Haben birnenförmige Kerne wirklich etwas mit Zeitreisen zu tun?

Um ehrlich zu sein, fühlt sich vieles davon wie sehr unverantwortlicher Journalismus an, teilweise von Seiten der BBC und ganz besonders von Seiten von Science Alert.

Wenn Sie nach einer leicht zugänglichen Ressource zu dem suchen, was das Papier tut, sind das Titelblatt über APS Physics und das phys.org -Stück viel ruhiger und entsprechen meiner Meinung nach viel mehr dem, was tatsächlich in dem Papier berichtet wird.

Das Papier selbst ist in seinen Behauptungen sehr gemäßigt und beschränkt sich, soweit ich das beurteilen kann, sehr gut auf das, was sie gefunden haben: dass bestimmte Radium- und Bariumkerne birnenförmig zu sein scheinen. Das Auffinden birnenförmiger Kerne ist nicht neu (ein ähnliches Papier ( eprint ) machte 2013 Schlagzeilen und wurde hier auf dieser Seite diskutiert ), obwohl Bucher et al. scheinen Hinweise auf eine Diskrepanz mit der Theorie gefunden zu haben, wie birnenartig diese Kerne aussehen. Dies ist jedoch nicht auf dem Niveau der statistischen Signifikanz, das ein Umdenken der Theorie zu diesem Zeitpunkt erfordern würde.

Es ist wichtig anzumerken, dass birnenförmige Kerne tatsächlich mit dem Standardmodell der Teilchenphysik übereinstimmen. Birnenförmige Kerne sind ein kleines Problem, weil ihre Form eine Richtung hat , d. h. Sie können einen Vektor zeichnen, der am flachen Ende beginnt und zum spitzen Ende zeigt (nennen Sie dies den Birnenvektor$\vec P$). (Die Alternative, ein rugbyballförmiger Kern, hat eine Achse, aber keine Vorzugsrichtung auf dieser Achse.) Aufgrund von Symmetrieüberlegungen ist dieser Birnenvektor$\vec P$muss auf der gleichen Achse liegen wie der Spin des Kerns$\vec S$, aber diese Symmetrien sagen Ihnen nicht, in welche Richtung sie zeigen müssen, also erhalten Sie zwei verschiedene Versionen desselben Kerns:

^{Mathematica-Code für dieses Bild durch Import[" http://goo.gl/NaH6rM "][" http://i.stack.imgur.com/HLcYp.png "], CC BY-SA mit Zuordnung zu dieser Seite.}

In einer spiegelsymmetrischen Theorie der Kernphysik müssen diese beiden Kerne völlig gleichwertig sein (und insbesondere die gleiche Energie haben), weil sie Spiegelbilder voneinander sind. Was dieses Papier findet (und was Gaffney et al. im Jahr 2013 fanden), ist, dass es Kerne gibt, bei denen dies nicht zutrifft, und diese beiden Kernzustände unterschiedliche Energien haben: Der Grundzustand ist der „Birnen“-Zustand und nicht der „Anti -birne" eins.

Glücklicherweise ist das kein Problem: Tatsächlich wissen wir seit 1956 , dass die Kernphysik nicht spiegelsymmetrisch ist, dh sie ist nicht invariant unter dem Paritätsoperator$P$. Glücklicherweise gibt es jedoch eine verwandte Symmetrie, die den Schlupf aufnimmt, und es ist die Ladungskonjugationssymmetrie$C$, die Materie in Antimaterie überführt und umgekehrt. Ein Großteil des Standardmodells, einschließlich vieler nuklearphysikalischer Experimente, ist es$CP$symmetrisch: Nimmt man eine Spiegelversion des Experiments und tauscht obendrein alle Teilchen gegen ihre Antiteilchen aus, dann ist die Physik dieselbe.

Jedoch,$CP$Verletzungen sind noch mit dem Standardmodell kompatibel und wurden bereits experimentell beobachtet. Andererseits das Bekannte$CP$Verletzungen reichen nicht wirklich aus, um das Materie-Antimaterie-Gleichgewicht im Universum (auch bekannt als das Baryogenese - Puzzle) zu erklären, das nicht durch das Standardmodell erklärt wird, also durch irgendein Jenseits-des-SM$CP$Verletzung ist ein guter Ort, um nach Lösungen für das Problem der Baryogenese zu suchen.

Es gibt auch eine größere, stärkere Symmetrie, die entsteht, wenn Sie kombinieren$CP$Umkehrung mit Zeitumkehrung$T$zu bekommen, was die genannt wird$CPT$Transformation. Aufgrund sehr grundlegender Tatsachen über die Raumzeit müssen alle vernünftigen physikalischen Theorien so sein$CPT$symmetrisch. Dies ist einer der Gründe$CP$Verletzungen sind so interessant: Sie weisen auf mikroskopische Verletzungen der Zeitinversionssymmetrie hin.

Wie verhält sich das vorliegende Papier zu all diesen Allgemeinheiten? Die Autoren haben die Existenz bestätigt$P$Verletzungen, bereits beobachtet, und sie haben Hinweise darauf gefunden, dass diese Verletzungen - die Birnenform des birnenförmigen Kerns - stärker sind als die bestehende Theorie. Sie vergleichen jedoch nicht mit der Ab-initio- Theorie (dh sie vergleichen mit ungefähren theoretischen Modellen, sodass der Fehler in den von ihnen vorgenommenen Annäherungen liegen könnte) und, um aus der Diskussion des Papiers zu zitieren,

die große Ungewissheit des vorliegenden Ergebnisses erlaubt es nicht, weiter darauf einzugehen.

Wie sind wir also von dort zur Zeitreise gekommen? Da braucht es eine Menge journalistischer „Kreativität“, damit die Joins funktionieren. Das APS-Physik-Stück ist klar und auf den Punkt gebracht und zeigt gut, wie man die Grenzen des Papiers versteht.

Dagegen ist die Pressemitteilung der University of West Scotland schon ziemlich atemlos. Sie zitieren ausführlich (vermutlich ein direktes Interview mit) Dr. Scheck, aber ich denke, er behauptet das

Außerdem reichern sich die Protonen im Höcker der Birne an und erzeugen eine spezifische Ladungsverteilung im Kern, die nach unserem derzeit akzeptierten Modell der Physik nicht vorhanden sein sollte.

dehnt die ziemlich bescheidenen Ansprüche des Papiers (vgl. oben ) ein gutes Stück aus. Dr. Scheck behauptet das weiter

Wir haben festgestellt, dass diese Kerne buchstäblich in eine Richtung im Raum „zeigen“. Dies bezieht sich auf eine Richtung in der Zeit, was beweist, dass es eine klar definierte Richtung in der Zeit gibt und wir immer von der Vergangenheit in die Gegenwart reisen werden.

aber genau wie John Rennie kämpfe ich damit, zu verstehen, wie er das (bekannte, möglicherweise stärker als akzeptierte) verbindet$P$Verletzung, die sie zu einer Bestätigung von a fanden$T$Verletzung, geschweige denn in Bezug auf Zeitreisen.

Danach bietet der BBC -Artikel sehr wenig über der UWS-Pressemitteilung, und das ist ein ziemlich schlechtes Zeichen - während die BBC oft großartige wissenschaftliche Inhalte hat, ist dieser Artikel im Wesentlichen eine überarbeitete Pressemitteilung mit dem Hype um eine Stufe höher, und ich kann nicht widerstehen, darauf hinzuweisen, dass auf solche Dinge als eine Ursache für die größeren Probleme hingewiesen wurde, die die Wissenschaft im Moment hat.

Der Science Alert -Artikel (ebenfalls bei RedOrbit und Business Insider syndiziert) geht dagegen auf der Seite des zwielichtigen Journalismus etwas weiter. Insbesondere wird das Scheck-Interview fälschlicherweise als mit der BBC anstelle einer Pressemitteilung identifiziert, und es werden einige Geschichten aus dem letzten Jahr zitiert, aber es klingt so, als wären es Reaktionszitate von Experten, die zu der jüngsten Zeitung befragt wurden. Abgesehen davon fühlt es sich an wie ein neu aufbereitetes Stück, bei dem der Hype um drei Stufen nach oben gedreht wurde.

Wenn Sie den Hype wollen, dann gehen Sie zur Pressemitteilung - das ist ihre Aufgabe. Wenn Sie eine nüchterne Bewertung der Implikationen der Arbeit wünschen, gehen Sie zum Artikel von APS Physics oder phys.org , die deutlich machen, dass es nur wenige Implikationen jenseits der Kernphysik gibt - falls das Ergebnis tatsächlich den Test einer Genauigkeit besteht Messung.

Die Artikel sind ein wenig hysterisch, aber ich denke, sie sagen nur, dass eine Verletzung der CP-Symmetrie bedeutet, dass es eine Verletzung der T-Symmetrie geben muss.

T-Symmetrie bedeutet, dass physikalische Gesetze unverändert bleiben, wenn wir die Richtung des Zeitflusses umkehren. Klassische Theorien gehorchen der T-Symmetrie, und es scheint intuitiv offensichtlich, dass die Quantenmechanik dies auch tun würde. Aber das tut es nicht. Wir wissen seit einiger Zeit, dass die CP-Symmetrie verletzt wird, und aus etwas komplizierteren Gründen bedeutet dies, dass auch die T-Symmetrie verletzt werden muss. Siehe zum Beispiel Welche Art von Experiment würde die Zeitumkehrinvarianz direkt testen? .

Die Behauptung ist, dass die Beobachtung eines Oktupolmoments ungleich Null für Kerne (dh birnenförmig) impliziert, dass die CP-Symmetrie gebrochen werden muss und daher die T-Symmetrie gebrochen werden muss, aber das wussten wir bereits aus anderen Beobachtungen, also ist es das nicht Neu.

Mir ist auch nicht klar, warum das Brechen der T-Symmetrie Zeitreisen ausschließt. Normalerweise diskutieren wir Zeitreisen in Bezug auf geschlossene zeitähnliche Kurven (CTCs), dh unter Verwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Wir haben keine Theorie, die die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik vereint, aber es gab viele Vorschläge, wie die Quantenmechanik die Bildung von CTCs verhindern könnte. Einige davon können eine Verletzung der T-Symmetrie beinhalten, aber ohne weiteres kenne ich keine solchen Argumente.

Die Beschreibung dieses Experiments in der populären Presse ist völlig falsch. Es ist schwer zu sagen, ob sie es alleine völlig falsch verstanden haben oder ob Scheck es falsch verstanden hat und sie genau beschreiben, was er gesagt hat, oder ob es eine Kombination aus beidem ist. Scheck ist ein Co-Autor, aber nicht der Erstautor, und keines der lächerlichen Dinge, die sie von ihm behaupten, steht tatsächlich in dem Artikel.

Die Beobachtung einer statischen Oktupoldeformation in einem Kern ist ungewöhnlich und interessant, hat aber absolut keine Auswirkungen auf die CP- oder T-Verletzung an sich. Dass diese Artikel darauf hindeuten, dass es solche Implikationen gibt, ist reiner Unsinn.

Der einfachste Weg, um zu erkennen, dass es Unsinn ist, besteht darin, zu erkennen, dass Moleküle im Allgemeinen asymmetrische Formen haben, und dies ist seit einem Jahrhundert oder länger bekannt. Beispielsweise hat das Ammoniakmolekül eine Pyramidenform, sodass Sie eine Version des Moleküls haben können, die in +z-Richtung orientiert ist, und eine andere Version, die in -z-Richtung orientiert ist. Diese beiden Formen repräsentieren zwei Minima in einem Potential mit einer hohen Barriere zwischen ihnen. Die Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen den beiden Minima ist extrem gering. Der Grundzustand ist zweifach entartet, und die Entartung wird um einen sehr kleinen Betrag geteilt. Der Grund für die kleine Aufteilung liegt nicht darin, dass die CP-Verletzung klein ist – Sie erhalten die Aufteilung auch ohne CP-Verletzung. Der Grund für die kleine Aufspaltung liegt darin, dass die Tunnelwahrscheinlichkeit klein ist. Da die Wechselwirkung die Parität erhält,

Die Physik im nuklearen Fall ist genau analog, wenn Sie wirklich eine permanente Oktupoldeformation haben, dh wenn die beiden Minima wirklich durch eine ausreichend große Barriere getrennt sind, so dass die Tunnelwahrscheinlichkeit gering ist. In den meisten bisher beobachteten Fällen gab es keine hohe Barriere, die Tunnelwahrscheinlichkeit war hoch, und daher bekam man ein System, das sich ein wenig wie ein asymmetrischer Rotor verhielt, aber nicht wirklich. Dies ist nicht wirklich eine dauerhafte Oktupol-Verformung. Die Leute werden dies als Fälle starker Oktupol-Korrelationen oder starker Oktupol-Kollektivität bezeichnen. In diesen Systemen erhalten Sie, anstatt enge Paritätsdubletten zu erhalten, getrennte Rotationsbänder mit negativer und positiver Parität, wobei die positiven und negativen Paritätsbänder in der Energie relativ zueinander versetzt sind.

Emilio Pisanty hat in einer früheren Antwort eine schöne Analyse vieler dieser Physik gegeben: https://physics.stackexchange.com/a/76340/4552

Die einzige Möglichkeit, dies mit einer CP- oder T-Verletzung zu verbinden, besteht darin, dass es möglich ist, ein Atomsystem zu haben, in dem der Kern eine permanente Oktupoldeformation aufweist, und in dieser Situation können Wechselwirkungen auftreten, die die CP-Verletzung der elektroschwachen Kraft effektiv verstärken. Das ist cooles Zeug, aber es ist nicht das, was in diesem Experiment gemacht wurde. Diese Powerpoint hat eine schöne Erklärung.