时空基本结构的基石

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　　从亚里士多德到牛顿，从庞加莱到爱因斯坦，纵观历史，空间和时间的概念发生过许多次颠覆性的转变。在我们目前对自然的理解中，空间和时间形成了一个被称为时空的四维实体。这个实体在整个物理学领域起着关键的作用：它要么作为一个被动的旁观者，为物理过程的发生提供场所；要么作为一个积极的参与者，正如爱因斯坦的广义相对论所描述的引力。

　　自爱因斯坦提出狭义相对论（1905 年），以及贝尔、勒德和泡利证明CPT 定理以来，我们就开始意识到洛伦兹对称性和CPT 对称性是时空基本结构的基石。

　　洛伦兹对称性保证了所有惯性观察者所观察到的物理现象都是一样的，这一对称性的一个众所周知的结果便是，无论你是一个在太空中旅行的宇航员还是在血液里的分子，你所观察到的光速总是保持不变的。

　　CPT 定理则告诉我们物理定律在电荷共轭（C）、宇称反转（P）和时间逆转（T）的联合变换下保持不变。根据这个定理，一个充满反物质且时间倒流的镜像宇宙，将具有与我们这个宇宙相同的物理学定律。

　　这些紧紧交织的对称性确保了时空为所有物理系统提供了一个公平的竞技场，无论物理系统的空间方向、速度为何，也无论它们是由物质还是反物质组成。

　　洛伦兹和 CPT 不变性都经受住了时间的考验，但在过去的三十年里，人们开始重新审视它们是否是完全对称的。如果我们在实验室中发现了哪怕是任何轻微违反这两种对称性的迹象，那么就将改变我们对空间和时间的理解，并迫使我们去修正广义相对论和粒子物理学的标准模型（描述了除引力的其他三种基本力）。

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　　近年来，有几个方面的考量激发了物理学家对检验洛伦兹不变性和 CPT 不变性的极大热情。一个是为何早期宇宙中的物质和反物质会发生轻微不对称，这是标准模型无法解释的；另一个源自于历史上两个最成功的物理学概念的结合——统一和对称性破缺。为了将量子理论与引力统一成所谓的量子引力理论，物理学家提出了许多不同的理论，这些理论预言了在极端的尺度下，洛伦兹对称性和 CPT 对称性会被打破。例如，一些理论预测高能粒子可能会沿着某个方向运动得更快或更慢些。

　　上世纪 90 年代，Alan Kostelecký提出的标准模型扩展（SME）是一个重要的里程碑。SME 是一个通用的理论框架，它不仅包含了标准模型和广义相对论，还包含了所有可能破坏洛伦兹和 CPT 对称性的项。它可以表示为一个拉格朗日量（L）：

　　在拉格朗日量中，每个违反洛伦兹的项都有一个系数，这个系数决定了效应的大小，是实验测量的目标（当对称性未被打破时，系数为零）。SME 预测了中微子、引力、介子振荡、宇宙射线、原子光谱、反物质、彭宁陷阱和对撞机物理等系统中的对称性破缺效应。对自由粒子来说，洛伦兹破缺和 CPT 破缺会导致可观测量的观测结果依赖于粒子动量的方向和大小，粒子的自旋，以及研究的是粒子还是反粒子。对于像原子和原子核这样的束缚态系统，能谱取决于它的方向和速度，并且有可能有别于相应的反物质系统。

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　　SME 具有一个乍看之下可能很奇怪的特性：CPT 破缺总是伴随着洛伦兹不变性的破坏。而另一方面，洛伦兹破缺却并不意味着 CPT 破缺。

　　CPT 的破缺会伴随着洛伦兹破缺一事是具有深刻实验意义的，它意味着 CPT 检验不一定同时涉与物质和反物质有关：假设的 CPT 破缺也可以仅通过在物质中的洛伦兹破缺得到检测。但这一特性是有代价的：相应的洛伦兹检验通常无法分辨出 CPT-偶信号和 CPT-奇信号，更糟的是，它们甚至可能完全对这些信号视若无睹。

　　反物质实验会彻底扫清这些担忧。欧洲核子研究中心（CERN）是世界上唯一拥有反质子源的实验室，它所拥有的冷反质子为检验 CPT 开辟了一条前所未有的道路。事实上，CERN 有六个（ALPHA、ASACUSA、ATRAP、BASE、AEGIS、GBAR）独立的反质子实验，它们都具有对 SME 系数空间的不同区域进行独立的极限设置潜力。

　　可以由 ALPHA、ASACUSA 和 ATRAP 这些实验独立进行的一项令人兴奋的 CPT 检验，就是产生反氢原子（由一个反质子和一个正电子组成的原子），并将它的光谱与普通氢原子进行比较。

　　AEGIS 实验和 GBAR 实验通过让反氢原子在地球的引力场中坠落，来研究反物质的引力相互作用。这些实验在一些细节的设置上有所不同，但它们的实验结果都能为反物质与引力之间的耦合提供其他实验无法获得的 SME 系数限制。

　　第三种有趣的 CPT 检验是基于粒子与其反粒子的相同物理性质进行的，这种等同性是由 CPT 不变性确保的。ATRAP 和 BASE 实验一直倡导在低温彭宁阱（该阱是一个复杂的电场和磁场的阵列）中对质子和反质子进行这样的比较。在 CERN 进行的实验获得过一些令人叹为观止的电荷质量比和g因子测量结果，这些测量能为 SME 的系数提供清晰的界限。

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　　除了在 CERN 进行的实验之外，还有许多越来越精确的实验都在试图检验 CPT 和洛伦兹对称性。例如：

• 物理学家曾分析了 44 年来月球激光测距（LLR）实验的数据以检验时空的基本对称性。LLR 使用了激光雷达测量地球和月球之间的距离。激光来回传播的时间会被多项因素所影响，如天空中月球的位置、天气、潮汐，以及相对论效应——这对检验洛伦兹不变性非常重要。全面完整的分析使研究人员可以对 SME 的系数做出强有力的限制。
• 德国联邦物理技术研究院（PTB）的物理学家曾用两个被牢牢固定在实验室里的镱离子原子钟进行了长期实验。如果镱离子中的电子速度与空间方向有关，那么两个原子钟就会出现频率差异，而且这种差异会随着地球的自转呈周期性地出现。
• 位于南极的冰立方中微子天文台的科学家则在中微子身上寻找洛伦兹破缺的证据。在一个洛伦兹对称性可以被打破的宇宙中，中微子从一种类型转变成另一种类型时，跟标准中微子振荡会有所偏离。

　　然而，所有的实验结果指向了一个结果：没有发现任何 CPT 和洛伦兹不变性被打破的迹象。一些理论预言我们正在逐渐逼近极限，但到目前为止，时空的基本对称性仍然是绝对有效的。