超对称的发展历史
如果愿意,你可以跳过这段,本节将追溯历史,不会介绍重要的新概念。但是,超对称的发展是一个很有趣的故事,部分是由于它充分展现了新观点的多能以及弦理论和模型构建有时所表现出的相辅相成的关系。弦理论激励着超对称的研究,而超弦理论——最有希望描述现实世界的理论,得到许多人的认可,只是因为它来自超引力(包括了引力的超弦理论)的洞察。
1971年,法国物理学家皮埃尔·雷蒙(Pierre Ramond)首次提出超对称理论。他将自己的理论置于一个两维背景之下:一维空间,一维时间,而不是我们(曾经)认为我们所生活的四维世界。雷蒙的目标是找一种方法在弦理论里包含费米子。由于技术原因,弦理论的最初形式只含有玻色子,但费米子对希望描述世界的所有理论都是必不可少的。
雷蒙的理论包含了两维的超对称,并最终发展成为费米子弦理论。这是他与安德烈·内弗(Andre Neveu)和约翰·施瓦茨(John Schwarz)共同创建的。雷蒙的理论是在西方世界出现的第一个超对称理论,当时苏联科学家也发现了超对称,但由于冷战背景,他们的论文并不为西方世界所知。
因为四维量子场论远比弦理论的基础坚实,因此,一个明显的问题就是:超对称在四维世界中是否可能实现?但是,由于超对称被精密地织入时空结构中,要由两维推广到四维,并不是一项轻而易举能完成的任务。1973年,德国物理学家朱利叶斯·韦斯(Julius Wess)和意大利物理学家布鲁诺·朱米诺(Bruno Zumino)创建了一个四维超对称理论;在当时的苏联,两位物理学家沃尔科夫(Volkov)和阿库洛夫(Akulov)也独立得出了另一四维超对称理论。但是,冷战再一次阻断了观念的交流。
这些先驱们创建了四维超对称理论后,立即引起了更多物理学家的关注。但是,1973年的韦斯-朱米诺模型并不能完全兼容标准模型的所有粒子,还没有人知道怎样将承载力的规范玻色子加进四维超对称理论。1974年,意大利物理学家瑟吉奥·费拉拉(Sergio Ferrara)和布鲁诺·朱米诺解决了这一问题。
2002年,我们参加完弦理论会议,在由剑桥开往伦敦的火车上,瑟吉奥告诉我如果不是超空间(时空的抽象扩展,另外包含了一个费米维)的形式,要发现正确的理论几乎是不可能的。超空间是一个极其复杂的概念,我不打算描述它。重要的是,这一全然不同类型的维度(并非空间维度)在超对称的发展中发挥了极为重要的作用。这一纯理论的工具今天仍在继续简化超对称计算。
费拉拉-朱米诺理论告诉物理学家怎样在一个超对称理论里包含电磁力、弱力和强力,但超对称理论仍没有包含引力。所以,超对称理论仍存在一个问题:它是否能够兼容剩下的这一作用力。1976年,瑟吉奥·费拉拉、丹·弗里德曼(Dan Freedman)和皮特·范·纽文豪生(Peter Van Nieuwenhuizen)三位物理学家创建了超引力理论,解决了这一问题。这是一个包含了引力和相对论的复杂的超对称理论。
有趣的是,在形成超引力论的同时,弦理论也在独立地发展着。在弦理论的一项重要理论成果里,斐迪南多·格里奥兹(Ferdinando Gliozzi)、乔尔·谢尔克(Joel Scherk)和戴维·奥利弗(David Olive)等人发现了一个稳定的弦理论,这是雷蒙与内弗、施瓦茨等人创建的费米子弦理论的自然发展。结果发现,费米子弦理论包含了一类人们以前只在超引力中才遇到过的粒子。新粒子与引力子的超对称伙伴——引力微子有着相同的属性,最终证明它果然就是引力微子。
由于超引力的同步发展,物理学家抓住了这两个理论的共同元素,并很快认识到,超对称就存在于费米子弦理论中。这样,超弦理论诞生了。
在下一章,我们将回到弦理论和超弦理论。现在,我们将重点来看超对称的其他重要应用:它对粒子物理和等级问题的作用。
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