宇宙的时间并非可逆

物理学定律长期被认为在时间正向和反向运行时是完全相同的，这一特性被称为时间反演对称性（T-symmetry）。然而，2012年，BaBar合作项目通过一项精巧的实验，首次直接观测到这种对称性在亚原子层面被打破。通过研究B介子的衰变过程，科学家们证实了物理规则在时间上并非完全可逆。这一发现不仅为我们理解宇宙中物质远多于反物质的根本问题提供了关键线索，也确凿地证明了时间在物理世界中确实有一个固定的方向。

时间的单向箭头

在日常生活中，时间只有一个方向：向前。碎玻璃不会自动拼回原样，炒熟的鸡蛋也不会变回生鸡蛋。但奇怪的是，从牛顿运动定律到量子物理学，绝大多数基础物理规则似乎都支持时间可逆。这意味着，如果你反转一个物理过程中的所有粒子运动，它应该会完美地倒退回去。

• T-对称性: 这个概念指的就是物理定律在时间正向和反向运行时保持不变的特性。
• 宏观与微观的矛盾: 尽管我们宏观世界的经验（如热力学中的熵增定律）强烈暗示时间不可逆，但在微观粒子世界里，找到一个明确违反T-对称性的例子却极其困难。

理论上，时间为何必然不对称？

在进行直接实验之前，物理学家已经有两个充分的理由相信T-对称性一定会被打破。

1. CPT 定理

这是一个物理学中的基本定理，它指出任何符合相对论的量子理论都必须遵守 CPT 对称性。这意味着将以下三种变换组合起来，物理定律必须保持不变：

• C (电荷共轭): 将所有粒子替换为其对应的反粒子。
• P (宇称): 将系统与其镜像进行对调。
• T (时间反演): 将时间流动的方向反转。

关键在于，科学家在1964年就已发现 CP 对称性是破缺的。根据 CPT 定理，如果 CPT 必须守恒，而 CP 又是破缺的，那么 T 对称性也必然是破缺的，以此来维持整体平衡。

2. 物质-反物质不平衡

我们的宇宙由物质构成，反物质则极为罕见。要从一个物质与反物质相等的早期宇宙演化成今天的样子，必须满足一系列条件，其中之一就是 CP 对称性必须被违反。既然 CP 破缺是宇宙存在的必要前提，那么根据 CPT 定理，T 破缺也同样是必然的。

间接推断与直接观测的区别

尽管理论和间接证据都指向 T-对称性破缺，但这与直接的实验验证有着天壤之别。

在任何科学领域，理论或间接证据与对预期效果的直接观测或测量之间都存在巨大差异。我们必须要求实验验证，否则就有可能陷入自我欺骗。

就像我们通过观测脉冲星轨道衰减推断出引力波的存在，但直到直接探测到引力波才最终证实了这一点。同样，我们也需要一个实验来直接捕捉时间不对称的证据。

如何设计一个时间反演实验？

挑战在于，现实世界中时间只会向前流逝。因此，实验设计必须极具创造性。

解决方案来自两个关键领域：

• 量子纠缠: 当两个粒子纠缠在一起时，它们的状态是相互关联的，测量其中一个会瞬间影响另一个。
• 弱核相互作用: 这是唯一已知会破坏 CP 对称性的基本力，它主导了许多不稳定粒子的衰变过程。

科学家们利用了 ϒ(4s) 粒子（Upsilon），它是一种由底夸克和反底夸克组成的介子。在粒子对撞机中，这种粒子有近一半的几率会衰变成一对相互纠缠的 B-介子和反B-介子。由于这些B-介子通过弱核相互作用衰变，它们成为了检验 T-对称性的完美对象。

BaBar 实验的决定性证据

BaBar 合作项目的科学家们设计了一个巧妙的流程来比较两种互为时间反演的衰变事件序列。他们创造了数亿个 ϒ(4s) 粒子，并观察其衰变产生的B-介子对。

实验的核心是比较两种情况发生的概率：

• 第一个B-介子衰变成状态“A”，随后第二个B-介子衰变成状态“B”。
• 第一个B-介子衰变成状态“B”，随后第二个B-介子衰变成状态“A”。

如果 T-对称性是完美的，那么这两种事件的发生率应该是完全相等的。然而，实验结果显示：

• 两种事件的发生率存在明确差异。

这个不相等的结果直接证明了 T-对称性是破缺的。该发现的统计显著性达到了 14-sigma，这是一个极高的置信水平，远远超过了粒子物理学中 5-sigma 的“黄金标准”。

一项被“希格斯玻色子”光芒掩盖的重大发现

这项证实物理定律在时间上并非双向对称的重大成果，为什么至今鲜为人知？原因很简单：它是在2012年公布的，而同一年，欧洲核子研究中心（CERN）宣布发现了希格斯玻色子，后者的消息轰动了全球，完全盖过了 BaBar 实验的光芒。

尽管如此，这项实验无可辩驳地证明了，我们宇宙的物理法则在时间向前和向后时是不同的。时间，确实有它自己的方向。