1700943470
规范原理统一了三种力，但我们还剩下两样不同的东西：粒子和力。从前有两个努力以统一它们为目标：以太理论和统一场论，但都失败了。超对称是第三个。
1700943471
1700943472
量子论告诉我们，粒子是波，波也是粒子，但这并没有统一粒子和力。原因是，量子论还存在两大类基本实体：费米子和玻色子。
1700943473
1700943474
构成物质的所有粒子，如电子、质子和中子，都是费米子。所有力都由玻色子组成。光子是玻色子，如W和Z等伴随着其他规范场的粒子，也是玻色子。希格斯粒子也是玻色子。超对称提供了一种统一这两类粒子（费米子与玻色子）的方法。那是一种很新奇的方式，它假定每个已知的粒子都有一个我们尚未看见的超对称伙伴。
1700943475
1700943476
大致说来，超对称是一个过程，通过它可以在某些实验中以玻色子代替费米子，而不会改变各种可能结果的几率。这需要很高的技巧，因为费米子与玻色子有着非常不同的性质。费米子要服从不相容原理，那是泡利在1925年提出的，意思是两个费米子不能同时占据相同的量子态。就因为这一点，原子里的电子并不都处在能量最低的轨道。一旦有一个电子处于某轨道（或量子态），就不能在同一个状态放另一个电子。泡利不相容原理解释了原子和材料的很多性质。然而，玻色子的行为却相反：它们喜欢共享一个状态。当我们看到一个光子处于某个量子态时，就可能看到别的光子也在那个态。这种亲和性解释了场（如电磁场）的很多性质。
1700943477
1700943478
树立一个理论，能以费米子代替玻色子而得到稳定的世界，乍看起来是很疯狂的想法。但不管怎样，四个俄罗斯人——利希特曼（Evgeny Likhtman）和戈尔方德（Yuri Golfand）在1971年，阿库洛夫（Vladimir Akulov）和沃尔科夫（Dmitri Volkov）在1972年——发现他们可以写出一个具有那种对称性的和谐的理论，那就是我们现在说的超对称性。
1700943479
1700943480
那时，西方科学家与苏联科学家素无往来。苏联科学家难得出国旅行，在非苏联杂志上发表文章也是障碍重重。多数西方物理学家都不看苏联杂志的译本，于是，苏联人的几个发现没有受到西方的注意。超对称性就是其中之一。
1700943481
1700943482
就这样，超对称性曾被多次提出。1973年，两个欧洲物理学家魏斯（Julius Wess）和朱米诺（Bruno Zumino）发现了几个例子。他们的工作比苏联人的幸运，得到了关注，并很快有了发展。他们的一个新理论就是电磁力的推广，统一了光子与一种很像中微子的粒子。超对称的另一个发现与弦理论有关，我们后面要更详细地探讨。
1700943483
1700943484
超对称能是正确的吗？最初的形式肯定是不对的，它假定每个费米子都有一个相同质量和电荷的玻色子，这意味着必然有一个玻色子具有和电子一样的电荷和质量。这种粒子，假如存在的话，应该称为超电子。但假如真的存在，我们早该在加速器里看到了。
1700943485
1700943486
不过，将自发对称破缺的思想用于超对称，这个问题也好解决。结果是直截了当的。超电子获得了很大的质量，于是比电子重得多。调节理论的自由常数——有很多那样的常数——可以使超电子的质量变得任意大。但任何加速器产生的粒子都有质量上限，这就解释了为什么现有的粒子加速器都没有出现过超电子。事实上我们就是这样解释的。
1700943487
1700943488
注意这跟我们讲过的其他故事有着相似的地方。在这些故事里，都有人提出新的统一，也导出了重要的实验结果，不幸的是实验不符合理论。于是，科学家将理论复杂化，在其中加入几个可调常数。最后，他们改变常数，隐藏错误的预言现象，从而解释为什么统一（如果正确的话）没有得出任何观察的结果。但这种操作使理论很难证伪，因为我们总可以通过改变常数来解释任何负结果。
1700943489
1700943490
从超对称的故事我们看到，它从一开始就是为了隐藏统一的结果。这并不意味着超对称没用，它确实解释了为什么在经过了30多年的发展之后，还没有明确的可以检验的预言。
1700943491
1700943492
我只能想象魏斯、朱米诺和阿库洛夫（那几个俄罗斯人中唯一健在的）会有什么感觉。他们也许做出了他们那一代的最重要发现，也许只是发明了一个与自然无关的理论玩具，至于到底是哪种情形，至今还没有证据。在过去的30年里，每个新基本粒子加速器开始运行时，要做的第一件事情就是寻找超对称预言的粒子。一个也没找到。常数不断向上调整，我们也等着下一次实验。
1700943493
1700943494
今天，我们都在盯着CERN正在建设中的巨型重子对撞机（LHC）。如果计划进展正常，它将在2007年运行。粒子物理学家们都希望这个机器能帮助我们摆脱危机。最重要的是，我们想LHC能看到希格斯粒子，即携带着希格斯场的大质量玻色子。如果它不能，我们的麻烦就大了。
1700943495
1700943496
但风险最大的思想还是超对称。如果LHC发现了超对称，其创立者理所当然会赢得诺贝尔奖。如果没有，就该有纸帽子带了——不是给他们，因为创立新理论是没有什么羞耻的，而是给我们这一代人，因为我们的一生都在扩张那个理论。
1700943497
1700943498
LHC承载了太多的希望，因为它的发现能让我们更好地认识第一章提出的五大问题之一：如何解释标准模型的自由常数值？为说明这一点，我们需要理解这些数值的一个突出特征，即它们不是很小就是很大。一个例子是力的强度之间的差别。两个质子之间的电斥力比它们之间的引力强大约38个数量级。粒子质量的悬殊也很大。例如，电子质量是质子的1/1800。如果存在希格斯玻色子，其质量至少是质子的120倍。
1700943499
1700943500
为了概括这些数据，我们似乎可以说粒子物理学是有等级的，而不是民主的。四种力的强度悬殊，从强到弱（即从强核力到引力）形成等级。物理学中的不同质量也形成等级。最顶层的是普朗克质量，它是量子引力效应发生作用时的能量（记住，质量与能量其实是同一个东西）。比普朗克质量大约低4个数量级，是另一个尺度，应该看到电磁力与核力的差别。在那个能量（叫大统一尺度）进行的实验看不到三个力，而只有一个力。比普朗克尺度小16个数量级是TeV尺度（即1012电子伏特），弱核力与电磁力就在这儿统一，因而叫弱相互作用尺度。在这个区域我们应该看到希格斯玻色子，许多理论家还希望看到超对称。LHC就是为了探测这个能量尺度下的物理学而建造的。质子质量比它低3个数量级，再低3个数量级就到电子，而也许还要低6个数量级才到中微子。这样继续小下去，最底层的就是真空能量，即使没有物质，它也存在于整个空间。
1700943501
1700943502
这是一幅美妙而疑惑的图像。大自然为什么会那么等级森严？为什么最强与最弱的力悬殊那么大？为什么质子和电子质量比普朗克质量或大统一尺度小那么多？这就是通常所说的等级问题，我们希望LHC能为它带来一点光亮。
1700943503
1700943504
那么我们通过LHC能看到什么呢？这是自20世纪70年代初标准模型成功以来粒子物理学的中心问题。理论家盼望LHC已经30年了，我们准备好了吗？令人沮丧的是，没有。
1700943505
1700943506
假如准备好了，我们就可以令人信服地预言LHC能看到什么，而我们只需要等着检验就行了。假如我们真的完全认识了粒子物理学，而地球上几千个最聪明的人竟然说不出下一个伟大实验会发现什么，就太奇怪了。但是，除了希望看到希格斯玻色子以外，我们确实提不出什么明确的预言。
1700943507
1700943508
你大概以为，既然没有共识，至少总该有几个竞争的理论能提出这样的预言吧。实际情况要坏得多。我们手头真的有几个不同的统一，而且都有一定的成绩，可没有哪一个特别显得更简单、更有解释能力，也看不出成功的迹象。为什么过了30年我们还不能将理论打扫干净呢，我们需要更仔细地来看等级问题。为什么质量和其他常数有那么大的悬殊？
1700943509
1700943510
等级问题面临两个挑战。第一个是什么决定着常数，是什么导致了那么大的差别？第二个是常数是如何固定下来的？这个稳定性问题很令人困惑，因为量子力学有一个奇怪的趋向，要把所有质量拉到一起来，趋近普朗克质量。这里我们不必讨论为什么，但其结果是，我们调节常数的摁钮仿佛由一直绷紧的橡皮筋联系着。
1700943511
1700943512
结果，我们可以在标准模型里保留常数的巨大差别，但这要求精确选择常数。我们希望的实际质量的悬殊越大，理论家必须越精细地调节其内禀质量（即没有量子效应时的质量），将它们截然分开。至于如何精细，要看粒子的类型。
1700943513
1700943514
规范玻色子的问题不是很大，对称性基本上消除了橡皮筋对其质量的拉扯。不论是否考虑量子效应，光子（携带电磁力场的玻色子）都没有质量，所以它不存在问题。组成物质的粒子，如夸克和轻子，也没有问题。它们来自量子效应的那部分质量，正比于其内禀质量。如果内禀质量小，总质量也小。于是我们说，规范玻色子和费米子的质量是受保护的。
1700943515
1700943516
问题出在不受保护的粒子，在粒子物理学的标准模型里，那意味着希格斯粒子，而且只有希格斯粒子。原来，为了防止希格斯质量被拉向普朗克质量，我们必须把标准模型的常数精确调整到小数点后面32位。如果有一位数字不精确，希格斯玻色子最后都会比预言的质量大得多。
1700943517
1700943518
于是，挑战落到了希格斯粒子——就是要将它做小。1975年以来探讨过的许多物理学思想都是为着这样一个目的。
1700943519
[
上一页 ]
[ :1.70094347e+09 ]
[
下一页 ]