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從亞里士多德到牛頓，從龐加萊到愛(ài)因斯坦，縱觀(guān)歷史，空間和時(shí)間的概念發(fā)生過(guò)許多次顛覆性的轉變。在我們目前對自然的理解中，空間和時(shí)間形成了一個(gè)被稱(chēng)為時(shí)空的四維實(shí)體。這個(gè)實(shí)體在整個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域起著(zhù)關(guān)鍵的作用：它要么作為一個(gè)被動(dòng)的旁觀(guān)者，為物理過(guò)程的發(fā)生提供場(chǎng)所；要么作為一個(gè)積極的參與者，正如愛(ài)因斯坦的廣義相對論所描述的引力。

自愛(ài)因斯坦提出狹義相對論（1905年），以及貝爾、勒德和泡利證明CPT定理以來(lái)，我們就開(kāi)始意識到洛倫茲對稱(chēng)性和CPT對稱(chēng)性是時(shí)空基本結構的基石。

洛倫茲對稱(chēng)性保證了所有慣性觀(guān)察者所觀(guān)察到的物理現象都是一樣的，這一對稱(chēng)性的一個(gè)眾所周知的結果便是，無(wú)論你是一個(gè)在太空中旅行的宇航員還是在血液里的分子，你所觀(guān)察到的光速總是保持不變的。

CPT定理則告訴我們物理定律在電荷共軛（C）、宇稱(chēng)反轉（P）和時(shí)間逆轉（T）的聯(lián)合變換下保持不變。根據這個(gè)定理，一個(gè)充滿(mǎn)反物質(zhì)且時(shí)間倒流的鏡像宇宙，將具有與我們這個(gè)宇宙相同的物理學(xué)定律。

這些緊緊交織的對稱(chēng)性確保了時(shí)空為所有物理系統提供了一個(gè)公平的競技場(chǎng)，無(wú)論物理系統的空間方向、速度為何，也無(wú)論它們是由物質(zhì)還是反物質(zhì)組成。

洛倫茲和CPT不變性都經(jīng)受住了時(shí)間的考驗，但在過(guò)去的三十年里，人們開(kāi)始重新審視它們是否是完全對稱(chēng)的。如果我們在實(shí)驗室中發(fā)現了哪怕是任何輕微違反這兩種對稱(chēng)性的跡象，那么就將改變我們對空間和時(shí)間的理解，并迫使我們去修正廣義相對論和粒子物理學(xué)的標準模型（描述了除引力的其他三種基本力）。

近年來(lái)，有幾個(gè)方面的考量激發(fā)了物理學(xué)家對檢驗洛倫茲不變性和CPT不變性的極大熱情。一個(gè)是為何早期宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)會(huì )發(fā)生輕微不對稱(chēng)，這是標準模型無(wú)法解釋的；另一個(gè)源自于歷史上兩個(gè)最成功的物理學(xué)概念的結合——統一和對稱(chēng)性破缺。為了將量子理論與引力統一成所謂的量子引力理論，物理學(xué)家提出了許多不同的理論，這些理論預言了在極端的尺度下，洛倫茲對稱(chēng)性和CPT對稱(chēng)性會(huì )被打破。例如，一些理論預測高能粒子可能會(huì )沿著(zhù)某個(gè)方向運動(dòng)得更快或更慢些。

上世紀90年代，Alan Kostelecky提出的標準模型擴展（SME）是一個(gè)重要的里程碑。SME是一個(gè)通用的理論框架，它不僅包含了標準模型和廣義相對論，還包含了所有可能破壞洛倫茲和CPT對稱(chēng)性的項。它可以表示為一個(gè)拉格朗日量（L）：

在拉格朗日量中，每個(gè)違反洛倫茲的項都有一個(gè)系數，這個(gè)系數決定了效應的大小，是實(shí)驗測量的目標（當對稱(chēng)性未被打破時(shí)，系數為零）。SME預測了中微子、引力、介子振蕩、宇宙射線(xiàn)、原子光譜、反物質(zhì)、彭寧陷阱和對撞機物理等系統中的對稱(chēng)性破缺效應。對自由粒子來(lái)說(shuō)，洛倫茲破缺和CPT破缺會(huì )導致可觀(guān)測量的觀(guān)測結果依賴(lài)于粒子動(dòng)量的方向和大小，粒子的自旋，以及研究的是粒子還是反粒子。對于像原子和原子核這樣的束縛態(tài)系統，能譜取決于它的方向和速度，并且有可能有別于相應的反物質(zhì)系統。

SME具有一個(gè)乍看之下可能很奇怪的特性：CPT破缺總是伴隨著(zhù)洛倫茲不變性的破壞。而另一方面，洛倫茲破缺卻并不意味著(zhù)CPT破缺。

CPT的破缺會(huì )伴隨著(zhù)洛倫茲破缺一事是具有深刻實(shí)驗意義的，它意味著(zhù)CPT檢驗不一定同時(shí)涉與物質(zhì)和反物質(zhì)有關(guān)：假設的CPT破缺也可以?xún)H通過(guò)在物質(zhì)中的洛倫茲破缺得到檢測。但這一特性是有代價(jià)的：相應的洛倫茲檢驗通常無(wú)法分辨出CPT-偶信號和CPT-奇信號，更糟的是，它們甚至可能完全對這些信號視若無(wú)睹。

反物質(zhì)實(shí)驗會(huì )徹底掃清這些擔憂(yōu)。歐洲核子研究中心（CERN）是世界上唯一擁有反質(zhì)子源的實(shí)驗室，它所擁有的冷反質(zhì)子為檢驗CPT開(kāi)辟了一條前所未有的道路。事實(shí)上，CERN有六個(gè)（ALPHA、ASACUSA、ATRAP、BASE、AEGIS、GBAR）獨立的反質(zhì)子實(shí)驗，它們都具有對SME系數空間的不同區域進(jìn)行獨立的極限設置潛力。

可以由ALPHA、ASACUSA和ATRAP這些實(shí)驗獨立進(jìn)行的一項令人興奮的CPT檢驗，就是產(chǎn)生反氫原子（由一個(gè)反質(zhì)子和一個(gè)正電子組成的原子），并將它的光譜與普通氫原子進(jìn)行比較。

AEGIS實(shí)驗和GBAR實(shí)驗通過(guò)讓反氫原子在地球的引力場(chǎng)中墜落，來(lái)研究反物質(zhì)的引力相互作用。這些實(shí)驗在一些細節的設置上有所不同，但它們的實(shí)驗結果都能為反物質(zhì)與引力之間的耦合提供其他實(shí)驗無(wú)法獲得的SME系數限制。

第三種有趣的CPT檢驗是基于粒子與其反粒子的相同物理性質(zhì)進(jìn)行的，這種等同性是由CPT不變性確保的。ATRAP和BASE實(shí)驗一直倡導在低溫彭寧阱（該阱是一個(gè)復雜的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的陣列）中對質(zhì)子和反質(zhì)子進(jìn)行這樣的比較。在CERN進(jìn)行的實(shí)驗獲得過(guò)一些令人嘆為觀(guān)止的電荷質(zhì)量比和g因子測量結果，這些測量能為SME的系數提供清晰的界限。

除了在CERN進(jìn)行的實(shí)驗之外，還有許多越來(lái)越精確的實(shí)驗都在試圖檢驗CPT和洛倫茲對稱(chēng)性。例如：

• 物理學(xué)家曾分析了44年來(lái)月球激光測距（LLR）實(shí)驗的數據以檢驗時(shí)空的基本對稱(chēng)性。LLR使用了激光雷達測量地球和月球之間的距離。激光來(lái)回傳播的時(shí)間會(huì )被多項因素所影響，如天空中月球的位置、天氣、潮汐，以及相對論效應——這對檢驗洛倫茲不變性非常重要。全面完整的分析使研究人員可以對SME的系數做出強有力的限制。

• 德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的物理學(xué)家曾用兩個(gè)被牢牢固定在實(shí)驗室里的鐿離子原子鐘進(jìn)行了長(cháng)期實(shí)驗。如果鐿離子中的電子速度與空間方向有關(guān)，那么兩個(gè)原子鐘就會(huì )出現頻率差異，而且這種差異會(huì )隨著(zhù)地球的自轉呈周期性地出現。

• 位于南極的冰立方中微子天文臺的科學(xué)家則在中微子身上尋找洛倫茲破缺的證據。在一個(gè)洛倫茲對稱(chēng)性可以被打破的宇宙中，中微子從一種類(lèi)型轉變成另一種類(lèi)型時(shí)，跟標準中微子振蕩會(huì )有所偏離。

然而，所有的實(shí)驗結果指向了一個(gè)結果：沒(méi)有發(fā)現任何CPT和洛倫茲不變性被打破的跡象。一些理論預言我們正在逐漸逼近極限，但到目前為止，時(shí)空的基本對稱(chēng)性仍然是絕對有效的。