時(shí)間之箭：一條貫穿物理世界的主線

我們都幻想過(guò)時(shí)間倒流，但物理學(xué)卻給出一個(gè)耐人尋味的答案——在基本定律中，時(shí)間“無(wú)所謂方向”；而現(xiàn)實(shí)只能讓時(shí)間向前，這是無(wú)數(shù)粒子的集體行為、熵的增加與信息的流失共同造就的。從宇宙誕生，到基本粒子，再到新奇量子材料，時(shí)間反演對(duì)稱性（time-reversal symmetry）貫穿于許多物理前沿研究領(lǐng)域，也隱藏在許多物理原理應(yīng)用的背后。

撰文 | 胡江平（中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員）

引言

我們是否都有過(guò)這樣的沖動(dòng)——

希望時(shí)間能倒流，希望回到曾經(jīng)的遺憾之前，希望回到最初的美妙之中，希望回到消失的親人身旁……

可是，我們不得不在現(xiàn)實(shí)中嘆息：時(shí)光總是一去不復(fù)返。時(shí)間的箭頭，如同霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》所說(shuō)，總是指向一個(gè)方向[1]。

時(shí)間真的會(huì)倒流嗎？人能返老還童嗎？宇宙是否真的可以“倒帶”重來(lái)呢？

這些看似科幻的問(wèn)題，其實(shí)都指向現(xiàn)代物理學(xué)里一個(gè)深刻的概念——時(shí)間反演對(duì)稱性（time-reversal symmetry）。這個(gè)概念不僅涉及宇宙和物理的基本規(guī)律，也貫穿于當(dāng)前許多物理前沿研究領(lǐng)域，隱藏在許多物理原理應(yīng)用的背后。

不存在的“時(shí)間之箭”：完美的時(shí)間反演對(duì)稱

物理學(xué)家有一種近乎偏執(zhí)的審美追求：對(duì)稱——追求那些在變換之下保持不變的東西。能量守恒，就來(lái)自物理規(guī)律在時(shí)間平移下的不變性。時(shí)間反演對(duì)稱，則是一種格外迷人、也格外令人困惑的對(duì)稱性。

物理學(xué)的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)方程沒(méi)有時(shí)間的方向：時(shí)間正著走、反著走，沒(méi)有區(qū)別。

構(gòu)成物理大廈的核心方程——牛頓的萬(wàn)有引力，愛(ài)因斯坦統(tǒng)一時(shí)間和空間的廣義相對(duì)論，麥克斯韋的電磁波方程組，薛定諤的量子力學(xué)波動(dòng)方程——無(wú)一例外，都不區(qū)分時(shí)間的方向。物理的規(guī)律在時(shí)間反轉(zhuǎn)下保持不變。

把一段臺(tái)球碰撞的視頻倒播放，我們分辨不出哪個(gè)方向才是“正確”的——兩個(gè)方向看起來(lái)都完全合理，都符合物理定律。行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的視頻倒放，同樣毫無(wú)違和感。物理學(xué)的方程不在乎時(shí)間的箭頭指向何方。

這是物理學(xué)基礎(chǔ)方程一個(gè)深刻的、幾乎令人難以置信的特征。

宏觀世界的時(shí)間之箭：不存在的時(shí)間反演對(duì)稱

在宏觀的世界里，我們卻看不到時(shí)間的反轉(zhuǎn)。

打碎的杯子，不會(huì)自動(dòng)復(fù)原；冰塊放入熱水，熱量從熱水流向冰塊，方向從不顛倒。香水分子擴(kuò)散到整個(gè)房間，從不自發(fā)聚攏。宇宙在膨脹，星系在遠(yuǎn)離，這個(gè)過(guò)程的視頻倒放看起來(lái)就會(huì)荒誕不經(jīng)。

宏觀時(shí)間的不可逆——這個(gè)看似平凡的日常經(jīng)驗(yàn)——開啟了物理學(xué)中最深刻的一扇門：統(tǒng)計(jì)力學(xué)。玻爾茲曼為此付出了一生的代價(jià)，創(chuàng)立了統(tǒng)計(jì)力學(xué)——一門從微觀粒子的運(yùn)動(dòng)出發(fā)，推導(dǎo)宏觀性質(zhì)的理論——并由此揭開了時(shí)間之箭的第一層面紗。

熵：無(wú)序的度量與時(shí)間的方向

統(tǒng)計(jì)力學(xué)的核心思想是：宏觀世界的每一個(gè)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)著天文數(shù)字種不同的微觀排列。一盒氣體的溫度、壓強(qiáng)是我們能感知的；但在這些宏觀量之下，每個(gè)分子可以在不同位置以不同速度運(yùn)動(dòng)，只要總能量不變，所有這些微觀排列都是“合法”的。玻爾茲曼把這些可能的微觀排列數(shù)目記為 W，定義了熵：

這個(gè)刻在他墓碑上的公式，是統(tǒng)計(jì)力學(xué)最深刻的遺產(chǎn)[2]。熵越高，對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)數(shù)越多——系統(tǒng)越“無(wú)序”，對(duì)應(yīng)的可能性越豐富。

孤立系統(tǒng)總是從微觀狀態(tài)數(shù)少（低熵）的地方走向微觀狀態(tài)數(shù)多（高熵）的地方，僅僅因?yàn)楹笳咴诟怕噬蠅旱剐缘卣純?yōu)——這就是熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)力學(xué)詮釋，也是玻爾茲曼為時(shí)間安上的箭頭：時(shí)間在熵增的方向流淌。

破碎的杯子擁有遠(yuǎn)比完整杯子更多的微觀排列方式；系統(tǒng)不是“選擇”了無(wú)序，而是無(wú)序的可能性本來(lái)就多得多。這就是宏觀世界時(shí)間之箭的統(tǒng)計(jì)力學(xué)根源：它不是一條寫在基本方程里的鐵律，而是一個(gè)壓倒性的概率偏向。

熵就是無(wú)知：信息與時(shí)間

然而，統(tǒng)計(jì)力學(xué)揭示的不僅于此。熵的背后藏著一個(gè)無(wú)法忽視的深刻含義——

熵，本質(zhì)上反映的是我們對(duì)系統(tǒng)微觀狀態(tài)的無(wú)知程度。

當(dāng)熵很低時(shí)，系統(tǒng)只有少數(shù)幾種可能的微觀排列——我們“知道”系統(tǒng)的狀態(tài)處于高度約束的范圍內(nèi)。當(dāng)熵很高時(shí)，系統(tǒng)的微觀狀態(tài)可以是天文數(shù)字種可能之一——我們對(duì)它究竟處于哪種具體排列幾乎一無(wú)所知。

1948 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)家克勞德 ·香農(nóng)在研究通信系統(tǒng)時(shí)，發(fā)展出了信息論，定義了信息熵[3]：

=?

當(dāng)馮 ·諾伊曼看到這個(gè)公式時(shí)，他笑著告訴香農(nóng)：“你應(yīng)該叫它熵，因?yàn)檫@個(gè)公式和物理學(xué)中的熵完全一樣。” 這不是玩笑，而是同一件事物的兩副面孔——熱力學(xué)熵與信息熵，在數(shù)學(xué)形式上完全相同，相差不過(guò)一個(gè)常數(shù)。

熵增就是信息的喪失。當(dāng)一杯熱水冷卻到室溫，我們失去了關(guān)于哪個(gè)分子更快、哪個(gè)更慢的信息——這些信息散逸到環(huán)境中，變得不可追蹤，熵增加了。宇宙的演化，在某種深刻的意義上，是一個(gè)信息不斷從可知走向不可知的單向過(guò)程。

在物理上，信息不是游離在物質(zhì)世界之外的抽象存在——信息的消除付出的代價(jià)就是熱力學(xué)的熵增[4]。記憶的重寫、計(jì)算的進(jìn)行，都在向世界輸出熱量，增加宇宙的總熵。思考本身，在熱力學(xué)意義上，是不可逆的。

至此，時(shí)間之箭有了更深刻的面貌：時(shí)間向前流逝，就是信息從可追蹤走向不可追蹤、從有序走向無(wú)序的單向漂移。對(duì)我們身處的宇宙，這個(gè)漂移的起點(diǎn)，就是時(shí)間的起點(diǎn)，也就是宇宙誕生時(shí)那個(gè)極低熵的初始狀態(tài)——大爆炸之后的早期宇宙處于我們至今難以完全理解的高度有序之中。

圖 1: 演生的時(shí)間之箭

從一個(gè)粒子到無(wú)數(shù)粒子：演生的時(shí)間之箭

我們現(xiàn)在可以注意到，這個(gè)時(shí)間之箭，不存在于任何一條基本方程里。單個(gè)粒子沒(méi)有時(shí)間的方向——它的運(yùn)動(dòng)完全可逆。時(shí)間的方向，是在大量粒子聚集在一起之后，從它們集體的統(tǒng)計(jì)行為中浮現(xiàn)出來(lái)的——一個(gè)在微觀層面根本不存在的性質(zhì)，在宏觀層面突然變得真實(shí)而不可撼動(dòng)。

這引出了一個(gè)更本質(zhì)的問(wèn)題，也是統(tǒng)計(jì)力學(xué)和熱力學(xué)背后真正令人震驚的啟示：

一個(gè)粒子和無(wú)數(shù)粒子聚在一起，到底有什么本質(zhì)不同？

答案遠(yuǎn)比直覺(jué)上復(fù)雜：不僅僅是“更多”，而是在質(zhì)上的躍變。

單個(gè)水分子，沒(méi)有“溫度”，沒(méi)有“壓強(qiáng)”，沒(méi)有“流動(dòng)”，更談不上“結(jié)冰”或“沸騰”。但當(dāng) 1023 個(gè)水分子聚在一起，這些概念就突然變得真實(shí)而精確。溫度是分子平均動(dòng)能的度量；相變是系統(tǒng)整體行為的突變；流體力學(xué)方程描述的集體流動(dòng)，完全不能從單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)方程中直接“讀出”。

這里產(chǎn)生了一個(gè)根本性的哲學(xué)認(rèn)知——演生（emergence）：整體展現(xiàn)出部分所沒(méi)有的性質(zhì)。新的規(guī)律、新的概念、新的物態(tài)，在大量粒子的集體行為中涌現(xiàn)出來(lái)，這些規(guī)律在微觀層面根本不存在。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、凝聚態(tài)物理的教父安德森在1972 年的著名文章《多者異也》[5]（More is Different）中將這個(gè)思想表達(dá)得淋漓盡致：將物理學(xué)還原為更基本的層次，并不意味著我們能從基本規(guī)律出發(fā)重建更高層次的物理。每一個(gè)層次都有自己的規(guī)律，自己的概念，自己的對(duì)稱性。

演生讓時(shí)間反演對(duì)稱性重新登場(chǎng)，扮演新的角色。時(shí)間之箭，就是演生最深刻的一個(gè)例證：微觀方程時(shí)間對(duì)稱，宏觀世界的時(shí)間方向是從大量粒子的集體行為中涌現(xiàn)出來(lái)的。而演生的視角一旦打開，就會(huì)讓人忍不住追問(wèn)：如果連時(shí)間的方向都可以是演生的，那么我們認(rèn)為“最基本”的那些物理規(guī)律本身，會(huì)不會(huì)也是某種更深層結(jié)構(gòu)演生的有效描述？

對(duì)演生原理的挖掘，一個(gè)最好的戰(zhàn)場(chǎng)就是凝聚態(tài)物理。這個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)里，我們不僅能發(fā)現(xiàn)和探討意想不到的新規(guī)律，并且能夠直接在實(shí)驗(yàn)室和應(yīng)用中檢驗(yàn)它們帶來(lái)的結(jié)果，這就是凝聚態(tài)物理讓人如此著迷的原因。

凝聚態(tài)物理和時(shí)間反演對(duì)稱

凝聚態(tài)物理研究的是大量粒子聚集在一起時(shí)的集體行為——它站在微觀與宏觀之間，一手握著量子力學(xué)的精確語(yǔ)言，一手觸碰著我們?nèi)粘８兄暮暧^世界。它問(wèn)的問(wèn)題是：從已知的微觀規(guī)律出發(fā)，如何理解、預(yù)測(cè)乃至設(shè)計(jì)物質(zhì)的宏觀行為？

因此，凝聚態(tài)物理是溝通微觀到宏觀的橋梁。它同時(shí)處理兩種語(yǔ)言：描述單個(gè)粒子的量子力學(xué)，和描述集體行為的對(duì)稱性與拓?fù)鋵W(xué)。時(shí)間反演對(duì)稱性，正是兩種語(yǔ)言都能使用的共同詞匯——它在單粒子量子態(tài)中是一個(gè)算符，在多體有序相中是一種可以自發(fā)破缺的對(duì)稱性，在拓?fù)浞诸愔惺菂^(qū)分不同物相的標(biāo)簽。

正是在這個(gè)意義上，接下來(lái)我們對(duì)時(shí)間反演的討論，將從宇宙宏大敘事，收縮到實(shí)驗(yàn)室里幾毫米大小的晶體——那里同樣上演著時(shí)間反演對(duì)稱性破缺與守恒的深刻故事。

磁性：時(shí)間反演的天然破壞者

先從最熟悉的例子開始：磁體。磁性的微觀起源是電子的自旋——電子像一個(gè)微小的陀螺，自旋產(chǎn)生磁矩。在鐵等磁性材料中，大量電子的自旋自發(fā)地排列整齊，產(chǎn)生宏觀磁場(chǎng)。

一塊磁鐵，在時(shí)間反演下變成了磁場(chǎng)方向相反的磁鐵——它與原來(lái)的狀態(tài)不同。這意味著磁有序自發(fā)地破壞了時(shí)間反演對(duì)稱性。這不是抽象的數(shù)學(xué)游戲，磁性破壞時(shí)間反演，反過(guò)來(lái)，時(shí)間反演對(duì)稱性的消失也意味著磁性的起源，這在凝聚態(tài)物理中有極其重要的物理后果，這決定著電子在磁場(chǎng)中獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)軌道和我們?cè)撊绾尾倏睾彤a(chǎn)生磁場(chǎng)。這一點(diǎn)在下面討論拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)中會(huì)有更深刻的體現(xiàn)。

圖 2 :時(shí)間反演對(duì)稱性和自旋、磁性以及拓?fù)浣^緣體的關(guān)系

拓?fù)浣^緣體：被時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的導(dǎo)體

2001年，張首晟和其學(xué)生胡江平提出了一個(gè)模型[6]，這個(gè)模型的神奇就是同時(shí)具備時(shí)間反演對(duì)稱性和拓?fù)湫浴６谶@之前，拓?fù)湫灾怀霈F(xiàn)在沒(méi)有時(shí)間反演對(duì)稱的系統(tǒng)中。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這兩者的共同存在定義了一類新的量子材料-拓?fù)浣^緣體[7]。

拓?fù)浣^緣體是一種奇特的量子材料：內(nèi)部是絕緣體，但表面是導(dǎo)體。更令人驚訝的是，這個(gè)表面導(dǎo)電狀態(tài)不是因?yàn)椴牧喜患儍艋虮砻嬗惺裁刺厥饨Y(jié)構(gòu)，而是被一種受對(duì)稱性保護(hù)的拓?fù)湫再|(zhì)所保護(hù)，只要相關(guān)對(duì)稱性不被破壞，這個(gè)表面態(tài)就無(wú)法被消除——就像你我無(wú)法在不撕破的情況下把一個(gè)甜甜圈變成一個(gè)球一樣。

拓?fù)浣^緣體理論建立的關(guān)鍵就是時(shí)間反演對(duì)稱性。時(shí)間反演對(duì)稱性將上下自旋的電子聯(lián)系在了一起，使得電子的量子態(tài)可以分成拓?fù)渖喜煌念悇e——就像數(shù)學(xué)上的拓?fù)洳蛔兞浚麛?shù)，不能連續(xù)變化，也無(wú)法被微小擾動(dòng)所改變。拓?fù)浣^緣體的體材料屬于拓?fù)浞瞧接沟念悾婵眨ɑ蚱胀ń^緣體）屬于拓?fù)淦接沟念悺煞N拓?fù)漕愋偷慕缑妫厝淮嬖跓o(wú)法消除的導(dǎo)電表面態(tài)。

這些表面態(tài)有一個(gè)神奇的性質(zhì)：電子的自旋方向被鎖定在其動(dòng)量方向上，無(wú)法被時(shí)間反演不變的散射（普通雜質(zhì)、聲子等）所散射。換句話說(shuō)，只要時(shí)間反演對(duì)稱性存在，這些表面態(tài)就對(duì)雜質(zhì)散射“免疫”。

如果我們?cè)谕負(fù)浣^緣體的表面引入磁性——比如摻入磁性原子，或者把它和磁性材料接觸——磁性會(huì)破壞時(shí)間反演對(duì)稱性，保護(hù)表面態(tài)的“護(hù)盾”就會(huì)消失，能隙打開，表面態(tài)被消滅。

這個(gè)機(jī)制不僅在理論上優(yōu)美，在實(shí)驗(yàn)上也已被精確驗(yàn)證，并直接導(dǎo)向了一個(gè)激動(dòng)人心的應(yīng)用：量子反常霍爾效應(yīng)。在磁性拓?fù)浣^緣體的薄膜中，即使沒(méi)有外加磁場(chǎng)，時(shí)間反演破缺引發(fā)的拓?fù)湫?yīng)也會(huì)在邊緣產(chǎn)生精確量子化的導(dǎo)電通道。在張首晟的推動(dòng)下，中國(guó)科學(xué)家薛其坤的團(tuán)隊(duì)在2013 年首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了這一效應(yīng)[8]，這是中國(guó)物理學(xué)在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域近年來(lái)最重要的原創(chuàng)貢獻(xiàn)之一。

時(shí)間反演對(duì)稱性，在拓?fù)浣^緣體的世界里，是保護(hù)量子態(tài)的守護(hù)神——而磁性，則是能打破這道保護(hù)的力量。

籠目結(jié)構(gòu)：時(shí)間反演破缺的新舞臺(tái)

故事的最新篇章，來(lái)自一種古老的幾何圖案：籠目。籠目（Kagome）是一種日本傳統(tǒng)編織圖案，由六邊形和三角形交替排列組成，形似竹編的籠子。凝聚態(tài)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原子按照這種幾何排列形成晶體時(shí)，電子會(huì)因?yàn)閹缀巫璐旌土孔痈缮娑a(chǎn)生極其特殊的能帶結(jié)構(gòu)，包括完全平坦的“平帶”——在這里，電子的動(dòng)能被完全壓制，相互作用主導(dǎo)一切，量子效應(yīng)被極大增強(qiáng)。

圖 3:籠目材料中的時(shí)間之箭-環(huán)電流序

中國(guó)科學(xué)院物理所胡江平等理論物理學(xué)家預(yù)言[10 ,11]，籠目超導(dǎo)體中的某些電荷密度波態(tài)可能攜帶手性環(huán)電流序——電子在晶格的六邊形中自發(fā)形成手性流動(dòng)，打破時(shí)間反演對(duì)稱性而不產(chǎn)生自旋磁矩。

什么是環(huán)電流序？想象在籠目晶格的每個(gè)六邊形中，電子形成一種自發(fā)的、循環(huán)流動(dòng)的微小電流環(huán)——有點(diǎn)像一個(gè)微型線圈。這些電流環(huán)如果在空間有規(guī)則的排列，就形成了一種有序態(tài)。

這種有序態(tài)的核心物理意義在于：它自發(fā)地破壞時(shí)間反演對(duì)稱性。電流在時(shí)間反演下反向，因此一個(gè)順時(shí)針的電流環(huán)，在時(shí)間反演后變成逆時(shí)針——與原來(lái)的狀態(tài)不同，對(duì)稱性被打破。但與普通磁體不同，環(huán)電流序產(chǎn)生的凈磁矩極小，幾乎不產(chǎn)生宏觀磁場(chǎng)，用常規(guī)磁性測(cè)量手段很難發(fā)現(xiàn)。

這使得環(huán)電流序的探測(cè)成為一個(gè)精妙的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)，也正是當(dāng)前研究的核心爭(zhēng)議所在。實(shí)

給出了支持時(shí)間反演破缺的跡象，但這個(gè)領(lǐng)域的爭(zhēng)論仍在持續(xù)。不同實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果之

間存在矛盾，理論解釋也不唯一。這正是科學(xué)最鮮活的狀態(tài)：一個(gè)可能的重大發(fā)現(xiàn)，懸而未決，等待更多證據(jù)。

粒子物理的裂縫：時(shí)間反演的破缺

可能誰(shuí)也沒(méi)有想到，在基本粒子的世界里，時(shí)間反演對(duì)稱性同樣存在裂縫——而這道裂縫，與我們?yōu)楹斡晌镔|(zhì)而非虛無(wú)構(gòu)成，有著深刻的關(guān)聯(lián)。

粒子物理承擔(dān)著對(duì)構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子最底層的解釋。物理學(xué)家們?cè)钚呕玖Ｗ拥囊?guī)律保持著最高的對(duì)稱性，尤其是包括時(shí)間反演在內(nèi)的三種對(duì)稱性：

• 時(shí)間反演（T）

把時(shí)間坐標(biāo)反號(hào)，回到過(guò)去。

• 宇稱變換（P）

把空間坐標(biāo)全部反號(hào)，相當(dāng)于照鏡子。一個(gè)右手螺旋變成左手螺旋。

• 電荷共軛（C）

把所有粒子替換為對(duì)應(yīng)的反粒子，正電荷變負(fù)電荷，夸克變反夸克。

宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)首先打破了這種美好的愿望。楊振寧和李政道，當(dāng)年兩位年輕的華人物理學(xué)家首先指出宇稱在基本粒子的弱相互作用中不守恒未被檢驗(yàn)并給出檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)很快證實(shí)宇稱不守恒[14 ,15]。這項(xiàng)工作讓他們分享了 1957 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

時(shí)間反演會(huì)不會(huì)也不守恒呢？

1964 年，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家克羅寧和菲奇在研究中性K 介子衰變時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人不安的異常[16]——這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓他們獲得了 1980 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，也在物理學(xué)的基礎(chǔ)對(duì)稱性上撕開了一道裂縫。他們發(fā)現(xiàn)弱相互作用破壞 C 和P 的聯(lián)合對(duì)稱性。

圖 4:中性K 介子時(shí)間反演對(duì)稱性的破缺

根據(jù)粒子物理中一個(gè)深刻定理——CPT 定理——在滿足洛倫茲不變性和量子場(chǎng)論基本假設(shè)的情況下[17]，C、P、T（時(shí)間反演）三者的聯(lián)合變換必然是精確的對(duì)稱。既然 CPT守恒，而 CP 破壞，那么T 必須也被破壞——弱相互作用在嚴(yán)格意義上并不是時(shí)間反演對(duì)稱的。

2012 年，BaBar 實(shí)驗(yàn)直接在B 介子系統(tǒng)中測(cè)量到了弱相互作用中時(shí)間反演的不對(duì)稱性[18]，以無(wú)可辯駁的精度證實(shí)了這一點(diǎn)：自然界在最基本的層面上，確實(shí)區(qū)分時(shí)間的方向。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著什么？我們的宇宙由物質(zhì)主導(dǎo)，反物質(zhì)幾乎不存在——而大爆炸應(yīng)該等量地產(chǎn)生物質(zhì)和反物質(zhì)。要解釋這種不對(duì)稱，物理學(xué)家需要“巴里奧發(fā)生”機(jī)制，其中一個(gè)必要條件正是CP 破壞。我們由物質(zhì)構(gòu)成、存在于這里，部分原因就是弱相互作用對(duì)CP 對(duì)稱性的那點(diǎn)微小背叛。

但需要清醒認(rèn)識(shí)的是：目前已知的CP 破壞效應(yīng)極其微弱，遠(yuǎn)不足以解釋宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)的巨大不對(duì)稱。這是粒子物理學(xué)當(dāng)前最重要的未解問(wèn)題之一——標(biāo)準(zhǔn)模型之外，必然還有我們未知的CP 破壞機(jī)制。

這里有一個(gè)值得正視的深刻問(wèn)題。宏觀世界的時(shí)間之箭，我們已經(jīng)理解：它是演生的，來(lái)自大量粒子集體行為的統(tǒng)計(jì)偏向，微觀方程本身并不包含時(shí)間方向。但粒子物理中的T 破缺截然不同——這是寫在標(biāo)準(zhǔn)模型方程里的、真實(shí)的微觀不對(duì)稱，不是統(tǒng)計(jì)效應(yīng)，不能被“取平均”消除。它意味著：就連我們認(rèn)為最基本的物理規(guī)律，本身就不是時(shí)間反演對(duì)稱的。

這自然引出了一個(gè)大膽的追問(wèn)：標(biāo)準(zhǔn)模型本身，會(huì)不會(huì)也是某個(gè)更深層、更對(duì)稱的理論的演生有效描述？

凝聚態(tài)物理學(xué)為這個(gè)想法提供了一種思路。在石墨烯中，非相對(duì)論性的碳原子晶格，在低能下涌現(xiàn)出滿足洛倫茲不變性的狄拉克費(fèi)米子[19]——相對(duì)論性的量子場(chǎng)論，從一個(gè)完全非相對(duì)論的系統(tǒng)中演生了出來(lái)。規(guī)范場(chǎng)、費(fèi)米子、甚至光速，都可以是多體系統(tǒng)的集體模式，而不必是最基本的存在。標(biāo)準(zhǔn)模型中的規(guī)范結(jié)構(gòu)和粒子譜，或許整個(gè)就是某個(gè)量子多體系統(tǒng)的低能有效理論——就像水的流體力學(xué)方程是水分子集體行為的有效描述一樣。

如果這個(gè)圖景是正確的，標(biāo)準(zhǔn)模型中的時(shí)間反演破缺就不是宇宙最深處的不對(duì)稱——它只是某個(gè)在更深層次上完全對(duì)稱的理論，在我們能觀測(cè)到的能量尺度上留下的有效印記。弱相互作用對(duì)時(shí)間反演的背叛，可能不是終點(diǎn)，而是一個(gè)指向更深層演生結(jié)構(gòu)的路標(biāo)。這當(dāng)然是高度推測(cè)性的想法，目前還沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。但它代表了物理學(xué)中一種深刻的可能性：還原論的終點(diǎn)或許不是一組終極方程，而是一個(gè)層層演生、在不同尺度上呈現(xiàn)出不同對(duì)稱性的宇宙。

對(duì)基本粒子的研究已接近地球上實(shí)驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到的極限。而凝聚態(tài)物理——在實(shí)驗(yàn)室的晶體中模擬各種量子場(chǎng)論、探索各種對(duì)稱性破缺的方式——也許正在以一種意想不到的方式，成為回答這個(gè)問(wèn)題的另一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)。

結(jié)語(yǔ)：時(shí)間反演串起了三個(gè)世界

回頭看這段物理的進(jìn)展，我們用時(shí)間反演對(duì)稱性這一條線索，穿越了三個(gè)尺度迥異的物理世界。

在宇宙尺度：微觀方程時(shí)間對(duì)稱，但統(tǒng)計(jì)力學(xué)告訴我們，宇宙從一個(gè)極低熵的初始狀態(tài)出發(fā)，無(wú)數(shù)粒子的集體行為給了時(shí)間一個(gè)單一的方向。時(shí)間之箭，本質(zhì)上是信息從可知走向不可知的單向漂移，射自宇宙誕生的那一刻。

在粒子物理尺度：弱相互作用通過(guò)CP 破壞，在最基本的層面上引入了微小但真實(shí)的時(shí)間不對(duì)稱性。正是這種不對(duì)稱，可能是我們由物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成的深層原因。

在量子材料尺度：大量電子的集體行為涌現(xiàn)出單個(gè)電子所沒(méi)有的物態(tài)。時(shí)間反演對(duì)稱性成為分類這些物態(tài)、保護(hù)拓?fù)浔砻鎽B(tài)的核心工具。磁性的出現(xiàn)意味著時(shí)間反演的自發(fā)破缺；而在籠目超導(dǎo)體這樣的前沿材料中，物理學(xué)家正在用各種精巧的實(shí)驗(yàn)手段，尋找一種更隱秘的時(shí)間之箭——手性環(huán)電流序留下的蛛絲馬跡。

凝聚態(tài)物理，正是連接這三個(gè)世界的橋梁。它用量子力學(xué)的語(yǔ)言描述單個(gè)粒子，用統(tǒng)計(jì)力學(xué)和對(duì)稱性理論描述集體行為，在微觀與宏觀之間搭建起一套嚴(yán)格而富有創(chuàng)造力的理論框架。同一個(gè)“時(shí)間反演”操作，在這里成為橫貫多個(gè)層次的共同詞匯。

物理學(xué)家相信，自然界最深層的真相必然是簡(jiǎn)潔的。但簡(jiǎn)潔不等于簡(jiǎn)單——從一個(gè)粒子到無(wú)數(shù)粒子，世界就展現(xiàn)出無(wú)窮多樣的面貌。演生的力量，讓每一層次都有自己的規(guī)律，自己的驚喜。

時(shí)間反演，這個(gè)在穿越劇里天天上演的故事，是一面物理學(xué)的鏡子，折射出的，是宇宙的結(jié)構(gòu)，是物理學(xué)的脈絡(luò)——從奇點(diǎn)到晶格，從概率到拓?fù)洌瑥倪z忘的代價(jià)到量子多體世界的秩序。

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本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“中科院物理所”，原標(biāo)題“時(shí)間之箭——從宇宙起點(diǎn)到量子材料”。編輯：涼漸。

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