¿Los núcleos en forma de pera realmente tienen algo que ver con los viajes en el tiempo?

Recientemente (en la última semana o dos), han aparecido varios artículos sobre núcleos en forma de pera, como este de Science Alert y este de la BBC .

El artículo de Science Alert incluye la cita

Hemos encontrado que estos núcleos apuntan literalmente hacia una dirección en el espacio. Esto se relaciona con una dirección en el tiempo, lo que demuestra que hay una dirección bien definida en el tiempo y que siempre viajaremos del pasado al presente.

y más adelante,

Entonces, ¿qué tiene que ver todo esto con los viajes en el tiempo? Es una hipótesis bastante fuera de lugar, pero Scheck dice que esta distribución desigual de masa y carga hace que el núcleo de Bario-144 'apunte' en una dirección determinada en el espacio-tiempo, y este sesgo podría explicar por qué el tiempo parece querer solo ir del pasado. para presentar, y no al revés, incluso si a las leyes de la física no les importa en qué dirección va.

También se vincularon a una copia del artículo sobre el Arxiv .

El papel está muy por encima de mi cabeza, así que no pude hacer mucho más que escanear, pero no parece mencionarse allí ninguna mención del viaje en el tiempo.

¿Tienen sentido estas afirmaciones sobre los viajes en el tiempo? Y si es así, ¿por qué tienen sentido? ¿Qué tiene que ver la dirección en la que apunta el núcleo con la "dirección del tiempo"?

... y como muestra ese enlace, la cobertura de noticias a la que enlaza me parece definitivamente sin aliento. El artículo que suscitó esa pregunta , de 2013, ya tenía la confirmación experimental de la existencia de núcleos en forma de pera, y fue ampliamente difundido (dentro de las noticias científicas) en su momento.

Respuestas (3)

Para ser honesto, gran parte de esto se siente como un periodismo muy irresponsable, en parte por parte de la BBC y mucho por parte de Science Alert.

Si está buscando un recurso accesible para lo que hace el periódico, la portada de APS Physics y la pieza de phys.org son mucho más tranquilas y, creo, mucho más acordes con lo que realmente se informa en el periódico.

El documento en sí es muy moderado en sus afirmaciones y se restringe muy bien, por lo que puedo decir, a lo que encontraron: que ciertos núcleos de radio y bario parecen tener forma de pera. Encontrar núcleos en forma de pera no es nuevo (un artículo similar ( eprint ) fue noticia en 2013 y se discutió en este sitio aquí ), aunque Bucher et al. parecen haber encontrado indicios de una discrepancia con la teoría con respecto a cuán parecidos a una pera se ven estos núcleos. Esto, sin embargo, no está al nivel de significación estadística que requeriría un replanteamiento de la teoría en este momento.

Es importante notar que los núcleos en forma de pera son de hecho consistentes con el Modelo Estándar de la física de partículas. Los núcleos en forma de pera son un poco problemáticos porque su forma tiene una dirección , es decir, puedes dibujar un vector que comience en el extremo plano y apunte hacia el extremo puntiagudo (llámalo vector pera). PAGS → ). (La alternativa, un núcleo con forma de pelota de rugby, tiene un eje, pero no tiene una dirección preferida en este eje). Debido a consideraciones de simetría, este vector de pera PAGS → debe estar en el mismo eje que el espín del núcleo S → , pero estas simetrías no te dicen en qué dirección tienen que apuntar, por lo que obtienes dos versiones diferentes del mismo núcleo:

Código de Mathematica para esta imagen a través de Import[" http://goo.gl/NaH6rM "][" http://i.stack.imgur.com/HLcYp.png "], CC BY-SA con atribución a esta página.

En una teoría de la física nuclear que es simétrica especular, ambos núcleos deben ser completamente equivalentes (y, en particular, tener la misma energía), porque son imágenes especulares entre sí. Lo que encuentra este artículo (y lo que encontró Gaffney et al. en 2013) es que hay núcleos donde esto no es cierto, y estos dos estados nucleares tienen energías diferentes: el estado fundamental es el estado "pera", y no el "anti". -pera" uno.

Afortunadamente, esto no es un problema: de hecho, sabemos desde 1956 que la física nuclear no es simétrica especular, es decir, no es invariante bajo el operador de paridad. PAGS . Afortunadamente, sin embargo, existe una simetría relacionada que compensa la holgura, y es la simetría de conjugación de carga. C , que lleva la materia a la antimateria y viceversa. Gran parte del modelo estándar, incluidos muchos experimentos de física nuclear, es C PAGS simétrica: si tomas una versión especular del experimento y además cambias todas las partículas por sus antipartículas, entonces la física es la misma.

Sin embargo, C PAGS las violaciones siguen siendo compatibles con el modelo estándar y ya se han observado experimentalmente. Por otra parte, el conocido C PAGS Las violaciones no son realmente suficientes para explicar el equilibrio entre materia y antimateria en el universo (también conocido como el rompecabezas de la bariogénesis ), que no se explica en el modelo estándar, por lo que cualquier más allá del SM C PAGS violación es un buen lugar para buscar soluciones al problema de la bariogénesis.

También hay una simetría más grande y fuerte, que ocurre cuando combinas C PAGS inversión con inversión de tiempo T para obtener lo que se llama el C PAGS T transformación. Debido a hechos muy básicos sobre el espacio-tiempo , todas las teorías físicas razonables deben ser C PAGS T simétrico. Esta es una de las razones C PAGS Las violaciones son muy interesantes: apuntan a violaciones microscópicas de la simetría de inversión del tiempo.

Entonces, ¿cómo se relaciona el artículo que nos ocupa con todas estas generalidades? Los autores han confirmado la existencia de PAGS violaciones, ya observado, y han encontrado indicios de que estas violaciones - la pera del núcleo en forma de pera son más fuertes que la teoría existente. Sin embargo, no están comparando con la teoría ab-initio (es decir, comparan con modelos teóricos aproximados, por lo que la falla podría estar en las aproximaciones que hicieron) y, para citar la discusión del artículo,

la gran incertidumbre sobre el resultado actual no permite elaborar más.

Entonces, ¿cómo llegamos desde allí al viaje en el tiempo? Ahí es donde se necesita una gran cantidad de 'creatividad' periodística para que las uniones funcionen. El artículo de APS Physics es claro y directo, y demuestra una buena comprensión de las limitaciones del artículo.

Por otro lado, el comunicado de prensa , de la Universidad de West Scotland, ya está bastante sin aliento. Citan extensamente (presumiblemente una entrevista directa con) el Dr. Scheck, pero creo que su afirmación de que

Además, los protones se enriquecen en la protuberancia de la pera y crean una distribución de carga específica en el núcleo, que no debería estar allí según nuestro modelo de física actualmente aceptado.

está estirando un poco las afirmaciones bastante modestas del artículo (cf. supra ). El Dr. Scheck continúa afirmando que

Hemos encontrado que estos núcleos literalmente 'apuntan' hacia una dirección en el espacio. Esto se relaciona con una dirección en el tiempo, lo que demuestra que hay una dirección bien definida en el tiempo y que siempre viajaremos del pasado al presente.

pero, al igual que John Rennie, estoy luchando por ver cómo conecta lo (conocido, posiblemente más fuerte que lo aceptado) PAGS violación que encontraron a una confirmación de una T violación, y mucho menos relacionarlo con el viaje en el tiempo.

A partir de esto, el artículo de la BBC ofrece muy poco por encima del comunicado de prensa de UWS, y esta es una señal bastante mala: si bien la BBC a menudo tiene un gran contenido científico, este artículo es esencialmente un comunicado de prensa redigerido con la publicidad exagerada. y no puedo resistirme a señalar que cosas como esta han sido señaladas como una de las causas de los mayores problemas que tiene la ciencia en este momento.

El artículo de Science Alert (también sindicado en RedOrbit y Business Insider), por otro lado, va un poco más allá en el lado dudoso del periodismo. En particular, identifica erróneamente la entrevista de Scheck con la BBC en lugar de un comunicado de prensa, y cita un par de historias del año pasado, pero da la impresión de que son citas de reacción de expertos entrevistados sobre el artículo reciente. Aparte de eso, se siente como una pieza re-re-digerida con el bombo subido tres muescas.

Si quiere publicidad, vaya al comunicado de prensa: ese es su trabajo. Si desea una evaluación sobria de las implicaciones del trabajo, vaya al artículo de APS Physics o al de phys.org , que dejan en claro que aún hay pocas implicaciones más allá de la física nuclear, si es que el resultado supera la prueba de una precisión. medición.

Es C -extraño porque cambiar a antiprotones daría el signo opuesto del momento octupolar. Nótese que el núcleo en cuestión es par, aun así la deformación se observa en el 0 + estado fundamental, lo que complica un poco el análisis.
Sí, eso suena razonable. ¿Cómo se llega a una demostración experimental completa de un C PAGS violación, sin embargo? Tú lo sabes PAGS | pags mi a r ⟩ = | a norte t i pags mi a r ⟩ y C PAGS | pags mi a r ⟩ = | pags mi a r ⟩ , pero ¿cómo se obtiene la verificación experimental de que los acoplamientos de fuerza débil que hicieron de la pera el estado fundamental no se activan? C ¿Todavía hacer un estado fundamental de antipera, sin tener en tus manos algo de antibario? ¿O estoy entendiendo todo esto mal? (Suenas terriblemente más calificado que yo o John para abordar los detalles de este).
Los autores han confirmado la existencia de violaciones de P, ya observadas, y han encontrado indicios de que estas violaciones, la apariencia de pera del núcleo en forma de pera, son más fuertes que la teoría existente. Esto está mal. No hay violación P involucrada. Su propia respuesta de hace varios años es el análisis correcto: physics.stackexchange.com/a/76340/4552
Debido a consideraciones de simetría, este vector pera P⃗ debe estar en el mismo eje que el espín S⃗ ​​del núcleo. Esto también es incorrecto. La deformación del octupolo estático (su P) está alineada a lo largo de cierto eje en el marco fijo del cuerpo. Las consideraciones de simetría solo requieren que esté alineado con el vector de momento angular en el marco del laboratorio.
@Ben Feliz de ser corregido. (Además, ¡bienvenido de nuevo!) Todavía no estoy seguro de si los estados propios reales están deformados o son combinaciones simétricas/antisimétricas de ambos. Lo que obtuve de la ronda anterior fue que hubo una interacción de ruptura de la paridad que seleccionó uno de los dos estados como el estado fundamental. ¿Es esta la forma correcta de verlo? ¿Qué estados tienen forma de pera: solo el estado fundamental, todos los estados, solo un subconjunto, ninguno de ellos? Si hay autoestados en forma de pera, ¿cómo cuadra esto si no hay violación de P?
Sobre tu segundo comentario, ¿puedes aclarar un poco? El marco fijo en el cuerpo es un concepto extraño para mí en esta configuración de QM. Tengo entendido que al final es solo una cantidad del tipo PAGS → ⋅ j → eso es importante, pero obviamente me estoy perdiendo algunas sutilezas allí.
Me encanta el eje de la pera :)
Me temo que los ejes de rotación en su figura están orientados de manera incorrecta en 90 ° --- un objeto de mecánica cuántica no puede girar sobre su eje de simetría.
@rob Aprecio, por el segundo comentario de Ben, que esa parte de la explicación es defectuosa, pero me gustaría hacerlo bien antes de editar. ¿Cuáles son exactamente las restricciones impuestas sobre la relación entre la orientación de la pera y el momento angular? ¿Son estos estados propios y son de reflexión asimétrica? En el diagrama que propone, ambos lados serían físicamente equivalentes, lo que negaría el punto, por lo que no hay una violación de P (a través de un mecanismo que aún no se ha explicado aquí) o la hay y es más sutil (nuevamente aún por ser explicado).
Tus formas están bien. Si hizo que sus ejes de rotación apuntaran "fuera de la página", en lugar de "arriba" como están ahora, los dos estados de rotación son en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj. Si quiere pensar en ello como una inversión , haga que la pera de la izquierda gire en el sentido de las agujas del reloj alrededor de un eje que sale de la página; una inversión tridimensional del espacio intercambia las partes gorda y delgada de la pera, cambia la dirección del eje de giro a "hacia la página", pero deja el sentido del giro (en el sentido de las agujas del reloj, como lo vemos nosotros) sin cambios.
@rob No, no lo veo. Si los ejes de rotación apuntan fuera de la página, entonces una inversión 3D voltea el eje de pera y el sentido de rotación no cambia; el giro es un pseudovector y no se invierte (por lo que permanece con el sentido de rotación, según sea necesario). El estado invertido es idéntico al inicial, módulo una rotación de 180° en el plano de la página. No dudo que eso podría ser correcto, pero la implicación es que los estados propios son P-simétricos, lo que aún debe ser abordado explícitamente por un experto en teoría nuclear.
@EmilioPisanty Compare con una molécula en forma de pera, monóxido de carbono --- puede girar sobre dos ejes, pero no sobre su eje de simetría, como lo demuestra su calor específico molar de 5 2 R . Un intercambio de transformación de paridad | ℓ , metro ⟩ con | ℓ , − metro ⟩ .
@rob No estoy convencido de que el CO sea la mejor molécula para tal núcleo, creo que el NH de Ben 3 es un modelo mucho mejor, o, digamos, CH 3 cl. El monóxido de carbono "no gira alrededor del eje internuclear" porque su momento de inercia alrededor de ese eje es cero, pero para un núcleo en forma de pera ese no suele ser el caso. De cualquier manera, aún puede tener un caso a mitad de camino, con el giro apuntando a 45 ° fuera de la página, con proyecciones opuestas a lo largo PAGS → .
Siempre lo he escuchado como un argumento de simetría primero y un argumento de momento de inercia como respaldo semiclásico. CH 3 Cl tiene una simetría triple sobre el eje C-Cl que es continuo en CO y en la pera que ha dibujado. Pero supongo que el tensor octupolar puede tener suficientes grados de libertad para girar sobre cualquier eje. Le preguntaré a un experto en deformación de octupolos la próxima vez que visite uno.
@rob No dudo que haya argumentos de simetría, pero me gustaría ver una introducción sólida y accesible y asegurarme de que la entiendo antes de editar.

Los artículos son un poco histéricos, pero creo que solo dicen que la violación de la simetría CP significa que debe haber una violación de la simetría T.

La simetría T significa que las leyes físicas no cambian si invertimos la dirección en que fluye el tiempo. Las teorías clásicas obedecen a la simetría T, y parece intuitivamente obvio que la mecánica cuántica también lo haría. Pero no es así. Sabemos desde hace un tiempo que se viola la simetría CP y, por razones un poco complicadas, eso significa que también se debe violar la simetría T. Véase, por ejemplo , ¿Qué tipo de experimento probaría directamente la invariancia de inversión de tiempo? .

La afirmación es que la observación de un momento octupolar distinto de cero para los núcleos (es decir, en forma de pera) implica que la simetría CP debe romperse y, por lo tanto, la simetría T debe romperse, pero ya sabíamos eso de otras observaciones, por lo que no es nuevo.

Tampoco me queda claro por qué la ruptura de la simetría T descarta el viaje en el tiempo. Normalmente discutimos el viaje en el tiempo en términos de curvas similares al tiempo (CTC) cerradas, es decir, usando la relatividad general. No tenemos una teoría que unifique la relatividad general y la mecánica cuántica, pero ha habido muchas sugerencias de formas en que la mecánica cuántica puede prevenir la formación de CTC. Algunos de estos pueden implicar la violación de la simetría T, pero de entrada no conozco ningún argumento de este tipo.

Estoy un poco perdido al pasar de una infracción P a una infracción CP. Un núcleo cuyo estado fundamental tiene forma de pera con espín distinto de cero es definitivamente una violación de la invariancia de paridad (dado que su versión especular tiene la misma forma pero rotación opuesta, que debería tener la misma energía en una teoría de paridad invariante), pero parece dime que necesitarías mirar su antinúcleo (el mismo sistema pero con antiprotones y antineutrones) y ver en qué dirección gira el estado fundamental para concluir que hay una violación de CP. ¿Pero tal vez hay algo crucial de física SM que me estoy perdiendo?
@EmilioPisanty: para ser honesto, tampoco estoy seguro, pero muchos de los artículos sobre esto mencionan específicamente la violación de CP.
De hecho, lo hacen, pero todos parecen obtenerlo exclusivamente de la entrevista de Scheck en el comunicado de prensa de UWS, que es un buen paso adelante de las afirmaciones bastante cautelosas del periódico (para mi ojo que no es físico nuclear) y el moderado APS Physics and Physics. Resúmenes de .org. Se siente como pura exageración para mí.
Los momentos octupolares son C -extraño porque cambiar a antiprotones cambiaría el signo de la distribución de carga. El estado fundamental es j PAGS = 0 + , por lo que la observación del momento octupolar distinto de cero significa que el estado fundamental contiene por C -incluso y C -términos impares.
La observación de un momento octupolar distinto de cero para los núcleos (es decir, en forma de pera) implica que la simetría CP debe romperse y, por lo tanto, la simetría T debe romperse, pero ya lo sabíamos por otras observaciones, por lo que no es nuevo. No es verdad. Si no hay interacciones que violen la paridad, obtendrá un doblete muy poco espaciado para el estado fundamental, con un estado de paridad positiva y el otro de paridad negativa. Emilio Pisanty tiene una buena explicación aquí: physics.stackexchange.com/a/76340/4552

La descripción que hace la prensa popular de este experimento es tremendamente incorrecta. Es difícil saber si se equivocaron por completo, o si Scheck se equivocó y están describiendo con precisión lo que dijo, o si es una combinación de los dos. Scheck es coautor, pero no el primer autor, y ninguna de las cosas ridículas que dicen que dice están realmente en el artículo.

La observación de una deformación octupolar estática en un núcleo es inusual e interesante, pero no tiene absolutamente ninguna implicación para la violación de CP o T per se. Que estos artículos sugieran que tiene tales implicaciones es pura tontería.

La forma más fácil de ver que es una tontería es darse cuenta de que las moléculas comúnmente tienen formas asimétricas, y esto se sabe desde hace un siglo o más. Por ejemplo, la molécula de amoníaco tiene forma piramidal, por lo que puedes tener una versión de la molécula orientada en la dirección +z y otra versión orientada en la dirección -z. Estas dos formas representan dos mínimos en un potencial con una barrera alta entre ellos. La probabilidad de tunelización entre los dos mínimos es extremadamente pequeña. El estado fundamental es doblemente degenerado y la degeneración se divide en una cantidad muy pequeña. La razón por la que la división es pequeña no es porque la violación de CP sea pequeña: obtienes la división incluso sin la violación de CP. La razón por la que la división es pequeña es porque la probabilidad de tunelización es pequeña. Como la interacción conserva la paridad,

La física en el caso nuclear es exactamente análoga si realmente tiene una deformación octupolar permanente, es decir, si los dos mínimos están realmente separados por una barrera lo suficientemente alta como para que la probabilidad de formación de túneles sea pequeña. En la mayoría de los casos que se han observado anteriormente, no había una barrera alta, la probabilidad de tunelización era alta y, por lo tanto, se obtenía un sistema que se comportaba un poco como un rotor asimétrico, pero no realmente. Esto no es realmente una deformación octupolar permanente. La gente se referirá a estos como casos de fuertes correlaciones octupolares o fuerte colectividad octupolar. En estos sistemas, en lugar de obtener dobletes de paridad cercanos, obtiene bandas rotacionales de paridad negativa y positiva separadas, con las bandas de paridad positiva y negativa compensadas en energía entre sí.

Emilio Pisanty hizo un buen análisis de gran parte de esta física en una respuesta anterior: https://physics.stackexchange.com/a/76340/4552

La única forma en que esto se conecta con la violación de CP o T es que es posible tener un sistema atómico en el que el núcleo tenga una deformación octupolar permanente, y en esa situación puede obtener interacciones que amplifican efectivamente la violación de CP de la fuerza electrodébil. Eso es algo genial, pero no es lo que se hizo en este experimento. Este powerpoint tiene una buena explicación.

Me temo que encuentro el powerpoint bastante confuso. ¿Conoce notas de texto completo a nivel de introducción a este tema?
O, en realidad, una pregunta aún más básica: ¿son todas estas transiciones rotacionales para una forma fija del núcleo? Eso simplificaría un poco las cosas.
¿Es cierto que una deformación octupolar estática en un sistema con espín distinto de cero e incluso paridad es una firma de violación de CP? Así es como entiendo el argumento de los EDM: el momento dipolar es C-impar y P-impar, el teorema de Wigner-Ekhart significa que debe alinearse con el espín porque no hay otra dirección, y el espín es T-impar. Creo que eso no se aplica en este caso porque el núcleo en cuestión es par-par y tiene un 0 + ¿estado fundamental?
¿Los núcleos en forma de pera realmente tienen algo que ver con los viajes en el tiempo?
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