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從 亞里士多德到 牛頓，從 龐加萊到 愛因斯坦，縱觀歷史，空間和時間的概念發生過許多次顛覆性的轉變。在我們目前對自然的理解中，空間和時間形成了一個被稱為 時空的四維實體。這個實體在整個物理學領域起著關鍵的作用：它要么作為一個被動的旁觀者，為物理過程的發生提供場所；要么作為一個積極的參與者，正如 愛因斯坦的廣義相對論所描述的引力。

自愛因斯坦提出 狹義相對論（1905年），以及 貝爾、 勒德和 泡利證明 CPT定理以來，我們就開始意識到 洛倫茲對稱性和 CPT對稱性是時空基本結構的基石。

洛倫茲對稱性保證了所有慣性觀察者所觀察到的物理現象都是一樣的，這一對稱性的一個眾所周知的結果便是，無論你是一個在太空中旅行的宇航員還是在血液里的分子，你所觀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）、 宇稱反轉（ P）和 時間逆轉（ T）的聯合變換下保持不變。根據這個定理，一個充滿反物質且時間倒流的鏡像宇宙，將具有與我們這個宇宙相同的物理學定律。

這些緊緊交織的對稱性確保了時空為所有物理系統提供了一個公平的競技場， 無論物理系統的空間方向、速度為何，也無論它們是由物質還是反物質組成。

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

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近年來，有幾個方面的考量激發了物理學家對檢驗洛倫茲不變性和CPT不變性的極大熱情。一個是為何早期宇宙中的物質和反物質會發生輕微不對稱，這是標準模型無法解釋的；另一個源自于歷史上兩個最成功的物理學概念的結合——統一和對稱性破缺。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，洛倫茲對稱性和CPT對稱性會被打破。例如，一些理論預測高能粒子可能會沿著某個方向運動得更快或更慢些。

上世紀90年代， Alan Kostelecky提出的 標準模型擴展（ SME）是一個重要的里程碑。SME是一個通用的理論框架，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對稱性的項。它可以表示為一個拉格朗日量（L）：

在拉格朗日量中，每個違反洛倫茲的項都有一個 系數，這個系數決定了效應的大小，是實驗測量的目標（當對稱性未被打破時，系數為零）。SME預測了中微子、引力、介子振蕩、宇宙射線、原子光譜、反物質、彭寧陷阱和對撞機物理等系統中的對稱性破缺效應。對自由粒子來說，洛倫茲破缺和CPT破缺會導致可觀測量的觀測結果依賴于粒子動量的方向和大小，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系統。

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SME具有一個乍看之下可能很奇怪的特性：CPT破缺總是伴隨著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CPT破缺。

CPT的破缺會伴隨著洛倫茲破缺一事是具有深刻實驗意義的，它意味著CPT檢驗不一定同時涉與物質和反物質有關：假設的CPT破缺也可以僅通過在物質中的洛倫茲破缺得到檢測。但這一特性是有代價的：相應的洛倫茲檢驗通常無法分辨出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睹。

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

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

AEGIS實驗和GBAR實驗通過讓反氫原子在地球的引力場中墜落，來研究反物質的引力相互作用。這些實驗在一些細節的設置上有所不同，但它們的實驗結果都能為反物質與引力之間的耦合提供其他實驗無法獲得的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進行的，這種等同性是由CPT不變性確保的。ATRAP和base實驗一直倡導在低溫 彭寧阱（該阱是一個復雜的電場和磁場的陣列）中對質子和反質子進行這樣的比較。在CERN進行的實驗獲得過一些令人嘆為觀止的電荷質量比和 g因子測量結果，這些測量能為SME的系數提供清晰的界限。

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除了在CERN進行的實驗之外，還有許多越來越精確的實驗都在試圖檢驗CPT和洛倫茲對稱性。例如：

• 物理學家曾分析了44年來月球激光測距（LLR）實驗的數據以檢驗時空的基本對稱性。LLR使用了激光雷達測量地球和月球之間的距離。激光來回傳播的時間會被多項因素所影響，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。
• 德國聯邦物理技術研究院（PTB）的物理學家曾用兩個被牢牢固定在實驗室里的 鐿離子原子鐘進行了長期實驗。如果鐿離子中的電子速度與空間方向有關，那么兩個原子鐘就會出現頻率差異，而且這種差異會隨著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家則在 中微子身上尋找洛倫茲破缺的證據。在一個洛倫茲對稱性可以被打破的宇宙中，中微子從一種類型轉變成另一種類型時，跟標準 中微子振蕩會有所偏離。

然而，所有的實驗結果指向了一個結果：沒有發現任何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，時空的基本對稱性仍然是絕對有效的。

參考來源：

https://cerncourier/a/testing-times-for-space-time-symmetry/

https://phys.org/news/2018-07-einstein-date-lorentz-violation-high-energy.html

https://phys.org/news/2017-11-evidence-violation-lorentz-invariance.html