La violación de la simetría T (de inversión temporal) y el origen de la flecha del tiempo

Por Francisco R. Villatoro, el 22 diciembre, 2009. Categoría(s): Ciencia • Física • Physics • Science

El origen de la flecha del tiempo (el tiempo avanza hacia adelante y no hacia atrás) es un problema aún abierto. Casi todas las leyes de la física son simétricas respecto al tiempo. La solución clásica más obvia es la flecha del tiempo termodinámica (un vaso de cristal que cae y se rompe en mil pedazos no se recompone de forma espontánea). Sin embargo, a nivel de física fundamental el ejemplo natural de violación de la simetría temporal (T) se da en la teoría de la fuerza electrodébil. Las teorías cuánticas de campos cumplen la simetría conjunta CPT, donde C es la conjugación de carga, P es la invarianza de espejo o paridad, y T es la invarianza temporal. Sin embargo, la teoría electrodébil viola la simetría CP, lo que a escala macroscópica da origen a la asimetría entre materia y antimateria en los primeros instantes de la Gran Explosión, y la simetría T (para restaurar la simetría CPT conjunta). ¿Puede explicarse la flecha del tiempo a escala macroscópica utilizando la ruptura de la simetría T por parte de la teoría electrodébil? Sí, según J.A. Vaccaro, quien afirma que dicho fenómeno induce una interferencia cuántica destructiva entre las diferentes trayectorias en el tiempo que puede tomar el universo en su conjunto. Dicha interferencia elimina todos las trayectorias excepto las que representan un tiempo continuo hacia adelante. Un trabajo realmente curioso que muestra la conexión íntima entre los microscópico y lo macroscópico cuando la ideas cuánticas se aplican al universo en su conjunto. El artículo técnico es «Large scale physical effects of T violation in mesons,» ArXiv, 24 Nov 2009.

La asimetría materia-antimateria refleja que hoy sólo observamos materia salvo en experimentoz de alta energía y sin embargo en la Gran Explosión se generaron la misma cantidad de materia y antimateria. Hoy en día se cree que es debida a la violación de la simetría CP en la desintegración de mesones (descubierta en 1964 en kaones (mesones K) neutros) y representada teóricamente por la matriz de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). La invarianza CPT conjunta, predicha teóricamente y observada experimentalmente, indica que dichas desintegraciones deben violar también la simetría T para compensar la violación CP observada (también ha sido observada directamente esta violación T). En la actualidad la asimetría materia-antimateria se explica mejor con la violación de la simtría CP de los mesones B (formados por quarks bottom (b) o de tercera generación).

En la figura de arriba el estado inicial |ψ0> puede evolucionar hacia adelante (UF) o hacia atrás (UB) en el tiempo. Conforme bajamos en el árbol binario mostrado en la figura, la probabilidad de alcanzar una cierta hoja es combinación lineal (superposición cuántica) de todos los posibles caminos (aplicaciones de UF y UB) que llevan a dicha hoja. Estos estados de superposición, para un número de ramas del árbol muy grande, sufren una interferencia destructiva (en gris en la figura) que reduce su probabilidad de tal forma que sólo las ramas en los extremos externos del árbol de posibilidades, las que representan estados sólo hacia adelante o sólo hacia atrás en el tiempo, tienen una probabilidad no despreciable de ocurrir. ¿Por qué sólo observamos la evolución hacia adelante en el tiempo? Porque cualquier pequeña «perturbación» que favorezca esta flecha del tiempo se ve amplificada por el proceso descrito hasta resultar en la única posibilidad desde un punto de vista macroscópico. La violación de la simetría T por parte de los mesones con quarks de segunda y tercera generación es una perturbación suficiente para cristalizar este proceso en la realidad que nos rodea.

Una idea curiosa que me ha llamado la atención. Quizás a tí también.



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