这是《万有理论》系列文章的第5篇。
强CP问题，可不是什么跟“最强情侣”有关的问题。其实，当它们组合在一起的时候，就成了粒子物理学中悬而未决的重大难题之一。对强CP问题的理解也将帮助我们叩响“新物理”的大门。要理解强CP问题，我们首先得了解什么是“强”，什么是“CP”。
【基本力之一：强相互作用】
△ 四种基本相互作用，从左自右：电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力。（图片来源：Stichting Maharishi University of Management, the Netherlands）
这里的“强”是指强相互作用，是自然界的四种基本相互作用之一（其它的三种为引力、电磁相互作用和弱相互作用）。
从昨天的《你脑海中的原子模型是什么样的？》我们知道原子是由原子核和电子构成的。除了氢气，原子核都是由质子和中子组成的。但问题是是什么把原子核紧紧地束缚在一起？我们就需要一个比电磁力更强的力，这个力就是强核力，如果没有它，质子之间就会相互排斥。
△ 左边：原子核；右边：由夸克组成的质子和中子。（图片来源：Derek Owens; Matt Strassler）
事实上，单个质子和中子也是由强核力束缚在一起的，因为质子和中子都不是基本的，而是由更小的带电粒子夸克组成的。
△ 质子和中子是由上夸克(u)和下夸克(d)组成的，夸克的电荷是分数的。（图片来源： Learn EveryWare）
夸克独特的地方在于，它不仅拥有电荷，还拥有色荷。夸克的色荷共有三种：红、绿和蓝，当它们相结合的时候就会变成“无色”的，就好比红、绿和蓝光结合会变成白光一样。同样的，反夸克也有三种色荷：青（反红）、洋红（反绿）和黄（反蓝）。
△ 三种颜色的色荷结合在一起会形成色中性（即无色）的粒子；红色和反红色结合在一起也会形成色中性的粒子。注意：这边提到的“色荷”和可见颜色没有没有任何关系，它只是物理学家所发展出的数学系统，以解释夸克的性质。（图片来源：McLean County Unit District Number 5）
正如在《十个问题，带你认识粒子物理学》中作者也提到过，强相互作用其实是由胶子传递的。胶子不仅负责将单独的粒子——比如质子、中子或π介子——束缚在一起，它也将原子核束缚在一起。胶子的行为是由量子色动力学（QCD）所支配。
△ 胶子不仅将夸克束缚在一起，也将原子核束缚在一起。（图片来源：CERN / European Organization for Nuclear Research）
根据QCD，当两个夸克（或反夸克）之间的距离越来越大时，它们之间的相互作用力也越大，也就是说，如果两个夸克离的非常近，它们之间的相互作用力就非常小，这被称为“渐进自由”。打个粗糙的比方，这就好比是两个恋人，每天腻味在一起就会打打闹闹想分开，可是一旦离开对方，却又想方设法要聚在一起。这对于熟悉牛顿反平方比定律的人是非常反直觉的。
△ 如果把一个上夸克和反下夸克强行拉开，所需要的能量越来越高，一旦超过一个点，在真空中制造出一堆夸克/反夸克对。（图片来源： Flip Tanedo of Quantum Diaries）
此外，如果强行把两个夸克拉开，最终会达到一个点，一旦超过就会在真空中拉出一对粒子/反粒子对。也就是说在这个过程中制造出了多余的粒子，这也是很反直觉的，有点像奇怪的巴拿赫-塔斯基定理（又名“分球怪论”）。
在生活中，我们经常说的“质量”其实也跟强相互作用有关。我们身体的大部分质量都来自强相互作用，甚至是你坐的椅子、太阳和月亮的质量都来自于它。或许你会好奇，难道赋予粒子质量的不是来自希格斯机制吗？关于这个问题，有兴趣地读者可以进一步阅读《质量从何而来？》。
强相互作用还有很多值得讨论的地方，以上只是很简单的描述了它的一些基本信息。如果你有一定的相关知识储备量，我推荐你阅读文献【1】中诺贝尔得主Frank Wilczek撰写的文章，是QCD很好的入门文章。
尽管我只是简单的描述了强相互作用，但是你要记住，如果没有它，恒星就不会发光，也没有复杂的分子会产生，更不会有任何的岩石行星出现在宇宙的任何角落。
【自然界中的基本对称性：CP对称】
那么CP又是什么？在20世纪初，艾米·诺特发现了基本物理学定律和对称性有关。她把连续对称性和守恒定律连接了起来，例如，一个系统对于空间平移的不变性（物理定律不随空间中的位置而变化）给出了动量的守恒定律。诺特定理优雅地描述了这一关系，并且是许多现代物理理论的基础。诺特展现给我们的一些最强大的对称是那些跟空间和时间相联系的对称。
△ 艾米·诺特。（图片来源：Wikipedia）
举个例子，镜像对称，也被称为宇称不变性（用字母“P”表示宇称）。当你照镜子的时候，镜中的你跟现实中的你正好左右相反。如果你举起右手，镜像中的你就会举起左手。镜中的你心脏在右侧，身上的表针逆时针走。现在想象有一个镜像宇宙，在这个宇宙中所有的东西都是相反的。在这个宇宙的我们都是左边驾驶的，太阳会打西边升起，从东边日落等等。但基本上没有任何其它东西会改变，事实上我们只要把左边和右边的概念对换一下就会跟我们身处的这个宇宙没有任何区别。
至少，这种情景在宇称守恒的前提下是正确的。在大多数情况下，自然并不区别左和右，宇称是守恒的。但是1950年代中期，物理学家发现了一些“奇异粒子”，某些粒子在它们的衰变方面有令人困惑的性质。这样的困境直到1956年才得以解决，那个时候杨振宁和李政道提出了一个在当时看来是惊世骇俗的建议：宇称不守恒！
他们建议研究一个自旋的放射性原子核。我们知道在放射性原子核中，原子核是有一定的几率发生衰变的，并且由弱相互作用决定。衰变的原子核会放出一个电子和一个中微子，后者在实验中观察不到。因此科学家必须把目标集中在高速飞出的电子上。假定电子沿核自旋方向射出。如果宇称守恒，电子应该在核自旋方向和相反方向有相同的射出几率。在真实实验中涉及许多原子核，我们会观察到从许多衰变中射出的电子，看看它们是否偏爱哪个方向。如果在我们的世界中，电子更多沿核自旋的方向射出，而镜中世界则会观察到电子更多沿核自旋的反方向射出，因此我们就可以得出结论：自然破坏宇称不变性。
△ 吴健雄的实验：这听起来是一个并不困难的实验，但当时吴健雄遇到的实验难题是没有人能够提供给她一个自旋的原子核。因为实验样品中的巨大数量的原子核在不同的方向上转动。只有设法把这些核自旋排列好来，实验才能奏效。在室温下，原子在永久的热激发中振动，所有以核自旋排列好了很快又都指向不同的方向。因为，她只能在低温下进行实验以使热激发最小。吴健雄最终克服了重重难关，证明了宇称不守恒，自然第一次把她的“手征”呈现在这位伟大的女士面前。（? Wikipedia）
1956年的时候，吴健雄通过观察钴-60原子的放射性衰变，发现电子主要从一个特定方向射出。她验证了杨振宁和李政道的理论：在弱相互作用中宇称不守恒。可想而知，这个消息在当时让物理界同行都目瞪口呆！
另一个对称是跟电荷（用字母“C”表示）有关的。在我们的宇宙中，质子带有正电荷，而电子带有负电荷。电荷对称关心的是如果电荷对换了会发生什么。我们知道粒子和它的反粒子有完全相同的质量，但电荷却相反。通过一个电荷共轭的操作，相当于在一个物理过程中把所有的粒子用相应的反粒子替代。就和想象镜中的世界一样，我们也可以想象一个由反物质构成的反世界。根据电荷共轭对称推断，我们的世界和反世界的物理定律应该完全一样。到1956年，不同的实验中已经验证了电荷共轭不变性。但是宇称既然被破坏了，物理学家不免要问，电荷共轭不变性是否也会被破坏。
△ 所有的中微子都是左手的，没有右手中微子的存在。所有的反中微子都是右手的，没有左手的反中微子存在。（? E. Siegel）
事实证明，电荷对称也是可以破坏的，也跟弱相互作用有关，特别是跟中微子有关。虽然中微子并不具有电荷，但它们却具有螺旋性。给定一个沿直线运动的自旋的粒子，我们可以问，前面所定义的自旋方向是沿运动方向呢还是与它相反？如果一个粒子的螺旋性是右手征的那么自旋方向与运动方向相同。从实验中表明，中微子有一个奇怪的性质：它永远是左手的。根据电荷共轭不变性推断，反中微子也应该是左手的，但是通过实验观察反中微子发现，它确实是右手的。弱相互作用也破坏电荷共轭不变性。
△ 一个逆时针转的介子（左上）衰变并往北射出电子。在P变换下（右上），介子顺时针衰变并往北射出电子；在C变换下（左下），逆时针转的反介子衰变并往北射出电子；在CP联合变化下（右下），该粒子变成顺时针的反介子衰变，并往北射出电子。（? E. Siegel）
宇称和电荷共轭都被破坏了，那么有没有这样一种可能性：如果我们能够建造一个魔镜，它不仅能反射左和右，还能把粒子变成反粒子，即粒子与反粒子互为镜像，那么自然有没有可能在宇称（P）和电荷共轭（C）的联合操作下不变。好景不长，在1964年的时候科学家也找到了在弱相互作用下CP破坏的证据。
【强CP问题】
现在的问题是，支配弱相互作用的电弱理论（EWT）和QCD是非常相似的。理论上，CP破坏是可以发生在强相互作用的，但目前在实验中我们还没有发现任何CP破坏的证据。在强相互作用的方程中，有一个角度 θ（代表了CP破坏的量）可以取任何值。但是 θ 的值非常小——甚至有可能为零——表明CP对称有可能在强相互作用中守恒。
△ QCD的拉格朗日密度。在 θ 不为零的情况下，强相互作用允许CP对称的破坏。
为什么？我们不知道为什么CP破坏只发生在弱相互作用，而不发生在强相互作用中。科学家提出了一些可能的理论解释：
Peccei–Quinn理论：这是最被看好的一个理论。该理论是由 Roberto Peccei 和 Helen Quinn提出，他们认为参数 θ 并不是一个常数，而是一个场，它的值可以演化。正是该场的近似对称导致了 θ 参数很小或为零。在量子场论中，一个场总是有相应的粒子，因此在Peccei-Quinn机制预测了一个新的粒子：轴子。这个理论同时也解决了物理学的另一个大问题：暗物质。
SMASH理论：在不久前，物理学家Guillermo Ballesteros提出了另一个理论，称为SMASH。该理论不仅解决了强CP问题和暗物质，也解决了物理学的另外三个大问题（详见：《一个理论，同时解决物理学的五个大问题》）。但无论是Peccei-Quinn理论还是SMASH理论，他们想要成功就必须要在实验中找到轴子的踪迹！
Nelson-Barr机制：或许CP对称是自然界中真正的对称，但为了保持 θ 的值很小，它稍微的被破坏了。1984年，Ann Nelson 和 Stephen Barr 通过计算认为这是可行的，但他们的机制要求存在一种质量很大的粒子，但问题是粒子的质量大到无法被实验探测到（文献【3】）。
2003年，物理学家还提出了一种不需要引进新粒子的方法来解释强CP问题，具体可参考文献【2】。
强CP问题是一个强烈的信号表明现有的理论（即粒子物理学的标准模型）是不完整的，隐藏在它背后的秘密正等待着我们去发现。
参考文献：
【1】http://www.frankwilczek.com/Wilczek_Easy_Pieces/298_QCD_Made_Simple.pdf
【2】https://arxiv.org/pdf/hep-ph/0012284.pdf
【3】https://arxiv.org/pdf/1506.05433.pdf
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