改变世界的物理学

超对称理论的发现历史

摘要：超对称自提出到现在已经快三十年了，在实验上却始终未能观测到任何一种已知粒子的超对称伙伴，甚至于连确凿的间接证据也没能找到。尽管如此，超对称在理论上非凡的魅力仍然使得它在理论物理中的地位节节攀升，今天几乎在物理学的所有前沿领域中都可以看到超对称概念的踪影。一个具体的理论观念，在完全没有实验支持的情况下生存了将近三十年，而且生长得枝繁叶茂、花团锦簇，这在理论物理中是不多见的。它一旦被实验证实所将引起的轰动是不言而喻的。正如S. Weinberg (电弱统一理论的提出者之一) 所说，那将是“纯理论洞察力的震撼性成就”。当然反过来，它若不幸被否证，其骨牌效应也将是灾难性的，整个理论物理界都将哀鸿遍野。

关键字：超对称伙伴、玻色子、费米子、大统一能标、大统一理论正文：

1、超对称破坏的起源与简介

对超对称的研究起源于二十世纪七十年代初期，当时P. Ramond、A. Neveu、J. H. Schwarz、J. Gervais、B. Sakita 等人在弦模型(后来演化成超弦理论) 中、Y. A. Gol'fand 与E. P. Likhtman 在数学物理中分别提出了带有超对称色彩的简单模型。1974 年，J. Wess 和B. Zumino 将超对称运用到了四维时空中，这一年通常被视为是超对称诞生的年份。在超对称理论中每一种基本粒子都有一种被称为超对称伙伴(Superpartner) 的粒子与之匹配，超对称伙伴的自

旋与原粒子相差1/2 (也就是说玻色子的超对称伙伴是费米子，费米子的超对称伙伴是玻色子)，两者质量相同，各种耦合常数间也有着十分明确的关联。

2、超对称理论的应用

超对称的魅力源泉之一在于玻色子与费米子在物理性质上的互补，在一个超对称理论中，这种互补性可以被巧妙地用来解决高能物理中的一些极为棘手的问题，比如标准模型中著名的等级问题(Hierarchy Problem)，即为什么在电弱统一能标与大统一或Planck 能标之间存在高达十几个数量级的差别？超对称在理论上的另一个美妙的性质是普通量子场论中大量的发散结果在超对称理论中可以被超对称伙伴的贡献所消去，因而超对称理论具有十分优越的重整化性质。

关于超对称的另外一个非常值得一提的结果是，它虽然没有实验证据，却有一个来自大统一理论的“理论证据”。长期以来物理学家们一直相信在很高的能量(即大统一能标，约为1015 - 1016 GeV) 下微观世界的基本相互作用- 强相互作用及电弱相互作用- 可以被统一在一个单一的规范群下，这样的一种理论被称为大统一理论。大统一理论成立的一个前提是强、电磁及弱相互作用的耦合常数必须在大统一能标上彼此相等，这一点在理论上是可以加以验证的。但是验证的结果却令人沮丧，在标准模型框架内上述耦合常数在任何能量下都不彼此相等。也就是说标准模型与大统一理论的要求是不相容的，这无疑是对大统一理论的沉重打击，也是对物理

学家们追求统一的信念的沉重打击。超对称的介入给了大统一理论新的希望，因为计算表明，在对标准模型进行超对称化后所有这些耦合常数在高能下非常漂亮地汇聚到了一起。这一点大大增强了物理学家们对超对称的信心，虽然它只是一个理论证据，而且还得加上引号，因为这一“证据” 说到底只是建立在物理学家们对大统一的信念之上才成之为证据的。

3、超对称理论研究历程

超对称[1]是费米子和玻色子之间的一种对称性，该对称性至今在自然界中尚未被观测到。物理学家认为这种对称性是自发破缺的。大型强子对撞器将会验证粒子是否有相对应的超对称粒子这个疑问。我们知道，基本粒子按照自旋的不同可以分为两大类：自旋为整数的粒子被称为玻色子(Boson)，自旋为半整数的粒子被称为费米子(Fermion)，这两类粒子的基本性质截然不同。超对称便是将这两类粒子联系起来的对称性- 而且是能做到这一点的唯一的对称性。

超对称的魅力源泉之一在于玻色子与费米子在物理性质上的互补，在一个超对称理论中，这种互补性可以被巧妙地用来解决高能物理中的一些极为棘手的问题，比如标准模型中著名的等级问题(Hierarchy Problem)，即为什么在电弱统一能标与大统一或Planck 能标之间存在高达十几个数量级的差别？超对称在理论上的另一个美妙的性质是普通量子场论中大量的发散结果在超对称理论中可以被超对称伙伴的贡献所消去，因而超对称理论具有十分优越的重整化性质。

关于超对称的另外一个非常值得一提的结果是，它虽然没有实验证据，却有一个来自大统一理论的“理论证据”。长期以来物理学家们一直相信在很高的能量(即大统一能标，约为1015 - 1016 GeV) 下微观世界的基本相互作用- 强相互作用及电弱相互作用- 可以被统一在一个单一的规范群下，这样的一种理论被称为大统一理论。大统一理论成立的一个前提是强、电磁及弱相互作用的耦合常数必须在大统一能标上彼此相等，这一点在理论上是可以加以验证的。但是验证的结果却令人沮丧，在标准模型框架内上述耦合常数在任何能量下都不彼此相等。也就是说标准模型与大统一理论的要求是不相容的，这无疑是对大统一理论的沉重打击，也是对物理学家们追求统一的信念的沉重打击。超对称的介入给了大统一理论新的希望，因为计算表明，在对标准模型进行超对称化后所有这些耦合常数在高能下非常漂亮地汇聚到了一起。这一点大大增强了物理学家们对超对称的信心，虽然它只是一个理论证据，而且还得加上引号，因为这一“证据” 说到底只是建立在物理学家们对大统一的信念之上才成之为证据的。

超对称理论的出现极大地改变了理论物理的景观，也给宇宙学常数问题的解决带来了一线新的希望。

这一线希望在于玻色子与费米子的零点能正是两者物理性质互补的一个例子，玻色子的零点能是正的，而费米子的零点能却是负的。

这一点在标准模型中也成立，只不过在标准模型中玻色子与费米子的参数迥异，自由度数也不同，因此这种互补性并不能对零点能的计算起到有效的互消作用。但是在超对称理论中玻色子与费米子的参数及自由度数都是严格对称的，因此两者的零点能将严格互消。不仅零点能如此，其它对真空能量有贡献的效应也如此，事实上在严格的超对称理论中可以普遍地证明真空的能量密度- 从而宇宙学常数- 为零。

假如时间退回到十几年前- 那时还没有宇宙学常数不为零的确凿证据- 宇宙学常数为零不失为一个令人满意的结果，可惜时过境迁，现在我们对这一结果却是双重的不满意。因为我们现在认为宇宙学常数并不为零，因此对宇宙学常数为零的结果已不再满意。另一方面，物理学家们辛辛苦苦做了多年的实验，试图找到超对称伙伴(并顺便拿Nobel 奖)，结果却一个也没找到，因此现实世界根本就不是超对称的，从而我们对以严格的超对称为基础的证明本身也很不满意(这后一个不满意放在十几年前也成立)。

读者可能会奇怪，既然实验不仅未能证实，反而已经否定了超对称，物理学家们为什么还要研究超对称？而且还研究得那么有滋有味、乐此不疲？那是因为物理学上有许多对称性破缺的机制可以协调这一“矛盾”，一种对称性可以在高能下存在，却在低能下破缺。电弱统一理论便是运用对称性破缺机制的一个精彩的范例。物理学家们心中的超对称也一样，严格的超对称只存在于足够高的