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物理学中最被低估的未解之谜是什么?

如果要问当今物理学领域中最大的未解问题,不同的物理学家会给出各种回答——粒子物理标准模型的级列问题、重子形成的问题、暗物质、暗能量、量子引力、宇宙的起源以及万有理论。

然而,近半个世纪以来,还有一个从未得到应有重视的未解问题——强CP问题,这是现代物理学中最被低估的难题。大多数的物理难题需要超越标准模型的新物理学理论,但强CP问题并不是这方面的问题,而是标准模型本身的问题。

粒子物理标准模型

粒子物理标准模型统一了三种基本自然力——电磁力、弱核力以及强核力,这套理论能够精确描述组成宇宙的基本粒子以及它们之间的相互作用。常见的粒子包括传递电磁力的光子、传递弱核力的W及Z玻色子、传递强核力的胶子,还有组成原子核的夸克、电子等等。

夸克(与反夸克)总共有六种或者说六味,每一种都带有电荷和色荷。轻子(与反轻子)也有六种,其中三种带有电荷(电子、μ子和τ子),而另外三种不带电荷(中微子)。传递电磁相互作用的粒子只有光子一种,传递弱相互作用的粒子有三种规范玻色子(W+、W-和Z),传递强相互作用的粒子有八种胶子。

为什么会有这么多粒子?这就是事情变得有趣的地方。在传统的数学方法中,所有的操作都是我们所说的可交换。简单地说,可交换的意思是不管以什么顺序做运算,结果都是一样的,例如,1+2等于2+1,2×3等于3×2。

然而,其他事情是不可交换的。举个例子,把手机屏幕正对着你的脸,然后试着做以下两件事:

(1)先沿着垂直于人脸的轴逆时针旋转屏幕90度,然后沿着垂直于地面的轴顺时针旋转90度,此时屏幕朝向左侧。

(2)重新开始,同样做两个相同的旋转,但顺序调换一下:先沿着垂直于地面的轴顺时针旋转屏幕90度,此时屏幕朝左。然后,沿着垂直于人脸的轴逆时针旋转90度,此时屏幕朝下。

相同的两个旋转,但顺序相反,导致了完全不同的结果。

阿贝尔理论

当涉及到标准模型时,物理学家所使用的规则在数学上要比加法、乘法甚至旋转更复杂一些,但是概念是一样的。物理学家讨论的不是一组运算是可交换的还是不可交换的,而是描述这些相互作用的群是阿贝尔的还是非阿贝尔的,这是以数学家尼尔斯·阿贝尔命名的数学群论概念。

在标准模型中,电磁力是阿贝尔的,而强弱核力都是非阿贝尔的。阿贝尔和非阿贝尔的区别不是加法、乘法或旋转,而是以对称性的形式表现出来。阿贝尔理论应该有以下对称的相互作用:

C电荷共轭,用反粒子代替粒子;

P宇称,用镜像粒子代替所有的粒子;

T时间反演,物理规律在时间向前和向后流逝的情况下保持不变。

然而,非阿贝尔理论则应表现出差异性。

强CP问题

对于电磁相互作用,C、P和T都是各自守恒的,其任何组合——CP、PT、CT和CPT,也都是守恒的。对于弱相互作用,C、P和T分别被发现出现破缺,两两组合——CP、PT和CT,也都出现破缺,但三个组合CPT是守恒的。

这样就会出现问题。在标准模型中,某些相互作用是禁止的,而有些是允许的。对于电磁相互作用,C、P和T的单独对称破缺都是禁止的。对于弱相互作用和强相互作用,CPT同时出现破缺是禁止的。虽然在弱相互作用和强相互作用中都允许出现CP对称破缺,但这种现象只在弱相互作用中出现过。虽然CP对称破缺允许存在于强相互作用中,但至今没有被发现这种现象,这就是强CP问题。

如果没有一条守恒定律禁止相互作用的发生,那么,这种相互作用发生的概率就是有限的,非零的。

在弱相互作用中,CP对称破缺发生的概率为1000分之一。但在强相互作用中,至今仍然没有发现CP对称破缺。如果对称破缺在强相互作用中真的存在,它被抑制了超过10亿倍。为什么在强相互作用中,粒子的衰变与镜像反粒子的衰变完全一致?为什么中子没有电偶极矩?

强CP问题的解决

在1977年,物理学家提出了一种新的对称性,它在强相互作用中会抑制CP对称破缺,并预言了一种新粒子的存在:轴子。理论上,轴子非常轻,没有电荷,并且数量应该非常丰富。事实上,轴子是一个完美的暗物质候选粒子。物理学家认识到,如果轴子存在,它们可以在地球实验室中探测到。但遗憾的是,目前还没有发现轴子的存在。

强CP问题的解决方法可能并不在于一种新对称性,轴子可能根本不存在于宇宙中。在物理学中,我们发现的任何现象都有无数种可能的解答。只有通过实验和观测,我们才能找到适用于我们宇宙的物理学理论。

在理论物理学的各个前沿领域,都有很多重大谜团等待解决。我们不知道暗物质和暗能量是由什么组成的,我们不知道早期宇宙中的正物质是如何超过反物质的。但强CP问题不同于那些前沿问题,这是一个难解之谜,并不是因为我们观测到了某些未知的东西,而是因为我们观测到了某些东西的缺失。

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