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物理学的困惑 第五章 从统一到超统一
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第一代大统一理论的失败给科学带来了至今犹在的危机。20世纪70年代前，理论与实验手拉手前进，新思想在几年或顶多10年内就能得到验证。从18世纪80年代到20世纪70年代，我们关于物理学基础的认识，大概每10年就有一次大的进步。而每一次进步，理论都补充了实验。但自20世纪70年代末以来，我们对基本粒子物理学的认识还没有一个真正的突破。
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当一个伟大的思想失败时，总有两种不同的应对方式。我们可以降低标准，先回到从前的知识积累，而不着急用新的理论和实验工具去探索知识的边缘。许多粒子物理学家就是这样做的。结果是标准模型很好地通过了实验验证。过去25年影响最大的发现是中微子具有质量，但这个现象可以通过微调标准模型来满足。除此而外，模型没有任何修正。
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对大思想失败的另一种应对方式是找一个更大的思想。开始可能只有几个人走这条路，后来人会越来越多。这是我们不得不走的路线；迄今为止，这些新思想还没有得到实验的支持。
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这些年提出和研究过的大思想中，有一个赢得了最多的关注，那就是所谓的超对称。假如它是对的，就可能成为相对论和规范原理那样的我们认识自然的基础。
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我们已经看到，这些统一发现了隐藏在原来我们认为不同的各方面之间的联系。空间和时间最初是两个截然不同的概念，狭义相对论统一了它们。几何与引力过去也是毫不相干的，但广义相对论统一了它们。不过仍然存在两大类事物，构成我们生存的世界：构成物质的粒子（夸克、电子等等）和相互作用的力（或场）。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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