物理學的最終目標是盡可能準確地描述我們宇宙中存在的每個物理系統(tǒng)的行為。物理學定律需要普遍適用：相同的規(guī)則必須始終適用于所有位置的所有粒子和場。它們必須足夠好，以便無論存在什么條件或進行什么實驗，我們的理論預測都與測得的結果相匹配。

• 圖注：BaBar協(xié)作所使用的系統(tǒng)設置，用于直接探查時間反轉對稱性違規(guī)。γ（4s）粒子被創(chuàng)建，它衰減為兩個介子（可以是B /反B組合），然后這些B和反B介子都將衰減。如果物理定律不是時間反轉不變的，則按特定順序的不同衰減將表現(xiàn)出不同的特性。 這在2012年首次得到確認：第一次直接違反T對稱性

最成功的物理理論是描述了粒子之間發(fā)生的每個基本相互作用的量子場論，以及描述時空和引力的廣義相對論。但是，有一種基本對稱性不僅適用于所有這些物理定律，而且適用于所有物理現(xiàn)象：CPT對稱性。 近70年來，我們知道這個定理，它禁止我們違反它。

• 圖注：字母表中有許多字母表現(xiàn)出特殊的對稱性。注意，這里顯示的大寫字母只有一行對稱；像“I”或“O”這樣的字母有多行對稱。這種稱為宇稱（或P對稱）的“鏡像”對稱性已被證實適用于所有被測試的強、電磁和引力相互作用。然而，弱相互作用提供了違反宇稱的可能性。這一發(fā)現(xiàn)和證實值得1957年諾貝爾物理學獎。

對于我們大多數(shù)人來說，當我們聽到“對稱”一詞時，我們會考慮將其反射到鏡子中。我們字母表中的某些字母表現(xiàn)出這種對稱性：“ A”和“ T”是垂直對稱的，而“ B”和“ E”是水平對稱的。 “ O”關于您繪制的任何線都是對稱的，并且具有旋轉對稱性：無論如何旋轉，其外觀都不會改變。

但是，還有其他種類的對稱性。如果您有一條水平線并且在水平方向上移動，那么它將保持相同的水平線：這就是平移對稱性。如果您在火車車廂內，并且無論火車處于靜止狀態(tài)還是在軌道上快速移動，所執(zhí)行的實驗都會得出相同的結果，這是在加速（或速度轉換）下的對稱性。有些對稱總是在我們的物理定律下成立，而另一些對稱只有在滿足某些條件的情況下才有效。

• 圖注：如果一個理論不是相對論不變的，那么不同的參照系，包括不同的位置和運動，就會看到不同的物理定律（并且在現(xiàn)實中會不一致）。 我們在“加速”或速度變換下具有對稱性這一事實告訴我們，我們有一個守恒的量：線性動量。 理論在任何形式的坐標或速度變換下都不變的事實稱為洛倫茲不變性，任何洛倫茲不變對稱性都可以保持CPT對稱性。然而，C、P和T（以及CP、CT和PT的組合）都可能被單獨違反。

如果我們想降到一個基本的水平，并考慮構成我們在宇宙中所知的所有事物的最小不可分割的粒子，我們將研究標準模型的粒子。由費米子（夸克和輕子）和玻色子（膠子，光子，W和Z玻色子以及希格斯）組成，這些粒子組成了我們所知道的構成物質和輻射的所有粒子，我們直接在宇宙中進行了實驗。

我們可以計算任何配置中的任何粒子之間的力，并確定它們如何隨著時間移動、相互作用和演化。我們可以觀察物質粒子在與反物質粒子相同的條件下的行為，并確定它們在哪里相同和在哪里不同。我們可以執(zhí)行與其他實驗相對應的實驗，并記錄結果。這三種方法都檢驗了各種對稱性的有效性。

• 圖注：標準模型的粒子和反粒子遵守各種守恒定律，但是某些粒子/反粒子對的行為之間存在細微差異，這可能暗示了重生的起源。 夸克和輕子是費米子的例子，而玻色子（下排）介導力，是由于質量起源而產(chǎn)生的。

在物理學中，這三個基本對稱性都有名稱。

1. 電荷共軛(C)：這種對稱性涉及用反物質對應物替換系統(tǒng)中的每個粒子。之所以稱為電荷共軛，是因為每個帶電粒子對其對應的反粒子都有相反的電荷（例如，電荷或色電荷）。
2. 奇偶性（P)：這種對稱性涉及用其鏡像副本替換每個粒子，相互作用和衰變。
3. 時間反轉對稱性（T)：這種對稱性要求影響粒子相互作用的物理定律，無論你在時間上向前運行還是向后運行時鐘，其運行方式完全相同。

我們習慣于分別服從這三個對稱性的大多數(shù)力和相互作用。如果您將球扔到地球的引力場中，它形成了一個類似拋物線的形狀，則用反粒子（C）替換粒子并不重要，如果您將拋物線反射到鏡子中也沒關系（否P），向前或向后運行時鐘（T）都沒有關系，只要您忽略諸如空氣阻力和與地面的任何（非彈性）碰撞之類的事情。

• 圖注：在粒子/反粒子之間或粒子的鏡像之間，或兩者結合的情況下，自然界是不對稱的。在發(fā)現(xiàn)明顯違反鏡像對稱性的中微子之前，弱衰變粒子提供了識別P對稱性違反的唯一可能途徑。

但是單個粒子不能完全服從所有這些。一些粒子從根本上不同于其反粒子，這違反了C對稱性。中微子總是在運動中觀察到并且接近光速。如果您將左拇指指向它們的移動方向，它們總是以左手手指繞中微子的方向“旋轉”，而反中微子總是以同樣的方式“右手定則”。有些衰變違背了宇稱

某些衰變會違反平價。 如果您有一個不穩(wěn)定的粒子在一個方向上旋轉然后衰減，那么它的衰變產(chǎn)物可以與旋轉方向對齊，也可以與旋轉方向相反。 如果不穩(wěn)定粒子表現(xiàn)出比其衰減更好的方向性，則鏡像衰減將呈現(xiàn)相反的方向性，從而違反了P對稱性。如果你用反粒子替換鏡子中的粒子，你就是在測試這兩種對稱性的組合：CP對稱性。

• 圖注：正常介子繞其北極逆時針旋轉，然后隨著電子沿北極方向發(fā)射而衰變。應用C對稱性將粒子替換為反粒子，這意味著我們應該有一個反子通過在北方向發(fā)射一個正電子，圍繞其北極衰變逆時針旋轉。類似地，P對稱翻轉我們在鏡子中看到的東西。如果粒子和反粒子在C、P或CP對稱下的行為不完全相同，則稱該對稱性被破壞。到目前為止，只有弱相互作用違反了這三個原則中的任何一個，但在其他領域，也有可能違反了我們目前的標準。

在1950年代和1960年代，進行了一系列實驗，分別測試了這些對稱性以及它們在引力、電磁力、強和弱核力下的性能。也許令人驚訝的是，弱相互作用分別違反了C、P和T對稱性，以及它們中任意兩個的組合（CP，PT和CT）。

但是，所有基本相互作用（每個相互作用）始終服從所有這三種對稱性的組合：CPT對稱性。 CPT對稱性說，任何由粒子組成的，隨時間向前移動的物理系統(tǒng)都將遵循與由反粒子組成的，由鏡子反射并隨時間向后移動的相同物理系統(tǒng)相同的規(guī)律。它是一種在基本層面上觀察到的、精確的自然對稱性，它應該適用于所有物理現(xiàn)象，甚至是我們尚未發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

• 圖注：CPT不變性的最嚴格測試已在介子，輕子和重子狀粒子上進行。 從這些不同的渠道來看，CPT對稱性在所有這些方面的精度均優(yōu)于十億分之一（十億分之一），而介子通道在10 ^ 18中的精度達到了近1倍。

在實驗方面，粒子物理實驗已經(jīng)進行了數(shù)十年，以尋找違反CPT對稱性的行為。為了使精確度明顯高于十億分之一（十億分之一），CPT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(tǒng)中具有良好的對稱性。 沒有一個實驗可以觀察到CPT對稱性的不一致，這對于標準模型來說是一件好事。

從理論的角度來看，這也是一個重要的考慮因素，因為有一個CPT定理要求不能將對稱性組合在一起使用。 盡管它是由朱利安·史溫格（Julian Schwinger）于1951年首次證明的，但由于必須在我們的宇宙中保持CPT對稱性，因此產(chǎn)生了許多令人著迷的結果。

• 圖注：我們可以想象有一個適用于我們相同規(guī)則的鏡像宇宙。 如果上圖所示的紅色大粒子是一個方向，其動量在一個方向上定向，并且它通過強，電磁或弱相互作用而衰減（白色指示劑），則當它們運動時會產(chǎn)生“子”粒子，即 與其反粒子的鏡像過程相同，其動量反轉（即，時間向后移動）。 如果在所有三個（C，P和T）對稱性下的鏡面反射的行為都與我們宇宙中的粒子相同，則CPT對稱性是守恒的。

首先是我們所知的宇宙與反宇宙的特定化身沒有區(qū)別。如果要更改：

• 每個粒子的位置到對應于通過點反射（P反轉）的位置，
• 每個粒子都被其反物質對應物取代（C反轉），
• 每個粒子的動量從其當前值以相同的幅度和相反的方向反轉（T反轉），

然后，反宇宙將按照與我們自己的宇宙完全相同的物理定律發(fā)展。

另一個后果是，如果 CPT 的組合成立，那么每次違反 CPT（C、P 或 T）時，都必須對應于其他兩個組合（分別為 PT、CT 或 CP）的等效違反，以便保護 CPT 的組合。這就是為什么我們知道在某些系統(tǒng)中必須先發(fā)生T破壞（T-violation），然后才能直接對其進行測量，因為CP破壞要求確實如此。

• 圖注：在標準模型中，中子的電偶極矩預計比我們的觀察極限要大一百億倍。 唯一的解釋是，在某種程度上，標準模型之外的某種方式正在保護強相互作用中的CP對稱性。 如果違反了C，那么PT也是如此； 如果違反了P，那么CT也是如此； 如果違反了T，那么CP也是如此。

但是，CPT定理最意義深遠的結果還是相對論與量子物理學之間的深層聯(lián)系：洛倫茲不變性。如果CPT對稱性是一種良好的對稱性，那么洛倫茲對稱性（必須指出，在所有慣性（非加速）參考系中觀察者的物理定律保持不變）也必須是一種良好的對稱性。如果違反了CPT對稱性，那么洛倫茲對稱性也會被破壞。

在理論物理學的某些領域，尤其是在某些量子引力方法中，打破洛倫茲對稱性相當流行，但是對此的實驗約束卻異常強大。超過100年以來，已經(jīng)有許多實驗性搜索違反了洛倫茲不變性，結果絕大多數(shù)都是負面的和可靠的。如果所有觀察者的物理定律都相同，則CPT必須具有良好的對稱性。

• 圖注：量子引力試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學結合起來。 對經(jīng)典引力的量子校正顯示為循環(huán)圖，如此處白色所示。 如果將“標準模型”擴展為包括重力，則描述CPT的對稱性（洛倫茲對稱性）可能僅成為近似對稱性，從而可能會引起沖突。 但是，到目前為止，還沒有觀察到這樣的實驗違規(guī)。

在物理學中，我們必須愿意挑戰(zhàn)我們的假設，并探索所有可能性，無論它們看起來多么不可能。但是，我們的默認設置應該是，在所有實驗測試中均能經(jīng)受住考驗，構成一個自洽的理論框架并準確描述我們的現(xiàn)實的物理定律，除非另有證明，否則確實是正確的。在這種情況下，這意味著物理學定律在所有地方和所有觀察者中都是相同的，除非另有證明。

有時，粒子的行為與反粒子不同，這沒關系。有時，物理系統(tǒng)的行為與其鏡像反射不同，這也是可以的。有時，物理系統(tǒng)的行為取決于時鐘是向前還是向后運行。但是，時間向前移動的粒子的行為必須與反光鏡中向后移動的反粒子的行為相同。這是CPT定理的結果，這是唯一的對稱性，只要我們知道的物理定律是正確的，那就永遠不能被打破。