在時間向前或“倒回”時，物理定律是相同的嗎？如何驗證？

在我們的認知中，時間只會朝著向前的單一方向流逝。時鐘從不倒退，打碎的玻璃不會自動複原，混合後的冷熱水也不會自動分開。然而，支配宇宙運轉的物理定律，無論是牛頓運動定律，或者是相對論，還是量子力學，它們在時間向前和向後流逝的情況下是完全相同的。

這對應於自然的某種對稱性：T-對稱性，或稱時間反轉不變性、時間反演對稱性。日常經驗強烈地告訴我們，物理定律一定違反了這種對稱性。但幾十年來，物理學家無法證明這一點。直到幾年前，物理學家通過實驗證明，物理定律在不同時間方向上並非一致。

時間反演對稱性

想象一下，如果有一個站在比薩斜塔上，另一個人站在塔底。從上面看，如果把一個小球扔出去，很容易就能預測它會落在底部的什麽地方。另一方面，如果站在塔底的人以與剛剛落地的小球相等且相反的速度向上拋出去，那麽，小球將恰好到達塔頂的人此前所拋球的位置。

這是一種時間反演對稱性成立的情況，T-對稱性沒有被打破。時間反轉可以想象成是運動反轉，如果規則是一樣的，無論時間是向前或向後流逝，T-對稱性都是成立的。然而，如果時鐘向前和向後運行的規則並不相同，則T-對稱性會被打破。

迄今為止，存在兩個非常有力但間接的證據表明，T-對稱性必定在某種深層的、基本的層面上被打破，宇宙是“左撇子”。第一個證據是一個已證明的定理——CPT定理。如果量子場論遵循相對論規則，即是洛倫茲不變量，這一理論必定會表現出CPT-對稱性，這意味著它在電荷（C）、宇稱（P）和時間（T）同時被反轉之後仍然保持不變。

CPT定理

CPT定理表明，所有三個對稱的組合必須始終保持一致。換言之，一個在時間上向前運動的自旋粒子與它的反粒子（自旋方向相反）在時間上向後運動必定遵守相同的規則。如果C-對稱破缺，那麽PT-對稱也必定破缺，以保持組合守恆。由於CP-對稱破缺已經被觀察到（1964年），所以物理學家知道T-對稱性也必然破缺。

第二個證據，我們生活在一個物質多於反物質的宇宙中。但物理學家知道，物理定律在物質和反物質之間是完全對稱的。

誠然，在這種不對稱現象之外一定還有其他的物理學。但對於可能導致這種不對稱現象的新物理學，有著明顯的限制。原子物理學家安德烈·薩哈羅夫在1967年闡明了這些觀點，他指出：宇宙一定處於不平衡狀態；而且必定發生違反重子數的相互作用；C-對稱和CP-對稱都必定存在破缺。

即使至今仍然沒有直接觀測到違反CP的相互作用，但物理學家知道，為了創造出我們現在所生活的宇宙，它們必然會發生。由於CP-對稱破缺，必然會導致T-對稱破缺，所以T-對稱性並不總是成立。

如何用實驗直接證實T-對稱破缺？

雖然有兩大有力證據表明T-對稱破缺，但它們都是間接證據，不足以說明問題。這就像廣義相對論預言的引力波、黑洞，標準模型預言的希格斯玻色子，它們的存在都有間接證據，但它們最終都被實驗直接證實，這樣才能使結論變得無懈可擊。

然而，為了直接通過實驗證實T-對稱破缺極其困難。這是因為在現實世界中，時間只會向前這一單個方向流逝，並不會反過來，所以這需要一些極富創造性的思維。

這個實驗需要涉及到量子糾纏。如果有兩個相互糾纏的量子粒子，我們可以知道它們的綜合性質，但是它們各自的性質在測量之前是不確定的。測量一個糾纏粒子的量子態，就能瞬間知道另一個糾纏粒子的信息。

在實驗中，光子、電子等穩定粒子通常會被用於製備糾纏粒子對。然而，只有一種物理過程會發生CP破缺——通過弱核相互作用的衰變。事實上，這種直接類型的CP破缺早在1999年就被觀測到。根據CPT定理，T-對稱破缺一定會發生。

因此，如果想要測試時間反轉對稱性的直接違背，必須在T-對稱破缺發生的地方創造粒子，這意味著要麽創造重子，要麽創造介子（不穩定的複合粒子），它們能通過弱相互作用衰變。量子非決定論和弱相互作用衰變的這兩個性質，可以用來設計測試T-對稱直接破缺所需的精確實驗。

關鍵的Υ粒子

直到最近幾年，物理學家才提出直接測試T-對稱破缺的方法，因為產生大量含有底誇克（b）粒子的技術在最近幾年才出現。Υ粒子中包含底誇克，因為它實際上是由一個底誇克和反底誇克組成的介子。

就像大多數複合粒子一樣，Υ粒子可以存在許多不同的能態和構型，正如氫原子表現出電子所處各種可能的能態一樣。特別是4s能級具有一些特殊的性質，這是直接觀測T-對稱破缺的最佳選擇。

原因在於當一個Υ粒子（4s）被製造出來時，它有48%的概率會衰變成一個中性的B介子（由一個下誇克和一個反底誇克組成）和中性的反B介子（由一個底誇克和一個反下誇克組成）。在正負電子對撞機中，物理學家可以自由調整碰撞能量，以此來創造一個Υ粒子（4s），該過程將會產生大量的B介子和反B介子。

無論是B介子還是反B介子，都會以幾種可能的方式衰變，結果會產生不同的粒子：（1）粲-反粲粒子和長壽的K介子；（2）粲-反粲粒子和短壽的K介子；（3）帶電輕子和其他粒子。

這裡引起了物理學家的注意，因為第一個衰變有一個已知的CP值，第二個衰變有一個與第一個相反的CP值，第三個衰變通過輕子上電荷的符號，可以確定它是B衰變還是反B衰變。

當B/反B介子對中的一個衰變成粲-反粲粒子和K介子，另一個衰變成輕子，這使物理學家有機會進行T-對稱破缺測試。因為B介子和反B介子都是不穩定的，它們的衰變時間只能根據它們的半衰期來確定——衰變不會同時發生，而是在具有已知概率的隨機時刻發生。

接下來，物理學家需要進行一下測試：（1）如果第一個介子衰變成帶正電荷的輕子，隨之就能知道第二個介子一定是反B粒子；（2）然後，測量反B粒子的衰變，看看它們中有多少會衰變成一個短壽的K介子；（3）接著，尋找衰減順序顛倒、初始狀態和最終狀態交換的事件，即其中第一個介子衰變為長壽的K介子，另一個介子衰變為帶負電荷的輕子。

這是對時間反轉違背的直接測試。如果兩個事件速率不相等，這就表明T-對稱破缺。

在2012年的實驗中，物理學家創造了超過4億個Υ粒子（4s）用於檢測T-對稱破缺，這是目前唯一一次直接測試T-對稱性是否守恆或者破缺。正如預期的那樣，弱相互作用違反了T-對稱性，證明了物理定律在時間向前和向後流逝的情況下並不相同。

但由於同年更重要的物理學發現——希格斯玻色子的發現，掩蓋了T-對稱破缺實驗的光芒。儘管如此，7年前的T-對稱破缺實驗也是有望獲得諾布爾物理學獎。