第13章 超对称:超越标准模型的大飞跃
你为我而生,
我生来为你。
艾克第一次到天堂时,先被领进了一个培训课堂。在那里,他了解了天堂里的规则。令他惊讶的是,他得知右翼宗教团体从根本上讲是正确的,实际上,家庭准则是他所处的这一新环境的基础。权力机构很久以前就确立了一个传统的家庭结构,来保证世代的划分及婚姻的稳定:上层男必然要娶下层女;
一个风姿俊秀的人必然匹配一个形貌古怪的人;城里的姑娘必然要嫁乡下的小伙子。所有人,包括艾克在内,对此安排都很满意。
但是,艾克以后才得知,天堂里的社会结构也并不总是坚如磐石。起初,曾有过一些危险的、能量强大的潜入分子威胁到社会的等级基础,但是,在天堂里,大多数问题都能得到解决。上帝派给每人一个贴身护卫天使,天使与他们护卫的人一同英勇协作,消除了等级隐患,维护了社会的正常秩序,这样,艾克现在才能够乐在其中。
即便这样,天堂也并非安然无恙。结果呢,天使成了自由的一派,没有条文规定他们必须属于哪一代。一些反复无常的天使,曾经英勇地捍卫了等级,现在却威胁要摧毁天堂的家庭准则。艾克感到惊惧了,尽管传说中天堂是那么地美好,他却发现,这里也是一个危机四伏的地方。
“超”在物理术语里比比皆是:我们有超导体、超冷却、超饱和、超流体,还有超导体对撞机(SSC)——如果不是在1993年被国会否决,这就成了当今最高能量的对撞机了,带“超”的物理词汇还有很多。因此,当物理学家发现时空对称本身也有一个更大的“超”形式时,你可以想象他们有多兴奋。
“超对称”的发现真正是令人惊讶的。最初创建超对称理论的时候,物理学家还以为他们早就知道了空间和时间的所有对称。时空对称是我们比较熟悉的,在第9章我们已看过这种对称,它告诉我们,单从物理定律无法辨别自己处在什么位置、面对什么方向或现在是什么时刻。例如,假设你在加州或纽约打篮球,篮球的轨迹不会因为你在球场的哪一边而改变。
1905年,随着相对论的诞生,空间对称变换又囊括了运动速度和方向的变换。但是,物理学家还以为,这就是最后的对称了,没人相信还会有未发现的涉及时间和空间的对称。
1967年,两位物理学家杰弗里·曼杜拉(Jeffrey Mandula)和西德尼·科尔曼证实,不再存在其他的对称,人们的这一直觉由此形成了定式。但是,他们(以及所有人)都忽略了基于非常规假设的一种可能。
本章我们将介绍超对称——一种能够将玻色子和费米子交换的新型的奇异对称变换。现在,物理学家能够构建包含超对称的理论,但是,超对称做为自然的对称,还只是一种假设,因为至今没有人在我们周围的世界里发现它。不过,物理学家还是有两个主要的理由认为它可能存在于我们的世界:
第一个理由是超弦,下一章我们将对此进行全面探讨。超弦理论包含了超对称,是唯一已知可能重现标准模型粒子的弦理论形式。如果没有超对称,弦理论就不大可能描述我们的宇宙。
第二个理由是超对称理论有可能解决等级问题。超对称不一定能够解释弱力质量与普朗克质量巨大差异的根源,但确实消除了对希格斯粒子质量的巨大量子贡献。等级问题是一个严重的、令人伤脑筋的问题,面对这一问题,很少有提议能够经得起实验验证和理论推敲。直到额外维度理论被提出成为可能的解决方法之前,超对称是唯一有希望的方案。
因为至今还没人知道,现实世界中究竟是否存在超对称,我们现在所能做的就是估量这些候选理论及其结果,这样,当实验达到高能量时,我们就会有充分的准备来辨认,支撑标准模型的究竟是什么物理理论。那么我们现在就来看看可供选择的都有些什么。
费米子和玻色子:一种不太可能的匹配
在一个超对称的世界里,每个已知粒子都与另一粒子配成一对——即它的超对称伙伴,通过超对称变换,两者可以互相对调。超对称变换将费米子换成它的玻色子伙伴,或把玻色子换成它的费米子伙伴。我们在第6章看到,玻色子和费米子是两种截然不同的粒子类型,量子力学理论根据自旋将它们区分开来。费米子是半整数自旋,而玻色子是整数自旋,整数自旋是常见物体在空间旋转都可采取的数值,而半整数自旋只是量子力学才有的奇异特征。
在超对称理论里,所有的费米子都可以转换成它的玻色子伙伴,而所有玻色子也都可以转换成它们的费米子伙伴。超对称是描述这些粒子理论的一个特征。如果你弄混了描述粒子行为的方程,通过超对称变换对调了玻色子和费米子,结果方程仍保持不变。在对称变换前后作出的预言都是一样的。
乍看上去,这种对称根本不符合逻辑。对称变换应该是使系统保持不变,但超对称变换对调的是明显不同的两种粒子:费米子和玻色子。
尽管我们不会想到对称能够混淆差异这么大的东西,但有几队物理学家还是证明这有可能。20世纪70年代,欧洲和俄罗斯都有物理学家证明:对称可以对调差异很大的粒子,而且在玻色子和费米子对调的前后,物理定律可以保持不变。
这一对称与我们前面讨论过的对称有点不同,因为它所对调的物质明显有着不同的属性。但是,如果玻色子和费米子以相同数目出现,对称就有可能存在。打个比方,假设有相同数量、不同大小的红色玻璃球和绿色玻璃球,一种颜色的每个玻璃球大小都不同。假如你和朋友玩一个游戏,你拿红色玻璃球,朋友拿的是绿色。如果红、绿玻璃球恰好配对,无论选择哪种颜色,你都不会占优势。但是,如果任一给定大小的红、绿球数量不等,这就不是一场公平游戏了。选择红色还是绿色,对你会很重要,而如果你和朋友交换颜色,游戏进展就会大大不同。要想存在对称,每一大小的玻璃球必须既有红色,也有绿色,而同一大小的两种颜色的玻璃球数量必须是相等的。
同样道理,只有当费米子和玻色子能够恰好配对时,超对称才有可能,你需要相同数量的费米子和玻色子。正如要进行对调的玻璃球必须大小相同一样,配对的玻色子和费米子也必须有相同的质量和电荷,而且它们的相互作用也必须由同样的参数控制。换句话说,每一粒子与它自己的超对称伙伴必须有相似的属性。如果一个玻色子经受强力,那么它的超对称伙伴也经受强力;如果有相互作用涉及一定数量的粒子,那么,相关的作用也会涉及它们的超对称伙伴。
物理学家之所以认为超对称这么令人兴奋,其中一个原因就是:如果它果真能在我们的世界被发现,它将是近一个世纪以来发现的第一个新型的时空对称,因此,它才被称做是“超级的”。在此我将不作数学解释,知道超对称能够交换不同自旋的粒子,就足以推想出一种联系。因为自旋不同,玻色子和费米子在空间旋转时会有不同变换,为了弥补这一差别,超对称变换必须包括空间和时间。
不要以为这就意味着你能够描绘单个超对称变换在物理空间的样子,即使物理学家也只能从数学描述及其实验结果来理解超对称。我们很快将看到,这是异常精彩的。
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