物理學(xué)家們總是沉迷于尋找宇宙的終極真理，在他們那個(gè)充滿希臘字母和奇怪符號(hào)的世界里，有一個(gè)被奉若神明的概念：CPT對(duì)稱性。

說白了，這就是他們堅(jiān)信不疑的宇宙最后底線，打破它，整個(gè)物理學(xué)世界就會(huì)崩潰。

物理學(xué)的終極目標(biāo)聽起來極其狂妄：準(zhǔn)確描述宇宙中每一個(gè)可能存在的物理系統(tǒng)將如何運(yùn)行。他們幻想著一套放之四海而皆準(zhǔn)的公式，適用于所有粒子、所有地點(diǎn)、所有時(shí)間。

這種野心具體體現(xiàn)在兩個(gè)最成功的物理理論中：

• 量子場(chǎng)論：描述粒子間基本相互作用的理論
• 廣義相對(duì)論：愛因斯坦的時(shí)空與引力理論

然而，有一個(gè)對(duì)稱性橫跨這兩大理論，統(tǒng)治著所有物理現(xiàn)象：CPT對(duì)稱性。

近70年來，物理學(xué)家們堅(jiān)信一個(gè)定理，禁止任何人違反它。多么霸道的理論啊！

對(duì)大多數(shù)人而言，"對(duì)稱"就是左右看起來一樣。字母表中，"A"和"T"上下對(duì)稱，"B"和"E"左右對(duì)稱。"O"則更加特殊，無(wú)論從哪個(gè)角度看都一樣，堪稱對(duì)稱性的完美典范。

這些所謂的"線對(duì)稱"和"點(diǎn)對(duì)稱"是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷膶?duì)稱性。

但物理學(xué)家從不滿足于此，他們還發(fā)明了各種奇特的對(duì)稱性概念。比如"平移對(duì)稱性"：水平線無(wú)論怎么平移，依然是同一條水平線。再比如"速度變換對(duì)稱性"：無(wú)論你在靜止的火車上還是高速行駛的火車上做同樣的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都應(yīng)該相同。

一些對(duì)稱性在所有物理定律下都成立，而另一些則只在特定條件下有效。

如果要追溯到最基本層面，我們不得不看看構(gòu)成宇宙萬(wàn)物的最小不可分粒子：標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。它們包括費(fèi)米子（夸克和輕子）和玻色子（膠子、光子、W和Z玻色子以及希格斯玻色子）。

這些粒子構(gòu)成了我們已知的所有物質(zhì)和輻射。

當(dāng)然，理論物理學(xué)家們會(huì)迅速提醒你，他們的標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋暗物質(zhì)和暗能量。多么諷刺！宇宙中95%的成分，他們引以為傲的理論竟然一籌莫展。

但這并不妨礙他們繼續(xù)沉浸在自己的理論完美性中。

在物理學(xué)中，有三個(gè)基本對(duì)稱性，它們涉及物質(zhì)與反物質(zhì)、粒子系統(tǒng)及其鏡像反射、時(shí)鐘正轉(zhuǎn)與倒轉(zhuǎn)之間的對(duì)稱性關(guān)系。聽起來像是某種神秘學(xué)理論，不是嗎？

• 電荷共軛對(duì)稱性(C)：將系統(tǒng)中的每個(gè)粒子替換為其反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物。每個(gè)帶電粒子都有一個(gè)帶相反電荷的反粒子。
• 宇稱對(duì)稱性(P)：將每個(gè)粒子、相互作用和衰變替換為其鏡像對(duì)應(yīng)物。
• 時(shí)間反演對(duì)稱性(T)：無(wú)論時(shí)鐘是向前走還是向后走，影響粒子相互作用的物理規(guī)律都應(yīng)該完全相同。

大多數(shù)力和相互作用都乖乖遵守這三個(gè)對(duì)稱性。

如果你在地球引力場(chǎng)中扔一個(gè)球，它會(huì)畫出一條拋物線軌跡。無(wú)論你用反物質(zhì)球代替（C），還是在鏡子中觀察拋物線（P），或者將時(shí)鐘倒轉(zhuǎn)（T），只要忽略空氣阻力和地面碰撞，結(jié)果都會(huì)一樣。

多么和諧美好的物理世界！

然而，個(gè)別粒子在某些物理?xiàng)l件下竟敢違反這些神圣不可侵犯的對(duì)稱性！一些粒子的行為方式與其反粒子截然不同，公然違反C對(duì)稱性。

中微子和反中微子總是接近光速運(yùn)動(dòng)，但中微子總是"左旋"，而反中微子卻是"右旋"的。

一些不穩(wěn)定粒子會(huì)隨時(shí)間衰變，而某些粒子衰變竟敢違反宇稱對(duì)稱性。

如果一個(gè)自旋粒子衰變，其衰變產(chǎn)物可能與自旋方向一致或相反。如果這個(gè)粒子表現(xiàn)出衰變的方向性偏好，那么鏡像衰變將表現(xiàn)出相反的方向性，違反P對(duì)稱性。

物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)時(shí)，想必心碎了一地！

你還可以同時(shí)測(cè)試這些對(duì)稱性的組合，比如設(shè)置系統(tǒng)的鏡像，然后用反粒子替換鏡像中的粒子。這種組合被稱為CP對(duì)稱性。

在20世紀(jì)50年代和60年代，一系列實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了這些對(duì)稱性在引力、電磁、強(qiáng)核力和弱核力下的表現(xiàn)。在強(qiáng)核力以及電磁力和引力作用下，沒有觀察到任何對(duì)稱性違反。

即使到了2020年代，C、P或T對(duì)稱性的違反仍未被發(fā)現(xiàn)。

然而，令人驚訝的是，弱相互作用被觀察到違反了C、P和T對(duì)稱性中的每一個(gè)，甚至違反了任意兩個(gè)對(duì)稱性（CP、PT和CT）的組合。

沒錯(cuò)，弱相互作用簡(jiǎn)直是物理學(xué)中最不守規(guī)矩的調(diào)皮鬼！

這些違反很重要，但所有基本相互作用都遵守這三個(gè)對(duì)稱性的組合：CPT對(duì)稱性。

CPT對(duì)稱性表明，由粒子組成、隨時(shí)間向前運(yùn)動(dòng)的任何物理系統(tǒng)，將遵循與由反粒子組成、在鏡子中反射、向后運(yùn)動(dòng)的相同物理系統(tǒng)相同的規(guī)律。

這是在基本層面上觀察到的精確對(duì)稱性，應(yīng)適用于所有物理現(xiàn)象，甚至包括我們尚未發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

幾十年來，粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)一直在尋找CPT對(duì)稱性的違反。在介子（夸克-反夸克）、重子（質(zhì)子-反質(zhì)子）和輕子（電子-正電子）系統(tǒng)中，CPT被證明是一個(gè)好的對(duì)稱性，精度優(yōu)于百億分之一。

沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察到與CPT對(duì)稱性不一致的情況。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型來說，這是一個(gè)好消息。

從理論角度看，這也很重要，因?yàn)橛幸粋€(gè)CPT定理要求這種對(duì)稱性組合不能被違反。

盡管它最初由Julian Schwinger在1951年證明，但由于CPT對(duì)稱性必須在我們的宇宙中守恒，許多有趣的后果出現(xiàn)了，如果它被從根本上違反，許多病態(tài)情況就會(huì)出現(xiàn)。

第一個(gè)后果是，我們的宇宙與特定形式的反宇宙沒有區(qū)別。如果你：

• 將每個(gè)粒子的位置更改為通過點(diǎn)（P反轉(zhuǎn)）反射的位置
• 每個(gè)粒子都替換為其反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物（C反轉(zhuǎn)）
• 每個(gè)粒子的動(dòng)量都反轉(zhuǎn)為當(dāng)前值的相同大小和相反方向（T反轉(zhuǎn)）

那么這個(gè)反宇宙將按照與我們宇宙完全相同的物理規(guī)律演化。

另一個(gè)后果是，如果CPT組合成立，那么對(duì)其中一個(gè)的違反（C、P或T）必須對(duì)應(yīng)于其他兩個(gè)組合（PT、CT或CP）的等效違反，以保持CPT的組合。

這就是為什么我們?cè)谀軌蛑苯訙y(cè)量之前幾十年就知道T違反需要在某些系統(tǒng)中發(fā)生：因?yàn)橛^察到的CP違反要求如此。

但CPT定理最深刻的后果表現(xiàn)為相對(duì)論和量子物理學(xué)之間的深層聯(lián)系：Lorentz（洛倫茲）不變性。

如果CPT對(duì)稱性是好的對(duì)稱性，那么Lorentz對(duì)稱性（表明物理規(guī)律在所有慣性參考系中保持不變）也必須是好的對(duì)稱性。反過來也是如此，意味著如果你違反CPT對(duì)稱性，那么Lorentz對(duì)稱性也會(huì)被打破。

出于多種原因，這不僅是壞事，而且有可能是病態(tài)的：摧毀現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。

打破Lorentz對(duì)稱性在某些理論物理學(xué)領(lǐng)域可能很流行，特別是在某些量子引力方法中，但對(duì)此的實(shí)驗(yàn)限制非常強(qiáng)烈。一百多年來，人們進(jìn)行了許多違反Lorentz不變性的實(shí)驗(yàn)搜索，結(jié)果壓倒性地是陰性且穩(wěn)健的。

如果所有觀察者的物理規(guī)律都相同，那么CPT必須是一個(gè)好的對(duì)稱性。如果不是，那么它們被打破的方式是微小的、未被觀察到的，并且受到極其嚴(yán)格的限制。

有時(shí)候，粒子的行為與反粒子不同，這沒關(guān)系。有時(shí)候，物理系統(tǒng)的行為與其鏡像反射不同，這也沒關(guān)系。有時(shí)候，物理系統(tǒng)的行為取決于時(shí)鐘是向前還是向后運(yùn)行，這也是可以接受的。

然而，我們必須要求粒子向前運(yùn)動(dòng) 與反粒子在鏡子中反射向后運(yùn)動(dòng)所看到的行為相同； 這是CPT定理的結(jié)果。這是唯一的對(duì)稱性，只要我們所知道的物理規(guī)律是正確的，就必須在我們的宇宙中真正不可打破。

無(wú)論物理學(xué)的其他方面多么混亂，多少理論被推翻，CPT對(duì)稱性始終是他們緊緊抓住的最后一根救命稻草。畢竟，誰(shuí)愿意承認(rèn)自己幾十年來堅(jiān)持的理論可能是錯(cuò)的呢？