時間反演(T,time reversal)
/ tee (the letter T) /
把兩顆撞球相撞拍成影片,然後倒著放。倒放的片段——兩球以相反的順序聚攏、彈開——看上去仍然像一次完全普通、真實可能發生的碰撞。時間反演,用字母 T 表示,正是這件事:讓一個過程在時間上倒著走,再問物理規律是否依然允許它。對於少數幾個粒子的基本力學,答案是肯定的;微觀規則並不在乎鐘錶朝哪個方向走。
更確切地說,T 把時間的方向反過來,這意味著一切運動都倒著進行:速度反向,自旋也反向。在 T 下的對稱性意味著:對於任何被允許的過程,其嚴格時間反演後的過程也被允許,並遵從相同的規則。這一點很微妙,因為它與日常經驗相衝突——一隻摔碎的玻璃杯從不會自行復原,一滴墨水也從不會從水裡重新解出。但那種時間單向流逝的感覺來自統計,來自混亂排列遠遠多於整齊排列,而非來自底層的粒子規律本身,後者幾乎是時間對稱的。
幾乎對稱——但並不完全。弱交互作用以極小的幅度破壞 T 對稱性,這一點已被實驗直接探測到:某些粒子轉變正向發生的速率與反向略有不同。這件事意義重大,因為有 CPT 定理——一個深刻的結果,它說電荷共軛、宇稱和時間反演三者合起來的組合,對任何合理的理論而言必定是嚴格的對稱性。如果 T 被破壞,那麼 CP(電荷加鏡像)必須被破壞完全相同的量,才能保持 CPT 不變——這就把微觀時間之箭直接同物質與反物質之間那點微小差異聯繫了起來。
對中性 K 介子和 B 介子的實驗測出了微小的差別:一個粒子變成它的反粒子,與該過程在時間上倒著進行的逆過程,二者速率不同——這是對 T 破壞的直接觀測,恰好與在同一系統裡看到的 CP 破壞相互對應,正如 CPT 定理所要求的。
測得的 T 破壞與 CP 破壞相互對應,正如 CPT 定理所要求。
微觀的 T 破壞是真實的,但極其微小,它並不是雞蛋無法復原的原因:日常的時間之箭來自熱力學和機率,而不是弱交互作用裡這點微小的 T 失效。