¿Es la materia antimateria retrocediendo en el tiempo?

Question

Algunas fuentes describen la antimateria como igual que la materia normal, pero "yendo hacia atrás en el tiempo". ¿Qué significa realmente eso? ¿Es una buena analogía en general, y se puede hacer matemáticamente precisa? Físicamente, ¿cómo podría algo moverse hacia atrás en el tiempo?

Answer 1

Según mi entendimiento, la mayoría de los físicos no creen que la antimateria sea en realidad materia moviéndose hacia atrás en el tiempo. Ni siquiera está claro qué significaría realmente moverse hacia atrás en el tiempo, desde un punto de vista popular.

Si mal no recuerdo, esta idea proviene de una historia que probablemente se originó con Richard Feynman. En ese momento, uno de los grandes enigmas de la física era por qué todas las instancias de una partícula elemental particular (todos los electrones, por ejemplo) aparentemente son idénticas. Feynman tenía una idea muy rudimentaria de que todos los electrones podrían ser de hecho el mismo electrón, rebotando de ida y vuelta entre el principio del tiempo y el final. Hasta donde sé, esa idea nunca se desarrolló en algo matemáticamente fundamentado, pero inspiró a Feynman y otros a calcular cuáles serían las propiedades de un electrón moviéndose hacia atrás en el tiempo, en un sentido preciso que surge de la teoría cuántica de campos. Lo que descubrieron fue una partícula que coincidía con las propiedades conocidas del positrón.

Solo para darte una idea aproximada de lo que significa que una partícula "se mueva hacia atrás en el tiempo" en el sentido técnico: en la teoría cuántica de campos, las partículas llevan consigo cantidades de diversas cantidades conservadas a medida que se mueven. Estas cantidades pueden incluir energía, momento, carga eléctrica, "sabor" y otras. A medida que las partículas se mueven, estas cantidades conservadas producen "corrientes", que tienen una dirección basada en el movimiento y el signo de la cantidad conservada. Si aplicas el operador de inversión de tiempo (que es un concepto puramente matemático, no algo que realmente revierte el tiempo), inviertes la dirección del flujo de corriente, lo que es equivalente a invertir el signo de la cantidad conservada, convirtiendo así (hablando aproximadamente) a la partícula en su antipartícula.

Por ejemplo, considera la corriente eléctrica: surge del movimiento de carga eléctrica, y la dirección de la corriente es producto de la dirección del movimiento de la carga y el signo de la carga.

$$\vec{I} = q\vec{v}$$

Una carga positiva moviéndose hacia la izquierda ($+q\times -v$) es equivalente a una carga negativa moviéndose hacia la derecha ($-q\times +v$). Si tienes una corriente de electrones moviéndose hacia la derecha, y aplicas el operador de inversión de tiempo, conviertes la velocidad hacia la derecha en velocidad hacia la izquierda ($-q\times -v$). Pero obtendrías el mismo resultado convirtiendo en cambio los electrones en positrones y dejándolos seguir moviéndose hacia la derecha ($+q\times +v$); de cualquier manera, terminas con un flujo de carga neta positiva moviéndose hacia la derecha.

Por cierto, lectura opcional si estás interesado: hay un teorema muy básico (aunque difícil de demostrar) en la teoría cuántica de campos, el teorema CPT, que dice que si aplicas las tres operaciones de inversión de tiempo, conjugación de carga (intercambio de partículas y antipartículas) e inversión de paridad (espejo en el espacio), el resultado debería ser exactamente equivalente a lo que comenzaste. Sabemos a partir de datos experimentales que, bajo circunstancias exóticas, la combinación de conjugación de carga e inversión de paridad no deja todos los procesos físicos inalterados, lo que significa que lo mismo debe ser cierto para la inversión de tiempo: la física no es invariante ante la inversión de tiempo. Por supuesto, dado que no podemos realmente invertir el tiempo, no podemos probar de qué manera es cierto exactamente esto.

Answer 2

La antimateria es en cada sentido preciso y significativo materia moviéndose hacia atrás en el tiempo. La noción de "moverse hacia atrás en el tiempo" es absurda en una formulación Hamiltoniana, porque toda la descripción solo puede avanzar en el tiempo. Esa es la definición de lo que hace el Hamiltoniano: te lleva hacia adelante en el tiempo un poco. Entonces, si formulamos la mecánica cuántica de la manera Hamiltoniana, esta idea es difícil de entender (aun así se puede hacer: Stueckelberg descubrió esta conexión antes del integral de trayectoria, cuando los Hamiltonianos de campo eran la única herramienta).

Pero en la representación de la integral de trayectoria de partícula de Feynman, cuando parametrizas partículas por su tiempo propio de trayectoria del mundo, y renuncias a una imagen causal global a favor de partículas que se dividen y se unen, las trayectorias de las partículas son consistentes con la relatividad, pero solo si las trayectorias incluyen trayectorias hacia atrás en el tiempo, donde el tiempo de coordenadas avanza en sentido contrario al tiempo propio.

Visto en el formalismo Hamiltoniano, el tiempo de coordenadas es la única noción de tiempo. Entonces, esas trayectorias donde el tiempo propio avanza en la dirección opuesta parecen un tipo diferente de partícula, y estas son las antipartículas.

A veces hay una identificación, de modo que una partícula es su propia antipartícula.

Consecuencia precisa: Teorema CPT

El operador "C" cambia todas las partículas por antipartículas, el operador P refleja todas las direcciones espaciales, y el operador T refleja todos los movimientos (y lo hace mediante la conjugación compleja). Es importante entender que T es un operador sobre estados físicos, no invierte abstractamente el tiempo, realmente invierte todos los momenta y momentos angulares (un disco giratorio está girando en la dirección opuesta) para que las cosas vayan hacia atrás. El operador de paridad invierte todas las direcciones, pero no los momentos angulares.

El teorema CPT dice que cualquier proceso que involucre materia sucede exactamente igual cuando se hace en movimiento inverso, en un espejo, para la antimateria.

El operador CPT nunca es la identidad, excepto en el caso de un campo escalar real. CPT actuando sobre un electrón produce un estado de positrón, por ejemplo. CPT actuando sobre un fotón produce un fotón que va en la misma dirección con polarización opuesta (si se elige que P refleje todos los ejes de coordenadas espaciales, esta es una convención incorrecta fuera de las 3+1 dimensiones).

Este teorema se demuestra observando que un operador CPT corresponde a una rotación de 180 grados en la teoría euclidiana, como se describe en Wikipedia.

Consecuencia precisa: cruce

Cualquier amplitud que involucre partículas A($k_1,k_2,...,k_n$) es analítica en los momentos entrantes y salientes, excepto por singularidades de polo y corte causadas por la producción de estados intermedios. En la teoría de perturbación a nivel de árbol, estas amplitudes son analíticas excepto al crear partículas físicas, donde se encuentran los polos. Entonces, las amplitudes de dispersión tienen sentido para cualquier valor complejo de los momentos, ya que no es un problema pasar alrededor de los polos.

En términos de variables de Mandelstam para la dispersión 2-2, s,t,u (s es la energía en el CM, t es la transferencia de momento y u es la otra transferencia de momento, a la otra partícula creada), la amplitud es una función analítica de s y t. Las regiones donde las partículas están en la superficie de masa se dan en el gráfico de Mandelstam, y hay tres regiones diferentes, correspondientes a A+B va a C+D, Cbar+B va a Abar+D, y A+Dbar va a C+Bbar. Estos tres regímenes se describen con la exacta misma función de s,t,u, en tres regiones desconectadas.

En términos más fuertes, si comienzas con una dispersión pura de partículas, y continúas analíticamente las amplitudes con partículas con momentos entrantes k's (con energía positiva) a k's negativos, encuentras la amplitud para el proceso de la antipartícula. La amplitud de la antipartícula está determinada de manera única por la continuación analítica de la amplitud de partícula para la energía-momentum invertida.

Esto corresponde a tomar la partícula saliente con energía y momento positivos, y cambiar la energía y el momento a valores negativos, para que salga en la otra dirección con energía negativa. Si identificas las líneas en los diagramas de Feynman con trayectorias de partículas, esta región de la amplitud da la contribución de trayectorias que van hacia atrás en el tiempo.

Entonces, el cruce es la otra afirmación precisa de "La antimateria es materia que retrocede en el tiempo".

Imágenes causales

La noción de retroceder en el tiempo es acausal, lo que significa que está automáticamente excluida en una formulación Hamiltoniana. Por esta razón, tomó mucho tiempo que este enfoque fuera apreciado y aceptado. Stueckelberg propuso esta interpretación de antipartículas a fines de la década de 1930, pero la presentación de Feynman la hizo permanecer.

En los diagramas de Feynman, el futuro no está determinado desde el pasado dando pasos hacia adelante paso a paso, está determinado trazando las trayectorias de las partículas tiempo propio por tiempo propio. Por lo tanto, el formalismo del diagrama es filosóficamente muy diferente al formalismo de teoría de campos Hamiltonianos, tanto que Feynman estaba algo decepcionado de que fueran equivalentes.

No son tan fácilmente equivalentes cuando se trata de teoría de cuerdas, porque la teoría de cuerdas es una teoría de matriz S formulada enteramente en el lenguaje de Feynman, no en el lenguaje Hamiltoniano. La formulación Hamiltoniana de cuerdas requiere un corte especial del espacio tiempo, y aun así, es menos claro y elegante que la formulación de Feynman, que es igual de acausal y extraña. Las cuerdas retroceden en el tiempo al igual que las partículas, ya que reproducen partículas puntuales a tensión infinita.

Si desapruebas filosóficamente los formalismos acausales, puedes decir (en teoría de campos) que el formalismo Hamiltoniano es fundamental, y que crees en el cruce y el CPT, y entonces no tienes que hablar de retroceder en el tiempo. Dado que el cruce y el CPT son manifestaciones precisas de la afirmación de que la antimateria es materia que retrocede en el tiempo, realmente no estás diciendo algo diferente, solo filosóficamente. Pero la filosofía motiva el cruce y el CPT.

Answer 3

Esto se refiere a la teoría de Feynman de 1949.

Ver http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/AntiMatter/AntiMatter.htmltexto del enlace

A partir de ahí: "Teoría de Antimateria de Feynman

En 1949 Richard Feynman ideó otra teoría de antimateria.

El diagrama de espacio tiempo para la producción y aniquilación de pares aparece a la derecha. Un electrón está viajando desde la parte inferior derecha, interactúa con algo de energía lumínica y comienza a viajar en sentido contrario en el tiempo. Un electrón viajando en sentido contrario en el tiempo es lo que llamamos un positrón. En el diagrama, el electrón viajando en sentido contrario en el tiempo interactúa con otra energía lumínica y comienza a viajar hacia adelante en el tiempo nuevamente. Nótese que en todo momento, hay solo un electrón.

Un amigo mío encuentra la imagen de un electrón viajando en sentido contrario en el tiempo, interpretado por nosotros como un positrón, aterrador.

Feynman en su documento original proponiendo esta teoría escribió:

"Es como si un bombardero volando bajo sobre una carretera de repente ve tres carreteras y solo cuando dos de ellas se juntan y desaparecen de nuevo se da cuenta de que ha pasado simplemente por una larga carretera de regreso." (Physical Review 76, (1949), 749.)

Nótese que la teoría de Feynman es solo otro eco del hecho, mencionado anteriormente, de que un objeto cargado negativamente moviéndose de izquierda a derecha en un campo magnético tiene la misma curvatura que un objeto positivo moviéndose de derecha a izquierda.

La teoría de Feynman es matemáticamente equivalente a la de Dirac, aunque las interpretaciones son bastante diferentes. Qué formalismo usa un físico al tratar con antimateria suele ser una cuestión de cuál forma tiene la estructura más simple para el problema particular que se está resolviendo.

Nótese que en la teoría de Feynman, no hay producción ni aniquilación de pares. En su lugar, el electrón está simplemente interactuando con radiación electromagnética, es decir, luz. Por lo tanto, todo el proceso es solo otro aspecto del hecho de que las cargas eléctricas aceleradas irradian campos eléctricos y magnéticos; aquí el proceso de radiación es lo suficientemente violento como para revertir la dirección del viaje del electrón en el tiempo.

Nambu comentó sobre la teoría de Feynman en 1950:

"El tiempo mismo pierde sentido como indicador del desarrollo de los fenómenos; hay partículas que fluyen hacia arriba y hacia abajo en la corriente del tiempo; la eventual creación y aniquilación de pares que pueden ocurrir de vez en cuando no es una creación o aniquilación, sino solo un cambio de dirección de partículas móviles, del pasado al futuro, o del futuro al pasado." (Progress in Theoretical Physics 5, (1950) 82).

Sobre descripciones formalmente equivalentes ...."

Luego mezclas otro problema muy interesante, a saber, el origen de la aparente asimetría de materia antimateria en el universo observable (ausencia observada de radiación de aniquilación excepto en circunstancias especiales) y señalas que puede estar relacionado con un problema muy difícil de verdad, a saber, el origen de la asimetría del tiempo. Un problema a la vez, por favor. Tal vez preguntas separadas, pero las respuestas probablemente estarán más allá de tu comprensión, ya que, en la medida en que incluso se entienden parcialmente, todavía se están descubriendo.

Answer 4

Existe una inexactitud técnica al decir que la antimateria se mueve hacia atrás en el tiempo (sea lo que sea que eso signifique). En la teoría cuántica de campos obtenemos soluciones de energía positiva (partículas normales) y soluciones de energía negativa. Las soluciones de energía negativa se comportan en el tiempo como si se estuvieran propagando hacia atrás en el tiempo. Pero no son las antipartículas, son simplemente las "partículas de energía negativa". Las antipartículas son soluciones de energía positiva, y se obtienen actuando con el operador de conjugación de carga en las soluciones de energía negativa. Por lo tanto, las antipartículas se mueven hacia adelante en el tiempo, como las partículas normales.

Answer 5

La antimateria es un término tan engañoso. No es el opuesto de la "materia real". Se crea siempre que se crean partículas. Pero es solo una función de la conservación de propiedades. Es como decir que cuando una partícula va a la izquierda en la producción de pares, va hacia atrás en el tiempo, pero la que va hacia la derecha va hacia adelante.

La antimateria y la materia se aniquilan por razones similares. Una partícula con carga negativa que interactúa con una positiva no puede tener carga. Entonces... Boom. Desaparecen y usualmente sale un fotón (esto es muy simplista. Pero ese es el problema raíz).

Si llamáramos a la antimateria "materia de carga opuesta" nadie pensaría que es tan especial.