这是宇宙永远不能违背的对称

物理学的最终目标是尽可能准确地描述我们宇宙中存在的每个物理系统的行为。物理学定律需要普遍适用：相同的规则必须始终适用于所有位置的所有粒子和场。它们必须足够好，以便无论存在什么条件或进行什么实验，我们的理论预测都与测得的结果相匹配。

• 图注：BaBar协作所使用的系统设置，用于直接探查时间反转对称性违规。γ（4s）粒子被创建，它衰减为两个介子（可以是B /反B组合），然后这些B和反B介子都将衰减。如果物理定律不是时间反转不变的，则按特定顺序的不同衰减将表现出不同的特性。 这在2012年首次得到确认：第一次直接违反T对称性

最成功的物理理论是描述了粒子之间发生的每个基本相互作用的量子场论，以及描述时空和引力的广义相对论。但是，有一种基本对称性不仅适用于所有这些物理定律，而且适用于所有物理现象：CPT对称性。 近70年来，我们知道这个定理，它禁止我们违反它。

• 图注：字母表中有许多字母表现出特殊的对称性。注意，这里显示的大写字母只有一行对称；像“I”或“O”这样的字母有多行对称。这种称为宇称（或P对称）的“镜像”对称性已被证实适用于所有被测试的强、电磁和引力相互作用。然而，弱相互作用提供了违反宇称的可能性。这一发现和证实值得1957年诺贝尔物理学奖。

对于我们大多数人来说，当我们听到“对称”一词时，我们会考虑将其反射到镜子中。我们字母表中的某些字母表现出这种对称性：“ A”和“ T”是垂直对称的，而“ B”和“ E”是水平对称的。 “ O”关于您绘制的任何线都是对称的，并且具有旋转对称性：无论如何旋转，其外观都不会改变。

但是，还有其他种类的对称性。如果您有一条水平线并且在水平方向上移动，那么它将保持相同的水平线：这就是平移对称性。如果您在火车车厢内，并且无论火车处于静止状态还是在轨道上快速移动，所执行的实验都会得出相同的结果，这是在加速（或速度转换）下的对称性。有些对称总是在我们的物理定律下成立，而另一些对称只有在满足某些条件的情况下才有效。

• 图注：如果一个理论不是相对论不变的，那么不同的参照系，包括不同的位置和运动，就会看到不同的物理定律（并且在现实中会不一致）。 我们在“加速”或速度变换下具有对称性这一事实告诉我们，我们有一个守恒的量：线性动量。 理论在任何形式的坐标或速度变换下都不变的事实称为洛伦兹不变性，任何洛伦兹不变对称性都可以保持CPT对称性。然而，C、P和T（以及CP、CT和PT的组合）都可能被单独违反。

如果我们想降到一个基本的水平，并考虑构成我们在宇宙中所知的所有事物的最小不可分割的粒子，我们将研究标准模型的粒子。由费米子（夸克和轻子）和玻色子（胶子，光子，W和Z玻色子以及希格斯）组成，这些粒子组成了我们所知道的构成物质和辐射的所有粒子，我们直接在宇宙中进行了实验。

我们可以计算任何配置中的任何粒子之间的力，并确定它们如何随着时间移动、相互作用和演化。我们可以观察物质粒子在与反物质粒子相同的条件下的行为，并确定它们在哪里相同和在哪里不同。我们可以执行与其他实验相对应的实验，并记录结果。这三种方法都检验了各种对称性的有效性。

• 图注：标准模型的粒子和反粒子遵守各种守恒定律，但是某些粒子/反粒子对的行为之间存在细微差异，这可能暗示了重生的起源。 夸克和轻子是费米子的例子，而玻色子（下排）介导力，是由于质量起源而产生的。

在物理学中，这三个基本对称性都有名称。

1. 电荷共轭(C)：这种对称性涉及用反物质对应物替换系统中的每个粒子。之所以称为电荷共轭，是因为每个带电粒子对其对应的反粒子都有相反的电荷（例如，电荷或色电荷）。
2. 奇偶性（P)：这种对称性涉及用其镜像副本替换每个粒子，相互作用和衰变。
3. 时间反转对称性（T)：这种对称性要求影响粒子相互作用的物理定律，无论你在时间上向前运行还是向后运行时钟，其运行方式完全相同。

我们习惯于分别服从这三个对称性的大多数力和相互作用。如果您将球扔到地球的引力场中，它形成了一个类似抛物线的形状，则用反粒子（C）替换粒子并不重要，如果您将抛物线反射到镜子中也没关系（否P），向前或向后运行时钟（T）都没有关系，只要您忽略诸如空气阻力和与地面的任何（非弹性）碰撞之类的事情。

• 图注：在粒子/反粒子之间或粒子的镜像之间，或两者结合的情况下，自然界是不对称的。在发现明显违反镜像对称性的中微子之前，弱衰变粒子提供了识别P对称性违反的唯一可能途径。

但是单个粒子不能完全服从所有这些。一些粒子从根本上不同于其反粒子，这违反了C对称性。中微子总是在运动中观察到并且接近光速。如果您将左拇指指向它们的移动方向，它们总是以左手手指绕中微子的方向“旋转”，而反中微子总是以同样的方式“右手定则”。有些衰变违背了宇称

某些衰变会违反平价。 如果您有一个不稳定的粒子在一个方向上旋转然后衰减，那么它的衰变产物可以与旋转方向对齐，也可以与旋转方向相反。 如果不稳定粒子表现出比其衰减更好的方向性，则镜像衰减将呈现相反的方向性，从而违反了P对称性。如果你用反粒子替换镜子中的粒子，你就是在测试这两种对称性的组合：CP对称性。

• 图注：正常介子绕其北极逆时针旋转，然后随着电子沿北极方向发射而衰变。应用C对称性将粒子替换为反粒子，这意味着我们应该有一个反子通过在北方向发射一个正电子，围绕其北极衰变逆时针旋转。类似地，P对称翻转我们在镜子中看到的东西。如果粒子和反粒子在C、P或CP对称下的行为不完全相同，则称该对称性被破坏。到目前为止，只有弱相互作用违反了这三个原则中的任何一个，但在其他领域，也有可能违反了我们目前的标准。

在1950年代和1960年代，进行了一系列实验，分别测试了这些对称性以及它们在引力、电磁力、强和弱核力下的性能。也许令人惊讶的是，弱相互作用分别违反了C、P和T对称性，以及它们中任意两个的组合（CP，PT和CT）。

但是，所有基本相互作用（每个相互作用）始终服从所有这三种对称性的组合：CPT对称性。 CPT对称性说，任何由粒子组成的，随时间向前移动的物理系统都将遵循与由反粒子组成的，由镜子反射并随时间向后移动的相同物理系统相同的规律。它是一种在基本层面上观察到的、精确的自然对称性，它应该适用于所有物理现象，甚至是我们尚未发现的现象。

• 图注：CPT不变性的最严格测试已在介子，轻子和重子状粒子上进行。 从这些不同的渠道来看，CPT对称性在所有这些方面的精度均优于十亿分之一（十亿分之一），而介子通道在10 ^ 18中的精度达到了近1倍。

在实验方面，粒子物理实验已经进行了数十年，以寻找违反CPT对称性的行为。为了使精确度明显高于十亿分之一（十亿分之一），CPT在介子（夸克-反夸克），重子（质子-反质子）和轻子（电子-正电子）系统中具有良好的对称性。 没有一个实验可以观察到CPT对称性的不一致，这对于标准模型来说是一件好事。

从理论的角度来看，这也是一个重要的考虑因素，因为有一个CPT定理要求不能将对称性组合在一起使用。 尽管它是由朱利安·史温格（Julian Schwinger）于1951年首次证明的，但由于必须在我们的宇宙中保持CPT对称性，因此产生了许多令人着迷的结果。

• 图注：我们可以想象有一个适用于我们相同规则的镜像宇宙。 如果上图所示的红色大粒子是一个方向，其动量在一个方向上定向，并且它通过强，电磁或弱相互作用而衰减（白色指示剂），则当它们运动时会产生“子”粒子，即 与其反粒子的镜像过程相同，其动量反转（即，时间向后移动）。 如果在所有三个（C，P和T）对称性下的镜面反射的行为都与我们宇宙中的粒子相同，则CPT对称性是守恒的。

首先是我们所知的宇宙与反宇宙的特定化身没有区别。如果要更改：

• 每个粒子的位置到对应于通过点反射（P反转）的位置，
• 每个粒子都被其反物质对应物取代（C反转），
• 每个粒子的动量从其当前值以相同的幅度和相反的方向反转（T反转），

然后，反宇宙将按照与我们自己的宇宙完全相同的物理定律发展。

另一个后果是，如果 CPT 的组合成立，那么每次违反 CPT（C、P 或 T）时，都必须对应于其他两个组合（分别为 PT、CT 或 CP）的等效违反，以便保护 CPT 的组合。这就是为什么我们知道在某些系统中必须先发生T破坏（T-violation），然后才能直接对其进行测量，因为CP破坏要求确实如此。

• 图注：在标准模型中，中子的电偶极矩预计比我们的观察极限要大一百亿倍。 唯一的解释是，在某种程度上，标准模型之外的某种方式正在保护强相互作用中的CP对称性。 如果违反了C，那么PT也是如此； 如果违反了P，那么CT也是如此； 如果违反了T，那么CP也是如此。

但是，CPT定理最意义深远的结果还是相对论与量子物理学之间的深层联系：洛伦兹不变性。如果CPT对称性是一种良好的对称性，那么洛伦兹对称性（必须指出，在所有惯性（非加速）参考系中观察者的物理定律保持不变）也必须是一种良好的对称性。如果违反了CPT对称性，那么洛伦兹对称性也会被破坏。

在理论物理学的某些领域，尤其是在某些量子引力方法中，打破洛伦兹对称性相当流行，但是对此的实验约束却异常强大。超过100年以来，已经有许多实验性搜索违反了洛伦兹不变性，结果绝大多数都是负面的和可靠的。如果所有观察者的物理定律都相同，则CPT必须具有良好的对称性。

• 图注：量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来。 对经典引力的量子校正显示为循环图，如此处白色所示。 如果将“标准模型”扩展为包括重力，则描述CPT的对称性（洛伦兹对称性）可能仅成为近似对称性，从而可能会引起冲突。 但是，到目前为止，还没有观察到这样的实验违规。

在物理学中，我们必须愿意挑战我们的假设，并探索所有可能性，无论它们看起来多么不可能。但是，我们的默认设置应该是，在所有实验测试中均能经受住考验，构成一个自洽的理论框架并准确描述我们的现实的物理定律，除非另有证明，否则确实是正确的。在这种情况下，这意味着物理学定律在所有地方和所有观察者中都是相同的，除非另有证明。

有时，粒子的行为与反粒子不同，这没关系。有时，物理系统的行为与其镜像反射不同，这也是可以的。有时，物理系统的行为取决于时钟是向前还是向后运行。但是，时间向前移动的粒子的行为必须与反光镜中向后移动的反粒子的行为相同。这是CPT定理的结果，这是唯一的对称性，只要我们知道的物理定律是正确的，那就永远不能被打破。