物质和反物质_宇宙时间奥秘
现在，我们还是继续对时间之箭的探索。一个对寻找时间之箭具有魅力的地方，是在亚原子粒子的奇异世界。我们所依据的基本原理，出自英国数学物理学家狄拉克（ Paul Adrien MauriceDirac），他在三十年代量子论和狭义相对论相结合的过程中，起了关键性作用。开始的时候，狄拉克学的是电气工程师，但是他很快发现，他的爱好偏向于物理学。他有善做智力体操的令人敬畏的名声，以及怕羞、孤独的禀性。有
一次，当他在多伦多大学作完演讲之后，听众中有一位加拿大教授问道：“狄拉克博士，我还没有搞懂，你是怎么样推出黑板左上角的那个公式的。”在一阵长时间沉默之后，并且也是在会议主持者的提醒之下，狄拉克这才回答说：“他说的不是一个疑问句，而是一个陈述句。”
薛定谔从一开始就认识到，他自己的方程有局限性——不满足爱因斯坦狭义相对论的要求（特别是，它不是洛伦兹不变的），而且，它也不能说明原子光谱的精细结构。狄拉克针对这一问题，在 1928 年得出了一个相对论性的方程，它表明电子必须绕自己的轴自旋。除此之外，狄拉克方程的数学特点使他提出，应当存在正电子，这是“反物质”的一个基元。正电子的质量和电子的一样，但是电性相反。正负电子的碰撞会使得二者同时湮灭，而产生辐射爆发。安德森（Carl Anderson） 1932 年所做的一个实验，证实了正电子的存在，因而使反物质成为现实。这个发现从根本上改变了基本粒子物理的基础概念。在此之前，物理学家们对古希腊物质不变的观念深信不疑。这个实验之后，人们认识到物质可以任意产生和消灭。
根据狄拉克的数学描述，正电子被解释为如同它的反粒子——电子——在时间上向后退行。费曼甚至于提出整个宇宙中只有一个电子，它在时间上时而向前时而向后，轨道运动是如此复杂，使我们以为在任何瞬间都看到了大量单独的电子。像我们在第三章谈过的戈德尔的时间旅行一样，费曼的“一个电子”理论需要不同的时间方向同时存在，这导致与因果性观念的直接冲突，并且不可避免地，它产生的问题比它解决的要多。
在物质、反物质、空间对称性和时间的两个方向之间，存在着一个错综复杂的关系。它出现在一个奇特的 CPT 定理之中，这个定理是物理学微观定律数学形式的一个结果。CPT 定理来源于一些定律的对称性，把任何过程中的粒子换成反粒子、把该过程换成它的镜像（即如同在一面镜子里看到的该过程）、以及把时间倒转这三个变换同时操作的情况下，这些定律保持不变。这个定理是吕德斯（G．Lüders）于 1954 年，泡利于 1955 年分别得出的。它的名字起因于三种抽象操作，它们的共同结果使得对称性得以保持：
◆C 电荷共轭，它把物质转换成反物质；
◆P 空间反演，它把空间坐标转换成它的镜像；
◆T 时间反演，它把时间方向倒转。
CPT 三重操作对于一个过程作用的结果，产生了另一个同样容许的过程，它也由同一理论框架所描述。不太严格地说，CPT 定理断言，物理规律预言了在一种“泛镜像”世界中的等量但相反的事件。它同时可以告诉我们，时间对称性是如何可能被破坏从而产生出时间箭头。
CPT 形式下的对称性可以用来演绎物理学。这样我们会发现，量子定
律对于一个飞过球场的板球的描述，与对于这个板球的反物质的镜像在时间上倒退，最后飞回到投球手手里的描述是一样的。CPT 定理最重要的一点是，如果所讨论的过程是 CP 对称的，则它必须也具有时间可逆的对称性（T）。这在本质上类似于，我们可以从一套餐具中餐叉的数目，推断出餐刀的数目。CP 对称性还意味着，如果有一只反物质的左手戴着一块反物质的表，则一定会有一只正常物质的右手戴着一块正常物质的表；这样 T 对称性就表明，每一只表在时间上既可以向前走也可以向后走。相反地，如果 CP 对称性受到破坏——也就是反物质的左手不再有相应的正常物质的右手——则 T 对称性也要受到破坏：左手上戴的表在时间上就只能向前而不能向后。这看来就按归并派的想法，对于时间之箭在理论上给出了一个基本原理，它显然与前面谈到的测量问题完全无关。然而，几乎所有已知的“基本粒子”的相互作用都满足严格的 CP 对称性，因此它们对时间进行的方向并没有特别的要求，因为它们是时间对称的。
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