• ​弹跳中的球的过去和未来的轨迹是由物理定律决定的，但对我们来说，时间只会流向未来。当把时钟向前或向后拨时，牛顿的运动定律是一样的，并不是所有的物理定律都是一样的。

无论你在什么时候，在哪里，或者在宇宙中是什么，你只经历一个方向的时间：前进。在我们的日常生活中，时钟从不倒退，破碎的玻璃永远不会自动重新组装。但如果你看看物理定律支配宇宙的运作方式——从牛顿运动定律到亚原子粒子的量子物理学——你会发现一些独特的和意想不到的。

这对应于自然的某种对称性： T-对称性或时间反转不变性。我们的日常经验告诉我们，物理定律一定违反了这种对称性，但几十年来，我们无法证明这一点。但是几年前，我们通过实验证明了物理定律的不同取决于时间运行的方向。

• ​根据传说，伽利略在比萨斜塔上做的第一个实验表明，所有物体以相同的速度下落，不论质量如何。在没有空气阻力的情况下，任何两个物体在引力场中下落，都会以相同的速度加速到地面。这后来作为牛顿对这个问题研究的一部分。从塔上掉下来的球和从塔底抛上来的球可能有相同的轨迹，因为无论时间朝哪个方向流动，运动定律都是相同的。

想象一下，你和一个朋友决定去比萨，其中一个站在著名的斜塔上，另一个在塔底。从上面看，谁把球扔出边沿，谁就能很容易地预测它会落在底部的什么地方。然而，如果站在底部的人以与刚刚落地的球相等且相反的速度向上抛球，那么球将恰好到达顶部的人抛球的位置。

这是一种时间反转不变性成立的情况：T-对称是不间断的。时间反转可以被认为是运动反转的方式：如果规则是一样的，无论时钟向前或向后运行，这是真正的T-对称。但是，如果时钟向后运行时的规则与向前运行时的规则不同，则必须打破T-对称。

• ​如果一个理论不是相对不变的，那么不同的参照系，包括不同的位置和运动，将会看到不同的物理定律(并且在现实中也会产生分歧)。我们在“升力”或速度变换下具有对称性，这一事实告诉我们，我们有一个守恒量：线性动量。一个理论在任何坐标或速度变换下都是不变的这一事实被称为洛伦兹不变性，而任何洛伦兹不变性对称性都保留了CPT对称性。然而，C、P和T(以及CP、CT和PT的组合)都可能被单独违反。

T-对称必须在某种深层的、基本的层面上被打破。第一个是一个已证明的定理，称为CPT定理。如果你有一个相对论的量子场理论，遵循规则——即是洛伦兹不变量——这一理论必须显示出cpt对称。

在粒子物理学的标准模型中，有三种对称既是离散的，又是基本的：

1. c对称，它要求用反粒子替换所有的粒子，
2. p对称，它要求你用所有粒子的镜像反射来代替它们
3. t对称，它要求运行物理定律在时间上向后而不是向前。

• ​反粒子的粒子变化和反粒子在镜子中的反射同时代表CP对称。如果反镜衰减不同于正常衰减，则违反CP。如果CP被破坏，时间反转对称性，即T必须被改变。C、P和T的组合对称性，所有在一起，必须在我们现有的物理定律下保持守恒，并对相互作用的类型进行暗示，这些相互作用是允许的，也是不允许的。

CPT定理告诉我们，所有三个对称的组合必须始终保持。换句话说，一个在时间上向前运动的自旋粒子必须遵守与它在时间上向后运动的反粒子向相反方向旋转相同的规则。如果c对称被破坏，那么pt对称也必须被同等数量的破坏，以保持组合守恒。由于cp对称破坏已经被观察到(追溯到1964年)，我们知道t对称也必须被破坏。

第二个原因是，我们生活在一个物质多于反物质的宇宙中，但是我们知道的物理定律在物质和反物质之间是完全对称的。

• ​如果你用反粒子的对应物创造新的粒子(比如这里的X和Y)，它们必须保持CPT，但不一定是C、P、T或CP本身。如果CP被破坏，粒子与反粒子的衰变路径(或粒子以某种方式衰变的百分比)可能会不同，如果条件合适，就会产生物质相对于反物质的净产量。

的确，在我们所观察到的解释这种不对称现象的现象之外，一定还有其他的物理现象，但是，对于可能导致这种不对称现象的新物理类型，存在着明显的限制。安德烈·萨哈罗夫在1967年阐明了这些观点，他指出：

1. 宇宙一定处于不平衡状态。
2. c对称和cp对称都必须被破坏。
3. 而且必须发生违反重子数的相互作用。

即使我们没有直接观察到违反cp的相互作用，我们也会知道，为了创造一个与我们所观察到的一致的宇宙，它们必须发生。因此，由于违反t必然包含在违反cp中，t对称并不总是成立。

• ​双星脉冲星的轨道衰减率与重力和双星系统的轨道参数高度相关。我们利用双星脉冲星的数据将重力的速度限制在光速的99.8%以内，并在LIGO和Virgo探测到引力波之前的几十年就推断出引力波的存在。然而，直接探测引力波是科学进程的一个重要部分，如果没有它，引力波的存在仍然是有疑问的。

但是，在任何科学中，对于一个现象的理论或间接证据与直接观察或测量所期望的效果之间存在着巨大的差异。即使在你知道结果必须是什么的情况下，也必须要求进行实验验证，否则我们可能会自欺欺人。

这在物理学的任何领域都是正确的。当然，通过观察双星脉冲星的时间，我们知道它们的轨道正在衰变，但只有通过直接探测引力波，我们才能确定能量是如何被带走的。我们知道黑洞周围一定存在视界，但只有通过直接成像，我们才能证实理论物理学的这一预测。我们知道希格斯玻色子的存在必须使标准模型保持一致，但只有通过在大型强子对撞机上发现其明确的特征，我们才证实了这一点。

• ​几年前CMS和ATLAS合作宣布了对希格斯玻色子的第一个5-sigma检测。但是希格斯玻色子在数据中并没有产生一个“尖峰”，而是由于其内在的质量不确定性而产生了一个扩展的凸起。它的质量是125 GeV/c^2，这对理论物理学来说是一个谜，但实验员不必担心：它存在，我们可以创造它，现在我们也可以测量和研究它的性质。

为了直接通过实验证实t违逆的存在，科学家们必须非常聪明。必须做的是设计一个实验，在这个实验中，物理定律可以被直接测试，在时间上向前运行的实验和向后运行的实验之间的差异。而且，由于在现实世界中，时间只会向前跑，这需要一些真正的创造性思维。

思考这个问题的方法是记住纠缠量子态是如何工作的。如果你有两个相互纠缠的量子粒子，你就知道它们的综合性质，但是它们各自的性质在你测量之前是不确定的。测量一个粒子的量子态会给你一些关于另一个粒子的信息，但是你不能知道任何关于单个粒子的信息，直到临界测量发生。

• ​如果两个粒子纠缠在一起，它们具有互补的波函数性质，测量其中一个决定另一个的性质。然而，如果你创建了两个纠缠的粒子或系统，并在另一个粒子衰变之前测量其中一个粒子衰变的方式，你应该能够测量时间反转反应，以测试t对称守恒或违反。

通常，当我们考虑两个粒子的量子纠缠时，我们会做一些涉及稳定粒子的实验，比如光子或电子。但是只有一种物理过程会发生cp破坏：通过弱核相互作用的衰变。事实上，这种直接类型的cp违反是在1999年观察到的，根据CPT定理，t违反一定会发生。因此，如果我们想要测试时间反转对称性的直接违背，我们必须在t违背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对称直接破坏所需的精确实验类型。

• ​B介子衰变能直接进入J /Ψ(psi)粒子和Φ(φ)粒子。CDF的科学家们发现了一些证据，一些B介子意外地衰变为一个中间的四夸克结构，被确定为一个Y粒子，其中四夸克由两个夸克和两个反夸克组成。当一个复合系统，比如Y粒子，衰变为两种状态，它们的CP属性值不同，它们的T属性值也必须不同，这使得科学家可以创建一个实验，直接测试T违逆。

对称的杂志直接测试时间反转违逆的方法是最近才提出的，因为产生大量含有底部(b)夸克的粒子的技术是最近几年才出现的。粒子包含底夸克粒子的经典例子,因为它实际上是一个介子的一双底夸克和反夸克触底。

像大多数复合粒子一样，它可以存在许多不同的能态和构型，就像氢原子表现出电子所处的各种可能的能态一样。特别是4s能级具有一些特殊的性质，可能是直接观测t对称破坏的最佳选择。

• ​由BaBar公司合作建立的直接探测时间反转对称性破坏的系统。(4 s)创建粒子,它衰变为两个介子(B / anti-B组合),然后这两个B和anti-B介子衰变。如果物理定律不是时反不变的，那么按特定顺序衰减的不同粒子将表现出不同的性质。这在2012年得到了证实。

当B / anti-B对衰变的一个成员到J /ψ和k中介子衰变到轻子和其他粒子，这使我们有机会逆时违反测试。因为这两个粒子，B和反B，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。

然后，你要做以下测量：

1. 如果第一个介子衰变成带正电荷的轻子，你就知道第二个介子一定是反b粒子。
2. 然后你测量反B粒子的衰变，看看它们中有多少会让你在短暂的Kaon中衰变。然后，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加恩，
3. 然后第二个介子衰变为带负电荷的轻子。

这是对时间反转违逆的直接测试。如果两个事件速率不相等，T对称就会破坏。

​

• 在衰变的Y（4s）系统中存在四个独立的时间反转违背不对称性，相应的向带电轻子衰变和魅力夸克-反夸克组合。蓝色虚线代表对BaBar数据的最佳拟合，不存在t违逆。红色曲线表示t违反的最佳拟合数据。在本实验的基础上，在14 sigma水平上支持直接T违反。

它创造了超过4亿个(4 s)粒子检测逆时直接违反。迄今为止，对初始纠缠态和最终纠缠态的反转进行的测试，是唯一一次直接测试t对称性是否守恒或被直接破坏。正如预期的那样，弱相互作用违反了t对称性，证明了无论时间是向前还是向后，物理定律并不相同。

在粒子物理学中，实验意义的金标准是5-sigma的阈值。然而，巴巴物理学家取得了14-sigma的重要性：一项了不起的成就。您可能从未听说过它的原因？同一年发生的稍微大一点的粒子物理新闻黯然失色：希格斯玻色子的发现。但这个结果也许是诺贝尔奖。自然法则在时间上向前和向后都不一样。七年之后，世界感受到了这一发现的影响。