отражений вещей, у которых уже есть имена.

Частицы со словом «анти» в названии не только не возвращаются назад во времени, «движение назад во времени» даже не имеет смысла. «Вернуться назад» — это описание движения. Движение происходит во времени. Возвращение назад во времени означало бы, что вы оказались в более ранние времена в более поздние времена.

В художественной литературе о путешествиях во времени возвращение назад во времени означает, что психологическое время главного героя перевернуто по отношению ко времени всех остальных. У частиц нет психологического времени. Вы могли бы перенести это в область физики, заменив психологическое время термодинамическим временем, то есть направлением, в котором увеличивается энтропия. Затем можно экспериментально проверить, имеют ли частицы со словом «анти» в названии обратную термодинамическую стрелу времени по отношению к другим частицам, и эмпирический результат состоит в том, что это не так. Обычно антимюон распадается на позитрон, нейтрино и антинейтрино. Обычно он не образуется спонтанно из позитрона, нейтрино и антинейтрино, которые сходятся в точке с очевидным намерением.

Дело не в том, что античастицы путешествуют назад во времени. Но с математической точки зрения античастица, движущаяся вперед во времени, неотличима от соответствующей частицы, движущейся назад во времени. Это просто разные способы понимания одной и той же физической ситуации.

Нет. Если антивещество движется назад во времени, то куда оно направлялось в начале времени (если действительно есть начало времени)?

Я исследовал, является ли тахион со скоростью, превышающей скорость света, просто иллюзией перспективы. Я использовал гипотетический подход, который позволяет избежать нарушения как границы скорости света, так и причинно-следственной связи. Одно из решений, которое я получил, состоит в том, что антиматерия — это тахионы. Так что очень приятно найти здесь этот вопрос, подкрепленный множеством хороших ответов.

Кажется, что антиматерия действительно движется назад во времени, и, согласно моим исследованиям, я мог бы сформулировать это еще точнее: частицы антиматерии несут обратную стрелу времени.

Причина, по которой материя и антиматерия не могут сосуществовать, по-видимому, заключается в том, что они имеют противоположно направленные стрелы времени и при взаимодействии аннигилируют обратно в энергию. Мы могли бы сказать, что это настолько просто, что само время обнуляется для обеих частиц, и они обе растворяются в чистой энергии.

Говорят , что тахион имеет скорость, превышающую скорость света, и, согласно специальной теории относительности, он имеет скорость, превышающую скорость света, в обратном направлении во времени . Тогда каждый тахион постоянно путешествует назад во времени. И поскольку наша стрела времени движется вперед во времени, тахионная стрела времени движется назад во времени. Обычно мы не можем наблюдать тахионы, поскольку они находятся в противоположной временной перспективе с перевернутой стрелой времени.

Это заставило меня задуматься о том, может ли во Вселенной существовать временная симметрия, когда тахионы существуют в обратной временной перспективе, а мы существуем в прямой временной перспективе. Две перспективы пространства-времени с противоположно направленными стрелами времени. При такой временной симметрии тахион с бесконечной скоростью на самом деле не будет иметь бесконечной скорости, так как это всего лишь иллюзия перспективы, в обращенном времени вместо этого тахион будет иметь противоположность бесконечной скорости, т. е. находится в состоянии покоя. А тахионная теория уже утверждает, что тахион с бесконечной скоростью имеет энергию, как и в состоянии покоя.Теория тахиона также утверждает, что тахион набирает энергию по мере того, как он замедляется до скорости границы света, но, если смотреть с точки зрения обращения времени, тахион на самом деле набирает энергию, поскольку он ускоряется до скорости границы света, что точно так же, как нормальные частицы в наше время. перспектива.

Так что вычисленные скорости тахионов выше скорости света могут быть иллюзией перспективы. Воображаемая масса тахиона, являющаяся результатом скорости, превышающей скорость света, также является иллюзией перспективы. И тахионы не нарушают причинно-следственную связь, поскольку причина предшествует следствию в их обратной временной перспективе. Добавляя симметричное время к суперсимметрии, кажется, что физические проблемы тахионов получают решение.

Если тахион каким-то образом попадает в нашу наблюдаемую реальность, тогда он, вероятно, будет иметь скорость, соответствующую скорости, которую он имел в обращенном времени. Он также будет нести с собой обратную стрелу времени и не сможет сосуществовать с частицами этой противоположной временной перспективы. Если две противоположные временные частицы встретятся, время обнулится, и они обе превратятся в чистую энергию. И тут меня осенило: а что, если частицы обращенного времени на самом деле являются частицами антиматерии? Я мало что знал об антиматерии, поэтому я погуглил антиматерию и время в обратном направлении и нашел этот вопрос, многие ответы на который предполагают, что существует связь. Безудержное веселье!

И если существует огромное количество тахионной антиматерии в обратной временной перспективе, это также может решить проблему асимметрии антиматерии.

То, как эти противоположные временные перспективы могут взаимодействовать, также увлекательно. Мгновенная скорость квантовой связи, измеренная как близкая к бесконечной скорости , может, например, также быть иллюзией обращенного времени. Но взаимодействие между двумя временными перспективами, если это возможно, также может создавать проблемы с причинно-следственными связями.

Так что этот гипотетический подход, кажется, имеет смысл и не противоречит физике. Нам нужно только добавить симметричное время к суперсимметрии, чтобы все могло стать более симметричным. Может быть некоторый конфликт с некоторыми теориями, такими как теория Большого Взрыва, у которой снова есть проблемы с объяснением асимметрии антивещества. С симметричным временем может быть даже возможность того, что Большой взрыв происходит все время, когда энергия превращается в материю и антиматерию, которые оказываются в противоположных точках времени. Это может снова объяснить, почему Вселенная расширяется с ускоряющейся скоростью.

Мы также можем задаться вопросом, может ли материя, попадающая в червоточину , превращаться в антиматерию. Как в односторонней червоточине, мы движемся во времени быстрее, чем свет, что смещает стрелу направления времени для материи, что может привести к тому, что материя сдвинется в чистую энергию, а затем в антиматерию. То, что выходит из такой червоточины через белую дыру, может быть в основном антиматерией и/или чистой энергией. Может быть, мы даже можем говорить о некоем спектре материи, промежуточном между материей, чистой энергией и антиматерией.

Так что здесь есть много возможностей для того, чтобы увлечься волнением, как если бы мы могли добавить симметричное время к суперсимметрии, это могло бы открыть совершенно новый путь в физике, где мы могли бы найти ответы на многие проблемы в физике и получить более глубокое понимание нашей реальности.

Это может сводиться к определению времени.

Например, если время является мерой изменения, то по этому определению для частицы, которая имеет только постоянные свойства, включая положение и скорость, время остановилось, что не может быть достигнуто физически из-за принципа неопределенности Гейзенберга.

По тому же определению частица, эволюционирующая определенным образом в пространстве-времени, будет «путешествовать во времени вперед». И та же самая частица, эволюционирующая определенным образом, но «назад» в пространстве-времени, будет «путешествовать назад во времени».

например, когда мы растем, мы взрослеем от младенца до ребенка, подростка и, в конечном итоге, до взрослого человека, или, как красиво сказано, мы развиваемся с годами от младенца до взрослого человека. Тогда «путешествие назад во времени» будет означать, что взрослый человек превращается обратно в ребенка, что-то вроде просмотра видео в обратном направлении. Это сделало бы путешествие назад во времени невозможным для людей, но не для частиц.

Тем не менее, если бы это определение было верным, мы бы наблюдали эффекты замедления времени вблизи абсолютного нуля, о которых я еще не слышал.