在物理學上，大多數(shù)的過程,，時間向前和向后,，結果都是相同的。例如,，我們熟知的方程S=vt,，當t變?yōu)?t時，S不變,。因此,，它們是時間可逆的。通常,，人們認為只有熵是不符合這一規(guī)律的東西,。熱力學第二定律指出，熵(簡單地說,，無序量)只會隨時間增加,。

　　但是，熵的增加是許多粒子運動的結果,，它具有“涌現(xiàn)性”(多個要素組合出現(xiàn)了單個要素所不具有的性質),。這就給我們留下了一個懸而未決的問題：粒子本身分時間方向嗎?簡單來說，有沒有一些過程發(fā)生在單個粒子的水平上,，時間向前和向后結果是不同的?

　　總是存在的三種對稱

　　粒子物理學被認為遵循三種主要的對稱：時間,、宇稱、電荷(其英文首字母分別為T,、P,、C，因此也叫T對稱,、P對稱,、C對稱)，并且認為這三種對稱總是成立的,。

　　我們在文章開頭討論了時間對稱,。它意味著一個過程以同樣的方式向前和向后發(fā)生 ,。

　　那么，什么是電荷對稱?這很容易理解,。

　　假設所有帶正電荷的粒子都被替換成帶負電荷,，所有帶負電荷的粒子都被替換成正電荷，那么,，一切都不會改變,，一切都會保持原樣。電荷對稱意味著如果所有的電荷交換,，相互作用將不受影響,。也就是說，正電荷和負電荷并沒有什么特別之處,，宇宙以同樣的方式對待這兩種電荷。

　　那么,，什么是宇稱對稱?粗略地說,，可理解為“左右對稱”或“左右交換”，這意味著物理定律對于左和右是相同的,。

　　為了方便理解,，你可以想象成宇宙面前有一面大鏡子(假設鏡子垂直于x軸)。那么,，在宇宙的鏡像中,，x軸是反向的。也就是說,，當你面對著這面大鏡子時,，左手就變成了右手。有趣的是,，物理定律在鏡像宇宙中的作用和在常規(guī)宇宙中的作用是一樣的——它不分真實宇宙或鏡像宇宙,。這使得我們無法知道我們是否在鏡像宇宙中，我們也不能通過實驗來做到這一點,。

　　宇稱對稱如何被打破

　　在20世紀50年代,，人們認為所有的物理定律都遵循這三種對稱。然而,，這種看法并沒有持續(xù)多久,。

　　1956年，美籍華裔物理學家李政道和楊振寧發(fā)表了一篇論文稱,，宇稱對稱從未在弱相互作用力的實驗中得到驗證,，它只不過是一個理論上的推論而已。

　　幾個月之后,，這個說法被另一位美籍華裔物理學家吳健雄教授和幾位物理工作者一起用一個關于放射性元素鈷-60的β衰變實驗所證實,。他們將具有放射性的鈷-60原子冷卻到絕對零度以上0.01開爾文,，用一個強磁場將它們進行排列，使它們的自旋指向一個特定的方向,，然后進行觀測,。

　　觀測什么呢?觀測相對于原子核的自旋，電子所發(fā)射的方向(該電子是原子衰變中釋放出的β粒子),。

　　那么,，它是如何檢驗宇稱對稱的呢?為了理解這個，想象一面鏡子放在鈷-60原子核前(如下圖),。正如前面提到的,，x軸的方向被翻轉了。但自旋的方向沒有,。為什么?因為一個順時針旋轉的粒子在鏡像中也是順時針旋轉的,。所以，真實的鈷原子核和它的鏡像原子核的自旋是相互對齊的,。

　　現(xiàn)在,，自旋的鈷原子可以向鏡子的方向或相反方向發(fā)射電子。如果宇稱對稱是成立的,，那么它應該在兩個方向上隨機發(fā)射電子(a),。電子從兩邊發(fā)射的概率都應該是50%。這樣,，正常和鏡像的實驗將給出相同的結果,。

　　假設自旋的方向是正x軸。現(xiàn)在,，如果一個電子更有可能從x軸正方向發(fā)射,，那么在鏡像中，因為x軸翻轉了,，它更有可能從自旋相反的方向發(fā)射(b),。如此一來，宇稱對稱性將被破壞,。

　　而這正是吳健雄他們所看到的(右圖)——電子不僅更傾向于從一個方向發(fā)射,，它們更傾向于從核自旋相反的方向發(fā)射。

　　就這樣,，宇稱對稱被打破了,。

　　CPT真的牢不可破嗎?

　　這瞬間粉碎了宇宙的基本概念。它告訴我們,，宇宙確實分左邊或右邊,。科學家們驚奇不已。因為這一發(fā)現(xiàn),，李政道和楊振寧在1957年被授予諾貝爾物理學獎,。

　　宇稱對稱被打破了，那物理學家豈不是要重新建立我們對宇宙的認知體系?事實上,，物理學家想出了一個變通辦法,。他們說，P對稱被破壞是可以的,，因為它實際上只是更大對稱性——CP對稱——的一部分,。他們表示，如果我們將粒子改為反粒子,，也就是沿著x軸翻轉它們的電荷,，那么對稱性就恢復了。這背后是數(shù)學原理在發(fā)揮作用,，而這對物理學家來說是一種解脫,。

　　然而，1964年,，普林斯頓大學的一些科學家發(fā)現(xiàn),，一些粒子違反了CP對稱，并因此獲得了諾貝爾獎,。瓦爾·洛格斯登·菲奇是其中之一，他從中性K介子衰變中取得了清晰的證據,，證明CP對稱可以被打破,。

　　但緊跟著，物理學家又說,，CP對稱允許被打破,，它也只是另一個更大對稱性——CPT對稱——的一部分。直到今天,，他們都堅信：CPT對稱是真正的普遍對稱,。事實上，至今還沒有實驗能夠打破它,。

　　CPT對稱有多重要?可以說,，如果它被違反了，我們將不得不重新思考和重寫許多上個世紀的物理學,。這將意味著狹義相對論和量子場論都是錯誤的,。所以，這是你的機會,，證明CPT對稱在某個地方可以被打破,，你就有可能贏得諾貝爾物理學獎。

　　現(xiàn)在，我們認為CPT對稱是真實成立的,，是不可違背的,。但是，我們知道P對稱和CP兩種對稱性都被破壞了,。所以,，T對稱不打破是不可能的——為了使CPT對稱保持完整，T對稱必須被打破,。

　　而事實上,，實驗表明，某些粒子確實直接打破了時間對稱,。例如,，當一對夸克被強力結合在一起時，有時會出現(xiàn)兩種不同的排列方式,。它們在弱力的作用下也可以在這些排列之間來回切換,。但是，切換到一個方向比切換回來需要更多的時間,。因此,，時間對稱性被打破了。這意味著,，基本粒子,，至少在某些情況下，可以分辨出時間向前和向后的區(qū)別,。

　　過去,，物理學家認為宇稱、電荷和時間對稱是三種基本對稱,，它們是不可打破的,。但隨著時間的推移，它們已經被打破了?，F(xiàn)在,，他們堅持的CPT對稱就真的堅不可破嗎?這是物理學的基本問題和奧秘之一。也許你可以證明某些粒子違反了CPT,，從而打破它,，讓狹義相對論和量子場論也隨之土崩瓦解。