当前视点！在什么情况下，相对论和量子力学将土崩瓦解?

在物理学上，大多数的过程，时间向前和向后，结果都是相同的。例如，我们熟知的方程S=vt，当t变为-t时，S不变。因此，它们是时间可逆的。通常，人们认为只有熵是不符合这一规律的东西。热力学第二定律指出，熵(简单地说，无序量)只会随时间增加。

但是，熵的增加是许多粒子运动的结果，它具有“涌现性”(多个要素组合出现了单个要素所不具有的性质)。这就给我们留下了一个悬而未决的问题：粒子本身分时间方向吗?简单来说，有没有一些过程发生在单个粒子的水平上，时间向前和向后结果是不同的?

总是存在的三种对称

(相关资料图)

粒子物理学被认为遵循三种主要的对称：时间、宇称、电荷(其英文首字母分别为T、P、C，因此也叫T对称、P对称、C对称)，并且认为这三种对称总是成立的。

我们在文章开头讨论了时间对称。它意味着一个过程以同样的方式向前和向后发生 。

那么，什么是电荷对称?这很容易理解。

假设所有带正电荷的粒子都被替换成带负电荷，所有带负电荷的粒子都被替换成正电荷，那么，一切都不会改变，一切都会保持原样。电荷对称意味着如果所有的电荷交换，相互作用将不受影响。也就是说，正电荷和负电荷并没有什么特别之处，宇宙以同样的方式对待这两种电荷。

那么，什么是宇称对称?粗略地说，可理解为“左右对称”或“左右交换”，这意味着物理定律对于左和右是相同的。

为了方便理解，你可以想象成宇宙面前有一面大镜子(假设镜子垂直于x轴)。那么，在宇宙的镜像中，x轴是反向的。也就是说，当你面对着这面大镜子时，左手就变成了右手。有趣的是，物理定律在镜像宇宙中的作用和在常规宇宙中的作用是一样的——它不分真实宇宙或镜像宇宙。这使得我们无法知道我们是否在镜像宇宙中，我们也不能通过实验来做到这一点。

宇称对称如何被打破

在20世纪50年代，人们认为所有的物理定律都遵循这三种对称。然而，这种看法并没有持续多久。

1956年，美籍华裔物理学家李政道和杨振宁发表了一篇论文称，宇称对称从未在弱相互作用力的实验中得到验证，它只不过是一个理论上的推论而已。

几个月之后，这个说法被另一位美籍华裔物理学家吴健雄教授和几位物理工作者一起用一个关于放射性元素钴-60的β衰变实验所证实。他们将具有放射性的钴-60原子冷却到绝对零度以上0.01开尔文，用一个强磁场将它们进行排列，使它们的自旋指向一个特定的方向，然后进行观测。

观测什么呢?观测相对于原子核的自旋，电子所发射的方向(该电子是原子衰变中释放出的β粒子)。

那么，它是如何检验宇称对称的呢?为了理解这个，想象一面镜子放在钴-60原子核前(如下图)。正如前面提到的，x轴的方向被翻转了。但自旋的方向没有。为什么?因为一个顺时针旋转的粒子在镜像中也是顺时针旋转的。所以，真实的钴原子核和它的镜像原子核的自旋是相互对齐的。

现在，自旋的钴原子可以向镜子的方向或相反方向发射电子。如果宇称对称是成立的，那么它应该在两个方向上随机发射电子(a)。电子从两边发射的概率都应该是50%。这样，正常和镜像的实验将给出相同的结果。

假设自旋的方向是正x轴。现在，如果一个电子更有可能从x轴正方向发射，那么在镜像中，因为x轴翻转了，它更有可能从自旋相反的方向发射(b)。如此一来，宇称对称性将被破坏。

而这正是吴健雄他们所看到的(右图)——电子不仅更倾向于从一个方向发射，它们更倾向于从核自旋相反的方向发射。

就这样，宇称对称被打破了。

CPT真的牢不可破吗?

这瞬间粉碎了宇宙的基本概念。它告诉我们，宇宙确实分左边或右边。科学家们惊奇不已。因为这一发现，李政道和杨振宁在1957年被授予诺贝尔物理学奖。

宇称对称被打破了，那物理学家岂不是要重新建立我们对宇宙的认知体系?事实上，物理学家想出了一个变通办法。他们说，P对称被破坏是可以的，因为它实际上只是更大对称性——CP对称——的一部分。他们表示，如果我们将粒子改为反粒子，也就是沿着x轴翻转它们的电荷，那么对称性就恢复了。这背后是数学原理在发挥作用，而这对物理学家来说是一种解脱。

然而，1964年，普林斯顿大学的一些科学家发现，一些粒子违反了CP对称，并因此获得了诺贝尔奖。瓦尔·洛格斯登·菲奇是其中之一，他从中性K介子衰变中取得了清晰的证据，证明CP对称可以被打破。

但紧跟着，物理学家又说，CP对称允许被打破，它也只是另一个更大对称性——CPT对称——的一部分。直到今天，他们都坚信：CPT对称是真正的普遍对称。事实上，至今还没有实验能够打破它。

CPT对称有多重要?可以说，如果它被违反了，我们将不得不重新思考和重写许多上个世纪的物理学。这将意味着狭义相对论和量子场论都是错误的。所以，这是你的机会，证明CPT对称在某个地方可以被打破，你就有可能赢得诺贝尔物理学奖。

现在，我们认为CPT对称是真实成立的，是不可违背的。但是，我们知道P对称和CP两种对称性都被破坏了。所以，T对称不打破是不可能的——为了使CPT对称保持完整，T对称必须被打破。

而事实上，实验表明，某些粒子确实直接打破了时间对称。例如，当一对夸克被强力结合在一起时，有时会出现两种不同的排列方式。它们在弱力的作用下也可以在这些排列之间来回切换。但是，切换到一个方向比切换回来需要更多的时间。因此，时间对称性被打破了。这意味着，基本粒子，至少在某些情况下，可以分辨出时间向前和向后的区别。

过去，物理学家认为宇称、电荷和时间对称是三种基本对称，它们是不可打破的。但随着时间的推移，它们已经被打破了。现在，他们坚持的CPT对称就真的坚不可破吗?这是物理学的基本问题和奥秘之一。也许你可以证明某些粒子违反了CPT，从而打破它，让狭义相对论和量子场论也随之土崩瓦解。