宇宙的铁律：为何物理学不允许CPT对称性被违反

物理学家们总是沉迷于寻找宇宙的终极真理，在他们那个充满希腊字母和奇怪符号的世界里，有一个被奉若神明的概念：CPT对称性。

说白了，这就是他们坚信不疑的宇宙最后底线，打破它，整个物理学世界就会崩溃。

物理学的终极目标听起来极其狂妄：准确描述宇宙中每一个可能存在的物理系统将如何运行。他们幻想着一套放之四海而皆准的公式，适用于所有粒子、所有地点、所有时间。

这种野心具体体现在两个最成功的物理理论中：

• 量子场论：描述粒子间基本相互作用的理论
• 广义相对论：爱因斯坦的时空与引力理论

然而，有一个对称性横跨这两大理论，统治着所有物理现象：CPT对称性。

近70年来，物理学家们坚信一个定理，禁止任何人违反它。多么霸道的理论啊！

对大多数人而言，"对称"就是左右看起来一样。字母表中，"A"和"T"上下对称，"B"和"E"左右对称。"O"则更加特殊，无论从哪个角度看都一样，堪称对称性的完美典范。

这些所谓的"线对称"和"点对称"是我们日常生活中最常见的对称性。

但物理学家从不满足于此，他们还发明了各种奇特的对称性概念。比如"平移对称性"：水平线无论怎么平移，依然是同一条水平线。再比如"速度变换对称性"：无论你在静止的火车上还是高速行驶的火车上做同样的实验，结果都应该相同。

一些对称性在所有物理定律下都成立，而另一些则只在特定条件下有效。

如果要追溯到最基本层面，我们不得不看看构成宇宙万物的最小不可分粒子：标准模型粒子。它们包括费米子（夸克和轻子）和玻色子（胶子、光子、W和Z玻色子以及希格斯玻色子）。

这些粒子构成了我们已知的所有物质和辐射。

当然，理论物理学家们会迅速提醒你，他们的标准模型无法解释暗物质和暗能量。多么讽刺！宇宙中95%的成分，他们引以为傲的理论竟然一筹莫展。

但这并不妨碍他们继续沉浸在自己的理论完美性中。

在物理学中，有三个基本对称性，它们涉及物质与反物质、粒子系统及其镜像反射、时钟正转与倒转之间的对称性关系。听起来像是某种神秘学理论，不是吗？

• 电荷共轭对称性(C)：将系统中的每个粒子替换为其反物质对应物。每个带电粒子都有一个带相反电荷的反粒子。
• 宇称对称性(P)：将每个粒子、相互作用和衰变替换为其镜像对应物。
• 时间反演对称性(T)：无论时钟是向前走还是向后走，影响粒子相互作用的物理规律都应该完全相同。

大多数力和相互作用都乖乖遵守这三个对称性。

如果你在地球引力场中扔一个球，它会画出一条抛物线轨迹。无论你用反物质球代替（C），还是在镜子中观察抛物线（P），或者将时钟倒转（T），只要忽略空气阻力和地面碰撞，结果都会一样。

多么和谐美好的物理世界！

然而，个别粒子在某些物理条件下竟敢违反这些神圣不可侵犯的对称性！一些粒子的行为方式与其反粒子截然不同，公然违反C对称性。

中微子和反中微子总是接近光速运动，但中微子总是"左旋"，而反中微子却是"右旋"的。

一些不稳定粒子会随时间衰变，而某些粒子衰变竟敢违反宇称对称性。

如果一个自旋粒子衰变，其衰变产物可能与自旋方向一致或相反。如果这个粒子表现出衰变的方向性偏好，那么镜像衰变将表现出相反的方向性，违反P对称性。

物理学家们发现这一点时，想必心碎了一地！

你还可以同时测试这些对称性的组合，比如设置系统的镜像，然后用反粒子替换镜像中的粒子。这种组合被称为CP对称性。

在20世纪50年代和60年代，一系列实验检测了这些对称性在引力、电磁、强核力和弱核力下的表现。在强核力以及电磁力和引力作用下，没有观察到任何对称性违反。

即使到了2020年代，C、P或T对称性的违反仍未被发现。

然而，令人惊讶的是，弱相互作用被观察到违反了C、P和T对称性中的每一个，甚至违反了任意两个对称性（CP、PT和CT）的组合。

没错，弱相互作用简直是物理学中最不守规矩的调皮鬼！

这些违反很重要，但所有基本相互作用都遵守这三个对称性的组合：CPT对称性。

CPT对称性表明，由粒子组成、随时间向前运动的任何物理系统，将遵循与由反粒子组成、在镜子中反射、向后运动的相同物理系统相同的规律。

这是在基本层面上观察到的精确对称性，应适用于所有物理现象，甚至包括我们尚未发现的现象。

几十年来，粒子物理学实验一直在寻找CPT对称性的违反。在介子（夸克-反夸克）、重子（质子-反质子）和轻子（电子-正电子）系统中，CPT被证明是一个好的对称性，精度优于百亿分之一。

没有一个实验观察到与CPT对称性不一致的情况。对标准模型来说，这是一个好消息。

从理论角度看，这也很重要，因为有一个CPT定理要求这种对称性组合不能被违反。

尽管它最初由Julian Schwinger在1951年证明，但由于CPT对称性必须在我们的宇宙中守恒，许多有趣的后果出现了，如果它被从根本上违反，许多病态情况就会出现。

第一个后果是，我们的宇宙与特定形式的反宇宙没有区别。如果你：

• 将每个粒子的位置更改为通过点（P反转）反射的位置
• 每个粒子都替换为其反物质对应物（C反转）
• 每个粒子的动量都反转为当前值的相同大小和相反方向（T反转）

那么这个反宇宙将按照与我们宇宙完全相同的物理规律演化。

另一个后果是，如果CPT组合成立，那么对其中一个的违反（C、P或T）必须对应于其他两个组合（PT、CT或CP）的等效违反，以保持CPT的组合。

这就是为什么我们在能够直接测量之前几十年就知道T违反需要在某些系统中发生：因为观察到的CP违反要求如此。

但CPT定理最深刻的后果表现为相对论和量子物理学之间的深层联系：Lorentz（洛伦兹）不变性。

如果CPT对称性是好的对称性，那么Lorentz对称性（表明物理规律在所有惯性参考系中保持不变）也必须是好的对称性。反过来也是如此，意味着如果你违反CPT对称性，那么Lorentz对称性也会被打破。

出于多种原因，这不仅是坏事，而且有可能是病态的：摧毁现代物理学的基础。

打破Lorentz对称性在某些理论物理学领域可能很流行，特别是在某些量子引力方法中，但对此的实验限制非常强烈。一百多年来，人们进行了许多违反Lorentz不变性的实验搜索，结果压倒性地是阴性且稳健的。

如果所有观察者的物理规律都相同，那么CPT必须是一个好的对称性。如果不是，那么它们被打破的方式是微小的、未被观察到的，并且受到极其严格的限制。

有时候，粒子的行为与反粒子不同，这没关系。有时候，物理系统的行为与其镜像反射不同，这也没关系。有时候，物理系统的行为取决于时钟是向前还是向后运行，这也是可以接受的。

然而，我们必须要求粒子向前运动 与反粒子在镜子中反射向后运动所看到的行为相同； 这是CPT定理的结果。这是唯一的对称性，只要我们所知道的物理规律是正确的，就必须在我们的宇宙中真正不可打破。

无论物理学的其他方面多么混乱，多少理论被推翻，CPT对称性始终是他们紧紧抓住的最后一根救命稻草。毕竟，谁愿意承认自己几十年来坚持的理论可能是错的呢？