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Das '''CPT-[[Theorem]]''' (für engl. '''c'''harge, '''p'''arity, '''t'''ime = [[Elementarladung|Ladung]], [[Parität (Physik)|Parität]], [[Zeit]]) ist ein fundamentales | Das '''CPT-[[Theorem]]''' (für engl. '''c'''harge, '''p'''arity, '''t'''ime = [[Elementarladung|Ladung]], [[Parität (Physik)|Parität]], [[Zeit]]; auch als '''CPT-[[Symmetrie (Physik)|Invarianz]]''' der [[Physikalisches Gesetz|physikalischen Gesetze]] bezeichnet) ist ein fundamentales physikalisches Gesetz, das 1954 von [[Gerhart Lüders]] und 1955 von [[Wolfgang Pauli]] aufgestellt wurde. Es besagt, dass jeder Vorgang, der aus einem anderen möglichen Vorgang durch [[Ladungskonjugation|Vertauschen]] von [[Materie (Physik)|Materie]] mit [[Antimaterie]] und zusätzlicher [[Parität (Physik)|Spiegelung des Raumes]] sowie einer [[Zeitumkehr (Physik)|Umkehr der Zeitrichtung]] hervorgeht, ebenfalls im Einklang mit den Gesetzen der Physik steht und damit möglich ist. | ||
Die Gültigkeit des CPT-Theorems ist eine grundlegende Eigenschaft der [[Quantenfeldtheorie]]. | |||
== Die CPT-Transformation == | == Die CPT-Transformation == | ||
Eine CPT-Transformation wird bewirkt durch das | Eine CPT-Transformation wird bewirkt durch das Hintereinanderausführen der folgenden drei [[diskret]]en Transformationen: | ||
* ''C-Transformation:'' Austausch jedes [[Teilchen]]s durch sein [[Antiteilchen]] und umgekehrt. Dabei wechselt u. a. die Ladung das Vorzeichen. Daher wird diese Transformation auch [[Ladungskonjugation]] genannt. | * ''C-Transformation:'' Austausch jedes [[Teilchen]]s durch sein [[Antiteilchen]] und umgekehrt. Dabei wechselt u. a. die Ladung das Vorzeichen. Daher wird diese Transformation auch [[Ladungskonjugation]] genannt. | ||
* ''P-Transformation:'' Inversion aller drei Raum[[koordinate]]n sämtlicher beteiligter Teilchen und Strukturen. Diese Transformation heißt [[Raumspiegelung]] oder ''Paritätstransformation'' | * ''P-Transformation:'' Inversion aller drei Raum[[koordinate]]n sämtlicher beteiligter Teilchen und Strukturen. Diese Transformation heißt [[Raumspiegelung]] oder ''Paritätstransformation.'' Sie ist (im dreidimensionalen Fall) identisch mit einer gewöhnlichen [[Spiegelung (Geometrie)|Spiegelung]], bei der lediglich eine Raumkoordinate invertiert wird, und einer zusätzlichen 180°-[[Drehung]] um diese [[Koordinatenachse]]. | ||
* ''T-Transformation:'' Inversion der Zeitkoordinaten sämtlicher beteiligter Teilchen und Strukturen, | * ''T-Transformation:'' Inversion der Zeitkoordinaten sämtlicher beteiligter Teilchen und Strukturen, sodass der Vorgang zeitumgekehrt abläuft. Diese Transformation heißt [[Zeitumkehr (Physik)|Zeitumkehr]]. | ||
== Invarianz bezüglich der Einzeltransformationen == | == Invarianz bezüglich der Einzeltransformationen == | ||
Die Gesetze der Physik, die Prozesse beschreiben, an denen lediglich die [[Gravitation]] und die [[elektromagnetische Wechselwirkung]] beteiligt sind, bleiben bei jeder einzelnen der drei beschriebenen Transformationen unverändert (invariant). Das ist insbesondere bei allen Vorgängen der Alltagsphysik der Fall. D. h. zu jedem Vorgang sind auch | Die Gesetze der Physik, die Prozesse beschreiben, an denen lediglich die [[Gravitation]] und die [[elektromagnetische Wechselwirkung]] beteiligt sind, bleiben bei jeder einzelnen der drei beschriebenen Transformationen unverändert (invariant). Das ist insbesondere bei allen Vorgängen der Alltagsphysik der Fall. D. h., zu jedem Vorgang sind auch | ||
* der ladungsgespiegelte, | * der ladungsgespiegelte, | ||
* der spiegelbildliche, | * der spiegelbildliche, | ||
* der zeitumgekehrte | * der zeitumgekehrte | ||
sowie alle Kombinationen möglich. | sowie alle Kombinationen möglich. | ||
Bei Beteiligung der [[ | Bei Beteiligung der [[Schwache Wechselwirkung|schwachen Wechselwirkung]] ist das jedoch nicht mehr der Fall. So sind beispielsweise in der [[Elementarteilchenphysik]] Prozesse möglich, deren Spiegelbilder nicht mit den Gesetzen der Physik verträglich sind. Man spricht in diesem Fall von einer ''Verletzung der Spiegelsymmetrie,'' einer sogenannten [[Paritätsverletzung]]. Die schwache Wechselwirkung verletzt ferner die [[Symmetrie (Physik)|Symmetrie]] bezüglich einer Ladungsspiegelung und die Symmetrie bezüglich einer Zeitumkehr. Ist eine dieser Symmetrien verletzt, dann ist es auch die Kombination der beiden anderen. So ist beispielsweise in der schwachen Wechselwirkung wegen der Verletzung der Zeitsymmetrie auch die [[CP-Verletzung|CP-Symmetrie verletzt]], die einer kombinierten Anwendung von Ladungsumkehr und Raumspiegelung entspricht. | ||
Ist eine dieser Symmetrien verletzt, dann ist es auch die Kombination der beiden anderen. So ist beispielsweise in der schwachen Wechselwirkung wegen der Verletzung der Zeitsymmetrie auch die [[CP-Verletzung|CP-Symmetrie verletzt]], die einer kombinierten Anwendung von Ladungsumkehr und Raumspiegelung entspricht. | |||
Ob diese einzelnen Symmetrien bei Vorgängen unter Beteiligung der [[ | Ob diese einzelnen Symmetrien bei Vorgängen unter Beteiligung der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] verletzt sein können, ist noch nicht abschließend geklärt. Bislang existieren dafür jedoch keine experimentellen Hinweise. | ||
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== Experimentelle Überprüfung == | == Experimentelle Überprüfung == | ||
Im Rahmen der heute erreichbaren [[Genauigkeit]] ist das CPT-Theorem experimentell bestätigt.<ref name="PDG06">P. Bloch: ''CPT invariance tests in neutral kaon decay. | Im Rahmen der heute erreichbaren [[Genauigkeit]] ist das CPT-Theorem experimentell bestätigt.<ref name="PDG06">P. Bloch: ''CPT invariance tests in neutral kaon decay.'' CERN, Juni 2006. ([http://pdg.lbl.gov/2006/reviews/cpt_s011254.pdf PDF; 0,2 MB;] Particle Data Group über CPT-Tests mit Kaonen, englisch).</ref> Es gibt jedoch Theorien, die eine Verletzung des CPT-Theorems unterhalb dieser Genauigkeitsgrenze vorhersagen, z. B. manche [[Quantengravitation]]s- oder [[Stringtheorie]]n<ref name="Collady97">Don Colladay, Alan Kostelecky: ''[http://arxiv.org/abs/hep-ph/9703464 CPT Violation and the Standard Model.]'' In: ''Physical Review D.'' Band 55, 1996, S. 6760–6774, {{DOI|10.1103/PhysRevD.55.6760}} (englisch).</ref><ref name="Bernabeu02">J. Bernabeu, N. E. Mavromatos, J. Papavassiliou: ''[http://arxiv.org/abs/hep-ph/0310180 Novel type of CPT violation for correlated EPR states.]'' In: ''Physical Review Letters.'' Band 92, 2004, 131601, {{DOI|10.1103/PhysRevLett.92.131601}} (englisch).</ref> Neue Experimente, wie etwa an dem in Planung befindlichen Darmstädter Beschleunigerkomplex [[Facility for Antiproton and Ion Research|FAIR]] oder am [[CERN]],<ref name="CPT-test1">Rainer Scharf: ''[http://www.pro-physik.de/details/news/1116023/CPT-Test_mit_antiprotonischem_Helium.html CPT-Test mit antiprotonischem Helium.]'' In: ''pro-physik.de.'' 2. März 2007.</ref><ref name="MPQ02">Kjeld Eikema: ''[http://www.mpq.mpg.de/~haensch/antihydrogen/introduction.html The Antihydrogen Project: The CPT theorem and antimatter.]'' Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ), 20. März 2000 (englisch, einführender Text zu CPT-Experimenten mit Anti-Wasserstoff).</ref> sollen die [[Gültigkeit]] solcher Theorien einer weiteren Überprüfung unterziehen. | ||
Aus einer CPT-Verletzung würde auch eine Verletzung der Lorentz-Invarianz und damit der [[Spezielle Relativitätstheorie| | Aus einer CPT-Verletzung würde auch eine Verletzung der Lorentz-Invarianz und damit der [[Spezielle Relativitätstheorie|speziellen Relativitätstheorie]] folgen,<ref name="Greenberg02">O. W. Greenberg: ''[http://link.aps.org/abstract/PRL/v89/e231602 CPT Violation Implies Violation of Lorentz Invariance.]'' In: ''Physical Review Letters.'' Band 89, 28. Januar 2002, 231602, {{DOI|10.1103/PhysRevLett.89.231602}} (englisch).</ref> siehe [[Moderne Tests der Lorentzinvarianz]]. | ||
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Das CPT-Theorem (für engl. charge, parity, time = Ladung, Parität, Zeit; auch als CPT-Invarianz der physikalischen Gesetze bezeichnet) ist ein fundamentales physikalisches Gesetz, das 1954 von Gerhart Lüders und 1955 von Wolfgang Pauli aufgestellt wurde. Es besagt, dass jeder Vorgang, der aus einem anderen möglichen Vorgang durch Vertauschen von Materie mit Antimaterie und zusätzlicher Spiegelung des Raumes sowie einer Umkehr der Zeitrichtung hervorgeht, ebenfalls im Einklang mit den Gesetzen der Physik steht und damit möglich ist.
Die Gültigkeit des CPT-Theorems ist eine grundlegende Eigenschaft der Quantenfeldtheorie.
Eine CPT-Transformation wird bewirkt durch das Hintereinanderausführen der folgenden drei diskreten Transformationen:
Die Gesetze der Physik, die Prozesse beschreiben, an denen lediglich die Gravitation und die elektromagnetische Wechselwirkung beteiligt sind, bleiben bei jeder einzelnen der drei beschriebenen Transformationen unverändert (invariant). Das ist insbesondere bei allen Vorgängen der Alltagsphysik der Fall. D. h., zu jedem Vorgang sind auch
sowie alle Kombinationen möglich.
Bei Beteiligung der schwachen Wechselwirkung ist das jedoch nicht mehr der Fall. So sind beispielsweise in der Elementarteilchenphysik Prozesse möglich, deren Spiegelbilder nicht mit den Gesetzen der Physik verträglich sind. Man spricht in diesem Fall von einer Verletzung der Spiegelsymmetrie, einer sogenannten Paritätsverletzung. Die schwache Wechselwirkung verletzt ferner die Symmetrie bezüglich einer Ladungsspiegelung und die Symmetrie bezüglich einer Zeitumkehr. Ist eine dieser Symmetrien verletzt, dann ist es auch die Kombination der beiden anderen. So ist beispielsweise in der schwachen Wechselwirkung wegen der Verletzung der Zeitsymmetrie auch die CP-Symmetrie verletzt, die einer kombinierten Anwendung von Ladungsumkehr und Raumspiegelung entspricht.
Ob diese einzelnen Symmetrien bei Vorgängen unter Beteiligung der starken Wechselwirkung verletzt sein können, ist noch nicht abschließend geklärt. Bislang existieren dafür jedoch keine experimentellen Hinweise.
Obwohl die Invarianzen gegenüber den diskreten Transformationen P und CP in der Physik verletzt sind, besagt das CPT-Theorem, dass die Physik gegenüber der kombinierten Anwendung aller drei Transformationen invariant ist.
Wolfgang Pauli zeigte, dass jede Theorie CPT-invariant ist, die die folgenden Voraussetzungen erfüllt:
Im Rahmen der heute erreichbaren Genauigkeit ist das CPT-Theorem experimentell bestätigt.[1] Es gibt jedoch Theorien, die eine Verletzung des CPT-Theorems unterhalb dieser Genauigkeitsgrenze vorhersagen, z. B. manche Quantengravitations- oder Stringtheorien[2][3] Neue Experimente, wie etwa an dem in Planung befindlichen Darmstädter Beschleunigerkomplex FAIR oder am CERN,[4][5] sollen die Gültigkeit solcher Theorien einer weiteren Überprüfung unterziehen.
Aus einer CPT-Verletzung würde auch eine Verletzung der Lorentz-Invarianz und damit der speziellen Relativitätstheorie folgen,[6] siehe Moderne Tests der Lorentzinvarianz.