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從亞里士多德到牛頓，從龐加萊到愛因斯坦，縱觀歷史，空間和時(shí)間的概念發(fā)生過許多次顛覆性的轉(zhuǎn)變。在我們目前對(duì)自然的理解中，空間和時(shí)間形成了一個(gè)被稱為時(shí)空的四維實(shí)體。這個(gè)實(shí)體在整個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域起著關(guān)鍵的作用：它要么作為一個(gè)被動(dòng)的旁觀者，為物理過程的發(fā)生提供場(chǎng)所；要么作為一個(gè)積極的參與者，正如愛因斯坦的廣義相對(duì)論所描述的引力。

自愛因斯坦提出狹義相對(duì)論（1905年），以及貝爾、勒德和泡利證明CPT定理以來，我們就開始意識(shí)到洛倫茲對(duì)稱性和CPT對(duì)稱性是時(shí)空基本結(jié)構(gòu)的基石。

洛倫茲對(duì)稱性保證了所有慣性觀察者所觀察到的物理現(xiàn)象都是一樣的，這一對(duì)稱性的一個(gè)眾所周知的結(jié)果便是，無論你是一個(gè)在太空中旅行的宇航員還是在血液里的分子，你所觀察到的光速總是保持不變的。

CPT定理則告訴我們物理定律在電荷共軛（C）、宇稱反轉(zhuǎn)（P）和時(shí)間逆轉(zhuǎn)（T）的聯(lián)合變換下保持不變。根據(jù)這個(gè)定理，一個(gè)充滿反物質(zhì)且時(shí)間倒流的鏡像宇宙，將具有與我們這個(gè)宇宙相同的物理學(xué)定律。

這些緊緊交織的對(duì)稱性確保了時(shí)空為所有物理系統(tǒng)提供了一個(gè)公平的競(jìng)技場(chǎng)，無論物理系統(tǒng)的空間方向、速度為何，也無論它們是由物質(zhì)還是反物質(zhì)組成。

洛倫茲和CPT不變性都經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)，但在過去的三十年里，人們開始重新審視它們是否是完全對(duì)稱的。如果我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了哪怕是任何輕微違反這兩種對(duì)稱性的跡象，那么就將改變我們對(duì)空間和時(shí)間的理解，并迫使我們?nèi)バ拚?/span>廣義相對(duì)論和粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型（描述了除引力的其他三種基本力）。

近年來，有幾個(gè)方面的考量激發(fā)了物理學(xué)家對(duì)檢驗(yàn)洛倫茲不變性和CPT不變性的極大熱情。一個(gè)是為何早期宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)會(huì)發(fā)生輕微不對(duì)稱，這是標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋的；另一個(gè)源自于歷史上兩個(gè)最成功的物理學(xué)概念的結(jié)合——統(tǒng)一和對(duì)稱性破缺。為了將量子理論與引力統(tǒng)一成所謂的量子引力理論，物理學(xué)家提出了許多不同的理論，這些理論預(yù)言了在極端的尺度下，洛倫茲對(duì)稱性和CPT對(duì)稱性會(huì)被打破。例如，一些理論預(yù)測(cè)高能粒子可能會(huì)沿著某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)得更快或更慢些。

上世紀(jì)90年代，Alan Kostelecky提出的標(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)展（SME）是一個(gè)重要的里程碑。SME是一個(gè)通用的理論框架，它不僅包含了標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對(duì)論，還包含了所有可能破壞洛倫茲和CPT對(duì)稱性的項(xiàng)。它可以表示為一個(gè)拉格朗日量（L）：

在拉格朗日量中，每個(gè)違反洛倫茲的項(xiàng)都有一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)決定了效應(yīng)的大小，是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的目標(biāo)（當(dāng)對(duì)稱性未被打破時(shí)，系數(shù)為零）。SME預(yù)測(cè)了中微子、引力、介子振蕩、宇宙射線、原子光譜、反物質(zhì)、彭寧陷阱和對(duì)撞機(jī)物理等系統(tǒng)中的對(duì)稱性破缺效應(yīng)。對(duì)自由粒子來說，洛倫茲破缺和CPT破缺會(huì)導(dǎo)致可觀測(cè)量的觀測(cè)結(jié)果依賴于粒子動(dòng)量的方向和大小，粒子的自旋，以及研究的是粒子還是反粒子。對(duì)于像原子和原子核這樣的束縛態(tài)系統(tǒng)，能譜取決于它的方向和速度，并且有可能有別于相應(yīng)的反物質(zhì)系統(tǒng)。

SME具有一個(gè)乍看之下可能很奇怪的特性：CPT破缺總是伴隨著洛倫茲不變性的破壞。而另一方面，洛倫茲破缺卻并不意味著CPT破缺。

CPT的破缺會(huì)伴隨著洛倫茲破缺一事是具有深刻實(shí)驗(yàn)意義的，它意味著CPT檢驗(yàn)不一定同時(shí)涉與物質(zhì)和反物質(zhì)有關(guān)：假設(shè)的CPT破缺也可以僅通過在物質(zhì)中的洛倫茲破缺得到檢測(cè)。但這一特性是有代價(jià)的：相應(yīng)的洛倫茲?rùn)z驗(yàn)通常無法分辨出CPT-偶信號(hào)和CPT-奇信號(hào)，更糟的是，它們甚至可能完全對(duì)這些信號(hào)視若無睹。

反物質(zhì)實(shí)驗(yàn)會(huì)徹底掃清這些擔(dān)憂。歐洲核子研究中心（CERN）是世界上唯一擁有反質(zhì)子源的實(shí)驗(yàn)室，它所擁有的冷反質(zhì)子為檢驗(yàn)CPT開辟了一條前所未有的道路。事實(shí)上，CERN有六個(gè)（ALPHA、ASACUSA、ATRAP、BASE、AEGIS、GBAR）獨(dú)立的反質(zhì)子實(shí)驗(yàn)，它們都具有對(duì)SME系數(shù)空間的不同區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立的極限設(shè)置潛力。

可以由ALPHA、ASACUSA和ATRAP這些實(shí)驗(yàn)獨(dú)立進(jìn)行的一項(xiàng)令人興奮的CPT檢驗(yàn)，就是產(chǎn)生反氫原子（由一個(gè)反質(zhì)子和一個(gè)正電子組成的原子），并將它的光譜與普通氫原子進(jìn)行比較。

AEGIS實(shí)驗(yàn)和GBAR實(shí)驗(yàn)通過讓反氫原子在地球的引力場(chǎng)中墜落，來研究反物質(zhì)的引力相互作用。這些實(shí)驗(yàn)在一些細(xì)節(jié)的設(shè)置上有所不同，但它們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都能為反物質(zhì)與引力之間的耦合提供其他實(shí)驗(yàn)無法獲得的SME系數(shù)限制。

第三種有趣的CPT檢驗(yàn)是基于粒子與其反粒子的相同物理性質(zhì)進(jìn)行的，這種等同性是由CPT不變性確保的。ATRAP和BASE實(shí)驗(yàn)一直倡導(dǎo)在低溫彭寧阱（該阱是一個(gè)復(fù)雜的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的陣列）中對(duì)質(zhì)子和反質(zhì)子進(jìn)行這樣的比較。在CERN進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)獲得過一些令人嘆為觀止的電荷質(zhì)量比和g因子測(cè)量結(jié)果，這些測(cè)量能為SME的系數(shù)提供清晰的界限。

除了在CERN進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)之外，還有許多越來越精確的實(shí)驗(yàn)都在試圖檢驗(yàn)CPT和洛倫茲對(duì)稱性。例如：

• 物理學(xué)家曾分析了44年來月球激光測(cè)距（LLR）實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)以檢驗(yàn)時(shí)空的基本對(duì)稱性。LLR使用了激光雷達(dá)測(cè)量地球和月球之間的距離。激光來回傳播的時(shí)間會(huì)被多項(xiàng)因素所影響，如天空中月球的位置、天氣、潮汐，以及相對(duì)論效應(yīng)——這對(duì)檢驗(yàn)洛倫茲不變性非常重要。全面完整的分析使研究人員可以對(duì)SME的系數(shù)做出強(qiáng)有力的限制。

• 德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的物理學(xué)家曾用兩個(gè)被牢牢固定在實(shí)驗(yàn)室里的鐿離子原子鐘進(jìn)行了長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)。如果鐿離子中的電子速度與空間方向有關(guān)，那么兩個(gè)原子鐘就會(huì)出現(xiàn)頻率差異，而且這種差異會(huì)隨著地球的自轉(zhuǎn)呈周期性地出現(xiàn)。

• 位于南極的冰立方中微子天文臺(tái)的科學(xué)家則在中微子身上尋找洛倫茲破缺的證據(jù)。在一個(gè)洛倫茲對(duì)稱性可以被打破的宇宙中，中微子從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型時(shí)，跟標(biāo)準(zhǔn)中微子振蕩會(huì)有所偏離。

然而，所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指向了一個(gè)結(jié)果：沒有發(fā)現(xiàn)任何CPT和洛倫茲不變性被打破的跡象。一些理論預(yù)言我們正在逐漸逼近極限，但到目前為止，時(shí)空的基本對(duì)稱性仍然是絕對(duì)有效的。