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

說白了，這就是他們堅信不疑的宇宙最后底線，打破它，整個物理學世界就會崩潰。

物理學的終極目標聽起來極其狂妄：準確描述宇宙中每一個可能存在的物理系統將如何運行。他們幻想著一套放之四海而皆準的公式，適用于所有粒子、所有地點、所有時間。

這種野心具體體現在兩個最成功的物理理論中：

• 量子場論：描述粒子間基本相互作用的理論
• 廣義相對論：愛因斯坦的時空與引力理論

然而，有一個對稱性橫跨這兩大理論，統治著所有物理現象：CPT對稱性。

近70年來，物理學家們堅信一個定理，禁止任何人違反它。多么霸道的理論啊！

對大多數人而言，"對稱"就是左右看起來一樣。字母表中，"A"和"T"上下對稱，"B"和"E"左右對稱。"O"則更加特殊，無論從哪個角度看都一樣，堪稱對稱性的完美典范。

這些所謂的"線對稱"和"點對稱"是我們日常生活中最常見的對稱性。

但物理學家從不滿足于此，他們還發明了各種奇特的對稱性概念。比如"平移對稱性"：水平線無論怎么平移，依然是同一條水平線。再比如"速度變換對稱性"：無論你在靜止的火車上還是高速行駛的火車上做同樣的實驗，結果都應該相同。

一些對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，我們不得不看看構成宇宙萬物的最小不可分粒子：標準模型粒子。它們包括費米子（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）。

這些粒子構成了我們已知的所有物質和輻射。

當然，理論物理學家們會迅速提醒你，他們的標準模型無法解釋暗物質和暗能量。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沉浸在自己的理論完美性中。

在物理學中，有三個基本對稱性，它們涉及物質與反物質、粒子系統及其鏡像反射、時鐘正轉與倒轉之間的對稱性關系。聽起來像是某種神秘學理論，不是嗎？

• 電荷共軛對稱性(C)：將系統中的每個粒子替換為其反物質對應物。每個帶電粒子都有一個帶相反電荷的反粒子。
• 宇稱對稱性(P)：將每個粒子、相互作用和衰變替換為其鏡像對應物。
• 時間反演對稱性(T)：無論時鐘是向前走還是向后走，影響粒子相互作用的物理規律都應該完全相同。

大多數力和相互作用都乖乖遵守這三個對稱性。

如果你在地球引力場中扔一個球，它會畫出一條拋物線軌跡。無論你用反物質球代替（C），還是在鏡子中觀察拋物線（P），或者將時鐘倒轉（T），只要忽略空氣阻力和地面碰撞，結果都會一樣。

多么和諧美好的物理世界！

然而，個別粒子在某些物理條件下竟敢違反這些神圣不可侵犯的對稱性！一些粒子的行為方式與其反粒子截然不同，公然違反C對稱性。

中微子和反中微子總是接近光速運動，但中微子總是"左旋"，而反中微子卻是"右旋"的。

一些不穩定粒子會隨時間衰變，而某些粒子衰變竟敢違反宇稱對稱性。

如果一個自旋粒子衰變，其衰變產物可能與自旋方向一致或相反。如果這個粒子表現出衰變的方向性偏好，那么鏡像衰變將表現出相反的方向性，違反P對稱性。

物理學家們發現這一點時，想必心碎了一地！

你還可以同時測試這些對稱性的組合，比如設置系統的鏡像，然后用反粒子替換鏡像中的粒子。這種組合被稱為CP對稱性。

在20世紀50年代和60年代，一系列實驗檢測了這些對稱性在引力、電磁、強核力和弱核力下的表現。在強核力以及電磁力和引力作用下，沒有觀察到任何對稱性違反。

即使到了2020年代，C、P或T對稱性的違反仍未被發現。

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

沒錯，弱相互作用簡直是物理學中最不守規矩的調皮鬼！

這些違反很重要，但所有基本相互作用都遵守這三個對稱性的組合：CPT對稱性。

CPT對稱性表明，由粒子組成、隨時間向前運動的任何物理系統，將遵循與由反粒子組成、在鏡子中反射、向后運動的相同物理系統相同的規律。

這是在基本層面上觀察到的精確對稱性，應適用于所有物理現象，甚至包括我們尚未發現的現象。

幾十年來，粒子物理學實驗一直在尋找CPT對稱性的違反。在介子（夸克-反夸克）、重子（質子-反質子）和輕子（電子-正電子）系統中，CPT被證明是一個好的對稱性，精度優于百億分之一。

沒有一個實驗觀察到與CPT對稱性不一致的情況。對標準模型來說，這是一個好消息。

從理論角度看，這也很重要，因為有一個CPT定理要求這種對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對稱性必須在我們的宇宙中守恒，許多有趣的后果出現了，如果它被從根本上違反，許多病態情況就會出現。

第一個后果是，我們的宇宙與特定形式的反宇宙沒有區別。如果你：

• 將每個粒子的位置更改為通過點（P反轉）反射的位置
• 每個粒子都替換為其反物質對應物（C反轉）
• 每個粒子的動量都反轉為當前值的相同大小和相反方向（T反轉）

那么這個反宇宙將按照與我們宇宙完全相同的物理規律演化。

另一個后果是，如果CPT組合成立，那么對其中一個的違反（C、P或T）必須對應于其他兩個組合（PT、CT或CP）的等效違反，以保持CPT的組合。

這就是為什么我們在能夠直接測量之前幾十年就知道T違反需要在某些系統中發生：因為觀察到的CP違反要求如此。

但CPT定理最深刻的后果表現為相對論和量子物理學之間的深層聯系：Lorentz（洛倫茲）不變性。

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

出于多種原因，這不僅是壞事，而且有可能是病態的：摧毀現代物理學的基礎。

打破Lorentz對稱性在某些理論物理學領域可能很流行，特別是在某些量子引力方法中，但對此的實驗限制非常強烈。一百多年來，人們進行了許多違反Lorentz不變性的實驗搜索，結果壓倒性地是陰性且穩健的。

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

有時候，粒子的行為與反粒子不同，這沒關系。有時候，物理系統的行為與其鏡像反射不同，這也沒關系。有時候，物理系統的行為取決于時鐘是向前還是向后運行，這也是可以接受的。

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

無論物理學的其他方面多么混亂，多少理論被推翻，CPT對稱性始終是他們緊緊抓住的最后一根救命稻草。畢竟，誰愿意承認自己幾十年來堅持的理論可能是錯的呢？