种夸克不一样，并让两种夸克加起来的总电荷数为零，满足条件的最简
单的方法就是一个下夸克加一个反奇夸克，或者反过来也一样[124]。按
照惯例，我们将下夸克/反奇夸克组合叫作“中性K介子”，奇夸克/反下夸
克组合就叫作“中性反K介子”。两种K介子的质量完全相等，都约为质
子或中子质量的一半。很自然就会想到在K介子和反K介子之间寻找振
荡，而在实验粒子物理学领域，这种追寻也确实成了一门产业（图
38）。（也有带电荷的K介子，由上夸克和奇夸克组合而成，但对我们
的目标来说没什么用处；就算我们出于简化省去“中性”这个词，我们要
说的也仍然是中性K介子。）
图38 中性K介子和中性反K介子。因为两者电荷数相同，总的夸克数也都是零，所以K介子和
反K介子可以彼此振荡成对方，尽管两者是不同的粒子
这样一来，我们就可以将K介子和反K介子收集起来，并在这些粒
子来回振荡相互转化时仔细追踪。如果时间反演不变不成立，我们可以
预计，其中一个过程会比另一个过程花的时间要稍微长一点；结果就
是，平均而言我们收集的这堆介子中，K介子会比反K介子稍微多一
点，或者是反过来的情况。但很不幸，这些粒子也没有在自己身上贴个
小标签告诉我们自己是什么型号。它们倒是会最终整个衰变为别的粒子
——K介子衰变为带负电的π介子、反电子和中微子，而反K介子则衰变
为带正电的π介子、电子和反中微子。如果测量一下其中一种衰变的频
率并与另一种相比较，就能弄清楚原来的粒子过程中K介子要花的时间
是不是比反K介子要多。
尽管理论预测已经建立了一段时间，但这一实验还是要到1998年才
由位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）实验室的CP低能反质
子环（CPLEAR）实验真正实施[125]。实验人员发现，他们的粒子束在K
介子和反K介子之间来回振荡之后，作为K介子的衰变频率要比作为反K
介子的稍微高一点点（约为0.67%）；振荡粒子束作为K介子存在比作
为反K介子花的时间要稍微多一些。换句话说，从K介子到反K介子的过
程，跟时间反演的从反K介子到K介子的过程相比，花的时间要稍微长
一点点。在现实世界中，基本粒子物理学并不具备时间反演的对称性。
至少不是我们前面所定义的“单纯”的时间反演。在基本粒子的世界
中，是否有可能找到某种额外的转换，使得时间反演不变在某种意义上
得以保留？确实有这种可能，也很值得讨论。
自然界的三种反射
当我们深入挖掘粒子物理如何运转的深层内涵时，事实证明可能有
三种不同的对称性涉及“反演”这一物理特性，每一种也都可以用一个大
写字母表示。我们有时间反演T，就是把过去和未来交换。我们也有宇
称P，就是把左右交换。我们在棋盘世界的背景下讨论过宇称，但宇称
跟现实世界的三维空间也同样密切相关。最后，我们还有“电荷共
轭”C，这是个很别致的称呼，代表将粒子与其反粒子互换的过程。C、
P、T三种变换都有这样的特点：如果在一个状态中重复进行两次，就会
回到一开始的状态。
原则上我们可以想象出一组物理定律，分别进行这三种变换的每一
种时都是不变的。实际上，现实世界表面上看起来就是这样，只要你不
过于吹毛求疵（比如说，去研究中性K介子的衰变）。如果我们将反质
子和反电子结合起来形成反氢原子，这个原子就会具有跟普通的氢原子
几乎一模一样的特性——只除开一点，如果这个反氢原子碰到了普通的
氢原子，两者就会一起湮灭，变成辐射。因此，C乍一看似乎是很好的
对称性，P和T也同样如此。
所以到了20世纪50年代，当这些变换之一的宇称被证明并不是自然
界的对称性时，实在是令人大感意外。这个结果主要出自三位生于中国
的美籍物理学家的努力：李政道、杨振宁和吴健雄。宇称不守恒的想法
已经流传了一段时间，不少人都提出过这个想法，但从未有人认真对
待。在物理学界，声望的增长不只是在那些随随便便提出想法的人身
上，更是在那些将想法看得足够认真，将其投入实际工作中并转化为相
当好的理论或决定性的实验的人身上。在宇称不守恒这个例子中，是李
政道和杨振宁坐而论道，对这个问题进行了详尽的分析。他们发现，有
充足的实验证据表明，电磁作用力和强相互作用力在宇称转换下都是守
恒的，但一旦涉及弱相互作用力，问题就出现了。
李政道和杨振宁也提出了一些方法，可以用于在弱相互作用领域研
究宇称不守恒问题。最后他们说服了吴健雄，让她相信这个问题值得大
干一场。吴健雄是弱相互作用领域的实验物理学家，也是李政道在哥伦
比亚大学的同事。她从美国国家标准局招揽了一些物理学家，跟她一起
实施低温条件下磁场中钴-60原子的实验。
在设计实验时，吴健雄越来越相信，这个项目极为重要。在后来的
回忆中，她生动地讲述了自己被科学史上的关键时刻眷顾时是多么兴
奋：
在李教授的拜访之后，我开始深入思考这个问题。对搞β衰变
的物理学家来说，这是个进行关键实验的绝好机会，我怎么能让这
么好的机会白白溜走呢？——这年春天，我先生袁家骝和我本来准
备去日内瓦参加一个会议，随后前往东亚。我们俩都是在1936年离
开的中国，已经整整20年了。我们预订了伊丽莎白女王号的航程，
之后我才突然意识到，我必须马上做这个实验，要不物理学界其他
人也会认识到这个实验有多重要，并抢先做出来。所以我告诉家骝
让我留下来，他自己去欧洲。
5月下旬，春季学期一结束，我就开始为实验认真做准备了。
到9月中旬，我终于去了华盛顿特区，跟安布勒（Ambler）博士第
一次见面……除了在华盛顿的实验上奔忙，我还得在实验间隙赶回
哥伦比亚大学教学和进行其他研究工作。圣诞节前夕，我赶最后一
班火车回到了纽约，机场因为大雪关闭了。在那里我告诉李教授，
观测到的不对称可以重复，而且十分显著，不对称参数几乎达到
了-1。李教授说，真是太好了，对中微子的两组分理论来说，这正
是人们应该期待的结果[126]。
你的另一半以及回到你儿时故乡的旅程，都得等一等了——科学在
召唤！李政道和杨振宁获得了1957年的诺贝尔物理学奖；吴健雄本该也
在获奖者之列，却未能与有荣焉。
弱相互作用的宇称不守恒一旦确立，人们很快就注意到如果将宇称
转换和电荷共轭C（也就是将粒子及其反粒子互换）结合起来，实验就
似乎又是守恒的了。此外，这好像也是对当时很流行的理论模型的预
测。因此，那些因为宇称在自然界中并不守恒而大感意外的人，从C与
P结合好像能产生良好对称性的想法中得到了些许慰藉。
但这种慰藉也落空了。1964年，詹姆斯·克罗宁（James Cronin）和
瓦尔·菲奇（Val
Fitch）领导的合作小组研究了我们的老朋友中性K介
子。他们发现，中性K介子以一种宇称不守恒的方式衰变，而中性反K
介子衰变的方式对宇称的破坏与此稍有不同。换句话说，将宇称变换和
粒子、反粒子交换的变换结合起来，得到的变换也并不是天然对称的
[127]。克罗宁和菲奇获得了1980年的诺贝尔物理学奖。
到头来，所有可能的对称性C、P、T在自然界中都不守恒，将三者
中任意两者组合起来的结果也同样如此。显而易见的下一步就是探寻所
有三者的组合——CPT。也就是说，如果我们对自然界中观察到的某个
过程，将所有粒子都换成相应的反粒子，将左右翻转，再将这个过程在
时间中反向运行，能得到一个遵循物理定律的过程吗？这时候，其他所
有对称性都已经被破坏，我们可能会得出结论说，对这种形式的对称性
持怀疑态度也无伤大雅，并猜测就连CPT都是不守恒的。
又错啦！（提出一个问题然后接着抢答的感觉真是太好啦。）就目
前已经做过的实验来说，CPT是自然界中的完美对称。而且还不止于
此，在对物理定律做出某些相当合情合理的假设之后，可以证明CPT必
须是完美对称的——这个结果被异想天开地命名为“CPT定理”。当然，
多么合情合理的假设也有可能是错的，无论是搞实验的还是搞理论的都
没有回避，都在继续探索CPT有没有可能不守恒的问题。但就我们所
知，这种特别的对称性目前还站得住脚。
前面我曾提及，往往有必要修正时间反演的操作，从而得到一种自
然界会遵循的转换。在粒子物理标准模型中，必要的修正涉及在我们的
时间反演中加入电荷共轭和宇称变换。大多数物理学家都发现，将C、
P、T全都分别守恒的假想世界与只有CPT的组合才守恒的现实世界区分
开更方便，并由此宣称，现实世界在时间反演下是不对称的。但是，有
办法修正时间反演使之显得在自然界确实对称，认识到这一点也很重
要。
信息守恒
我们已经看到，“时间反演”涉及的不只是将系统的演化反向，让所
有状态以相反的时间顺序运行，同时也要对状态进行某种转换操作——
可能只是让动量反向，或是翻转我们棋盘上的一行，再或者就是更加复
杂的，像是将粒子换成反粒子。
在这些情形当中，每一组合里的物理定律在某种形式的“复杂时间
反演”下都是不变的吗？总是有可能找到关于状态的某种变换，使得时
间反演的演化符合物理定律吗？
非也。我们之所以能成功定义“时间反演”，使得某些物理定律能在
该操作下保持不变，是有赖于另一个关键假设——信息守恒。简单来讲
就是，过去的两个不同状态总是会演化成未来两个不同状态——绝不会
演变成同一个状态。如果这个假设成立，我们就叫作“信息得到保留”，
因为根据对未来状态的认知就足以弄清在过去与之对应的必定是什么状
态。如果某些物理定律符合这个特征，就说这些定律是可逆的，并且存
在某些（可能很复杂的）转换，使得我们对状态进行这样的转换后，满
足时间反演不变[128]。
让我们回到棋盘世界，看一下这个想法的实例。如图39所示的棋盘
D，看起来非常简单。有一些斜线，还有一竖列灰色方格。但这里有些
情况是我们前面那些例子中从来没有出现过的：不同的灰色方格线
在“相互作用”。具体来讲，似乎斜线既可以从右边也可以从左边接近竖
列，而斜线一旦抵达竖列，这条斜线也就走到头了。
图39 具备不可逆特性的棋盘。过去的信息没有保留到未来
这是一条相当简单的规则，也构成了一组完全可以遵从的“物理定
律”。但棋盘D跟我们前面那些棋盘相比有个根本区别：这个棋盘是不可
逆的。状态空间跟往常一样，只是白色和灰色方格沿任意一行的列表，
外加一点额外信息，说明该方格是来自右行斜线、左行斜线，还是竖
列。有了这些信息，将状态在时间中正向演化完全没有任何问题——我
们百分之百知道往上走下一行会是什么样子以及再下一行，以至无穷。
但如果我们只知道其中一行的状态，就没法在时间中将其反向演
变。斜线可以接着走，但从时间反演的角度来看，竖列也许会以完全随
机的间隔分出斜线来（从图39中所示的视角来看，就对应于斜线与灰色
方格竖列会合时会被竖列吸收）。如果我们说某物理过程是不可逆的，
意思是我们无法通过当前状态构建过去，眼前这个棋盘就是这种情况的
绝佳例子。
在这种情形下，信息丢失了。知道某个时刻的状态，并不能完全确
定更早的状态是什么。我们有一个状态空间——对一行白色和灰色方格
的具体说明，灰色方格会带有标记，指出这些方格是往右上方、左上方
还是垂直向上移动。这个状态空间不会随时间改变，每一行都是同一个
状态空间中的成员，任何可能的状态都允许出现在任一具体行。但棋盘
D非同寻常的特征是，不同的两行在未来可以演变为同一行。一旦我们
在未来得到了这样一行，是哪种过去的布局让我们演变成这样的，这个
信息就无可挽回地丢失了。演变不可逆。
在现实世界中，明显的信息丢失一直都在发生。考虑一杯水的两种
不同状态：一种状态下水是均匀的，处处都是同一个很低的温度；另一
种状态下，我们看到的是温水加冰块。这两个状态在未来可以演变为看
起来一样的状态——一杯冷水（图40）。
图40 一杯水中明显的信息丢失。作为未来状态的一杯冷水可以来自同样状态的一杯冷水，也
可以来自温水加冰块的混合
前面我们也碰见过这种现象，这就是时间之箭。随着冰块在热水中
融化，熵增加了；这个过程可以发生，但绝不会不曾发生。未解之谜在
于，构成水的单个分子的运动在时间反演下完全不变，但从冰和液体的
角度出发的宏观描述并非如此。要理解可逆的基本定律如何引起宏观上
的不可逆，我们就得回到玻尔兹曼那里，看看他关于熵的想法。
