宇宙是“左撇子”？时间其实是不对称的

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在我们的认知中，时间只会朝着向前的单一方向流逝。时钟从不倒退，打碎的玻璃不会自动复原，混合后的冷热水也不会自动分开。然而，支配宇宙运转的物理定律，无论是牛顿运动定律，或者是相对论，还是量子力学，它们在时间向前和向后流逝的情况下是完全相同的。

这对应于自然的某种对称性：T-对称性，或称时间反转不变性、时间反演对称性。日常经验强烈地告诉我们，物理定律一定违反了这种对称性。但几十年来，物理学家无法证明这一点。直到几年前，物理学家通过实验证明，物理定律在不同时间方向上并非一致。

时间反演对称性

想象一下，如果有一个站在比萨斜塔上，另一个人站在塔底。从上面看，如果把一个小球扔出去，很容易就能预测它会落在底部的什么地方。另一方面，如果站在塔底的人以与刚刚落地的小球相等且相反的速度向上抛出去，那么，小球将恰好到达塔顶的人此前所抛球的位置。

这是一种时间反演对称性成立的情况，T-对称性没有被打破。时间反转可以想象成是运动反转，如果规则是一样的，无论时间是向前或向后流逝，T-对称性都是成立的。然而，如果时钟向前和向后运行的规则并不相同，则T-对称性会被打破。

迄今为止，存在两个非常有力但间接的证据表明，T-对称性必定在某种深层的、基本的层面上被打破，宇宙是“左撇子”。第一个证据是一个已证明的定理——CPT定理。如果量子场论遵循相对论规则，即是洛伦兹不变量，这一理论必定会表现出CPT-对称性，这意味着它在电荷（C）、宇称（P）和时间（T）同时被反转之后仍然保持不变。

CPT定理

CPT定理表明，所有三个对称的组合必须始终保持一致。换言之，一个在时间上向前运动的自旋粒子与它的反粒子（自旋方向相反）在时间上向后运动必定遵守相同的规则。如果C-对称破缺，那么PT-对称也必定破缺，以保持组合守恒。由于CP-对称破缺已经被观察到（1964年），所以物理学家知道T-对称性也必然破缺。

第二个证据，我们生活在一个物质多于反物质的宇宙中。但物理学家知道，物理定律在物质和反物质之间是完全对称的。

诚然，在这种不对称现象之外一定还有其他的物理学。但对于可能导致这种不对称现象的新物理学，有着明显的限制。原子物理学家安德烈·萨哈罗夫在1967年阐明了这些观点，他指出：宇宙一定处于不平衡状态；而且必定发生违反重子数的相互作用；C-对称和CP-对称都必定存在破缺。

即使至今仍然没有直接观测到违反CP的相互作用，但物理学家知道，为了创造出我们现在所生活的宇宙，它们必然会发生。由于CP-对称破缺，必然会导致T-对称破缺，所以T-对称性并不总是成立。

如何用实验直接证实T-对称破缺？

虽然有两大有力证据表明T-对称破缺，但它们都是间接证据，不足以说明问题。这就像广义相对论预言的引力波、黑洞，标准模型预言的希格斯玻色子，它们的存在都有间接证据，但它们最终都被实验直接证实，这样才能使结论变得无懈可击。

然而，为了直接通过实验证实T-对称破缺极其困难。这是因为在现实世界中，时间只会向前这一单个方向流逝，并不会反过来，所以这需要一些极富创造性的思维。

这个实验需要涉及到量子纠缠。如果有两个相互纠缠的量子粒子，我们可以知道它们的综合性质，但是它们各自的性质在测量之前是不确定的。测量一个纠缠粒子的量子态，就能瞬间知道另一个纠缠粒子的信息。

在实验中，光子、电子等稳定粒子通常会被用于制备纠缠粒子对。然而，只有一种物理过程会发生CP破缺——通过弱核相互作用的衰变。事实上，这种直接类型的CP破缺早在1999年就被观测到。根据CPT定理，T-对称破缺一定会发生。

因此，如果想要测试时间反转对称性的直接违背，必须在T-对称破缺发生的地方创造粒子，这意味着要么创造重子，要么创造介子（不稳定的复合粒子），它们能通过弱相互作用衰变。量子非决定论和弱相互作用衰变的这两个性质，可以用来设计测试T-对称直接破缺所需的精确实验。

关键的Υ粒子

直到最近几年，物理学家才提出直接测试T-对称破缺的方法，因为产生大量含有底夸克（b）粒子的技术在最近几年才出现。Υ粒子中包含底夸克，因为它实际上是由一个底夸克和反底夸克组成的介子。

就像大多数复合粒子一样，Υ粒子可以存在许多不同的能态和构型，正如氢原子表现出电子所处各种可能的能态一样。特别是4s能级具有一些特殊的性质，这是直接观测T-对称破缺的最佳选择。

原因在于当一个Υ粒子（4s）被制造出来时，它有48%的概率会衰变成一个中性的B介子（由一个下夸克和一个反底夸克组成）和中性的反B介子（由一个底夸克和一个反下夸克组成）。在正负电子对撞机中，物理学家可以自由调整碰撞能量，以此来创造一个Υ粒子（4s），该过程将会产生大量的B介子和反B介子。

无论是B介子还是反B介子，都会以几种可能的方式衰变，结果会产生不同的粒子：（1）粲-反粲粒子和长寿的K介子；（2）粲-反粲粒子和短寿的K介子；（3）带电轻子和其他粒子。

这里引起了物理学家的注意，因为第一个衰变有一个已知的CP值，第二个衰变有一个与第一个相反的CP值，第三个衰变通过轻子上电荷的符号，可以确定它是B衰变还是反B衰变。

当B/反B介子对中的一个衰变成粲-反粲粒子和K介子，另一个衰变成轻子，这使物理学家有机会进行T-对称破缺测试。因为B介子和反B介子都是不稳定的，它们的衰变时间只能根据它们的半衰期来确定——衰变不会同时发生，而是在具有已知概率的随机时刻发生。

接下来，物理学家需要进行一下测试：（1）如果第一个介子衰变成带正电荷的轻子，随之就能知道第二个介子一定是反B粒子；（2）然后，测量反B粒子的衰变，看看它们中有多少会衰变成一个短寿的K介子；（3）接着，寻找衰减顺序颠倒、初始状态和最终状态交换的事件，即其中第一个介子衰变为长寿的K介子，另一个介子衰变为带负电荷的轻子。

这是对时间反转违背的直接测试。如果两个事件速率不相等，这就表明T-对称破缺。

在2012年的实验中，物理学家创造了超过4亿个Υ粒子（4s）用于检测T-对称破缺，这是目前唯一一次直接测试T-对称性是否守恒或者破缺。正如预期的那样，弱相互作用违反了T-对称性，证明了物理定律在时间向前和向后流逝的情况下并不相同。

但由于同年更重要的物理学发现——希格斯玻色子的发现，掩盖了T-对称破缺实验的光芒。尽管如此，7年前的T-对称破缺实验也是有望获得诺布尔物理学奖。


本文选自：今日头条

JczaEZNv

这么说都有很多误差那也是很正常的，有些新的记忆似乎好像差不多可能大概应该以前有过，实则没有，归根结底有人总结成“曼德拉效应”。

inmyhome

每当心情失落，工作劳累，我就看这不懂的文章，一下就感觉自己神一样的存在，周围都是原子，投影的虚幻的东西！

lzwdj

这意味着还有暗时间的存在吗？