夜空中的銀河。（? Richard Payne）
在過去的100年內(nèi)，我們對(duì)宇宙的圖景，不管是在微觀尺度還是宏觀尺度，都發(fā)生了巨變。
在大尺度上，我們起初以為銀河系就是整個(gè)宇宙，在這個(gè)宇宙中包含著許多的恒星和星云，并且由牛頓力學(xué)支配著。直到愛因斯坦、哈勃等人的出現(xiàn)，他們讓我們意識(shí)到銀河系只不過是數(shù)千億星系中的滄海一粟，而這個(gè)浩瀚的宇宙是由廣義相對(duì)論所支配。
宇宙的演化。（? Rhys Taylor, Cardiff University）
宇宙的年齡可以一直追溯回138億年，而可觀測(cè)的宇宙直徑大約為920億光年，這其中充滿了普通物質(zhì)（由物質(zhì)構(gòu)成，而不是由反物質(zhì)構(gòu)成），暗物質(zhì)和暗能量。
另一方面，我們對(duì)微觀尺度的了解也發(fā)生了革命性的改變。
氮原子的玻爾模型。（? 2011 Encyclopaedia Britannica）
一開始，我們只知道宇宙是由原子核、電子和光子組成的，基本相互作用也只知道引力和電磁力（愛因斯坦晚年的目標(biāo)就是統(tǒng)一這兩種力）。后來，我們對(duì)最小的粒子有了更基本、更深刻的理解。
原子核其實(shí)是由質(zhì)子和中子組成，而它們二者又是由夸克和膠子構(gòu)成。我們現(xiàn)在也知道有兩種類型的核力，一種是強(qiáng)核力，一種是弱核力?；玖Ｗ右灿腥?，包括輕子和夸克。我們也有支配強(qiáng)核力、弱核力和電磁力的規(guī)范玻色子，以及希格斯玻色子。所有這些放到一起就是粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。
標(biāo)準(zhǔn)模型：夸克（quarks）和輕子（leptons）共有三代，它們都是自旋為1/2的基本粒子；規(guī)范玻色子是傳遞基本相互作用的媒介粒子（比如電磁力又光子傳遞），它們的自旋都為整數(shù)；希格斯玻色子是自旋為0的粒子。
現(xiàn)在，我們有粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對(duì)論，以及現(xiàn)代宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。這意味著利用這些已經(jīng)建立的物理定律，我們可以解釋宇宙中觀測(cè)到的所有現(xiàn)象。換句話說，通過模擬，我們就能夠在電腦中制造出一個(gè)虛擬的宇宙，而且在物理上跟現(xiàn)實(shí)宇宙是無法區(qū)分的。
2度視場(chǎng)星系紅移巡天（藍(lán)色）對(duì)宇宙的觀測(cè)與千禧年模擬（紅色）對(duì)宇宙的模擬符合的相當(dāng)好。（? 2dF Galaxy Redshift Survey & Millenium Simulation）
但是，我們發(fā)現(xiàn)仍然有一些非?；镜膯栴}是我們還未理解，以及無法解釋的。這些問題包括：
為什么物質(zhì)要比反物質(zhì)多？它們之間的不對(duì)稱性是從何而來的？
暗能量的本質(zhì)是什么？是什么場(chǎng)或性質(zhì)造成了宇宙的膨脹？
暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么？它是由一種粒子還是多種不同的粒子構(gòu)成的？
我們知道在非常高的能量狀態(tài)下，電磁力和弱核力可以統(tǒng)一成電弱力，在低能時(shí)，我們說電弱力對(duì)稱破缺。那么其它的力，比如強(qiáng)核力或甚至是引力，能否在更高的能量下統(tǒng)一？
為什么標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子的質(zhì)量要比普朗克質(zhì)量小那么多？
【注：在自然界中有幾個(gè)基本常數(shù)：引力常數(shù)（G）、普朗克常數(shù)（h）、光速（c）。這些常數(shù)的不同組合會(huì)給出時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量，這些稱為普朗克單位。】
從人的大小直到普朗克尺度。（? School of Physics UNSW）
這最后一個(gè)問題就是物理學(xué)中的“等級(jí)問題”。它是狄拉克“大數(shù)假設(shè)”的現(xiàn)代版。狄拉克的問題是：為什么兩個(gè)質(zhì)子之間的電斥力比它們之間的引力強(qiáng)大約38個(gè)數(shù)量級(jí)？
為什么在電弱（下標(biāo)ew）統(tǒng)一能量尺度與普朗克（下標(biāo)pl）能量尺度之間存在高達(dá)17個(gè)數(shù)量級(jí)的差別。
我們似乎可以說粒子物理學(xué)是一個(gè)等級(jí)森嚴(yán)的領(lǐng)域。四種基本力的強(qiáng)度懸殊，從強(qiáng)到弱（即從強(qiáng)核力到引力）形成等級(jí)。物理學(xué)中的不同質(zhì)量也形成等級(jí)，最頂層的是普朗克質(zhì)量，最底層的就是真空能量。
如果從基本原理預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子的質(zhì)量，它們的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)約為普朗克質(zhì)量，大概在能量101?GeV。（量子力學(xué)有一個(gè)奇怪的趨向，要把所有質(zhì)量拉到一起趨向普朗克質(zhì)量。）但問題是，已被探測(cè)到的質(zhì)量最大的粒子都要比普朗克質(zhì)量小10?1?倍。特別是，作為賦予基本粒子質(zhì)量的希格斯玻色子，它的質(zhì)量應(yīng)該非常大，因?yàn)樗绱硕嗟牧Ｗ酉嗷プ饔谩?/strong>
pp → hh + X的費(fèi)恩曼圖。（? arXiv:1206.5001 ）
而我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，希格斯玻色子的質(zhì)量只有125GeV，這跟普朗克能量尺度相差十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而不是理論所期待的在同一個(gè)等級(jí)。
因此，我們要問，為什么粒子的質(zhì)量是我們現(xiàn)在觀測(cè)到的質(zhì)量，而不是接近普朗克質(zhì)量？最優(yōu)美的一個(gè)解決方法是存在一個(gè)額外的對(duì)稱，可以抵消所有普朗克尺度的貢獻(xiàn)，使粒子的質(zhì)量要比普朗克質(zhì)量低的多。
在超對(duì)稱理論中，希格斯玻色子的質(zhì)量的平方發(fā)散被消除了。（? Wikimedia Commons）
這就是“超對(duì)稱”理論背后的想法。超對(duì)稱做了一個(gè)非常大膽的預(yù)言：每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子都有一種被稱為超對(duì)稱伙伴的粒子與之匹配，它們的性質(zhì)幾乎完全一樣，除了超對(duì)稱伙伴的自旋與原粒子相差±?。
左邊為標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，右邊為超對(duì)稱粒子。（? DESY）
所有的費(fèi)米子（比如夸克和輕子）都有一個(gè)玻色子的超對(duì)稱伙伴（比如超夸克和超輕子），以及所有的玻色子（比如光子和膠子）都有費(fèi)米子超對(duì)稱伙伴（比如光微子和超膠子）。
這些超對(duì)稱伙伴可以保護(hù)所有粒子的質(zhì)量（包括標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子以及超對(duì)稱中的粒子），在超對(duì)稱破缺時(shí)，都遠(yuǎn)比普朗克質(zhì)量要小，而超對(duì)稱伙伴會(huì)得到比標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子更大的質(zhì)量。
【注：自發(fā)對(duì)稱破缺是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)原則之一。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的粒子，讓鉛筆豎立在筆尖，這是對(duì)稱的，即在平衡時(shí)，各方向是一樣的。但它是不穩(wěn)定的。鉛筆倒下時(shí)（肯定會(huì)倒下的），它會(huì)隨機(jī)倒向一方，從而打破對(duì)稱。自發(fā)對(duì)稱破缺的機(jī)制可以發(fā)生在自然的粒子之間的對(duì)稱性中。比如當(dāng)對(duì)稱破缺后，四種基本力會(huì)有不同的作用范圍和強(qiáng)度。希格斯機(jī)制就是應(yīng)用自發(fā)對(duì)稱破缺來賦予粒子質(zhì)量的。這種自發(fā)破缺可以推廣到超對(duì)稱?！?/strong>
粒子動(dòng)物園。（? ?New Scientist）
如果超對(duì)稱在正好的尺度下（大約在100GeV和1TeV之間，也就是標(biāo)準(zhǔn)模型最重粒子的質(zhì)量區(qū)間）破缺，那么最輕的超對(duì)稱粒子（LSP）應(yīng)該能夠被大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）探測(cè)到。
還有一系列其它的事情并沒有在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架下發(fā)生：重子數(shù)量沒有被違反，輕子質(zhì)量沒有被違反，也沒有味變中性流。為了讓這些事情也不會(huì)在超對(duì)稱理論中發(fā)生，我們需要一個(gè)新的對(duì)稱，稱為R宇稱。如果R宇稱和超對(duì)稱是對(duì)的，那么最輕的超對(duì)稱粒子就是穩(wěn)定的。這就意味著如果在熱大爆炸后有足夠的這些粒子遺留下來，它們就很可能是暗物質(zhì)！
CDMS實(shí)驗(yàn)。（? ?Fermilab）
超對(duì)稱還有另外一個(gè)非常值得一提的結(jié)果是，如果你取標(biāo)準(zhǔn)模型中所有的粒子，并且觀察三種相互作用的強(qiáng)度，你會(huì)發(fā)現(xiàn)力的強(qiáng)度——由耦合常數(shù)決定——會(huì)隨著能量改變。當(dāng)能量越來越高的時(shí)候，它們?nèi)邇A向于在某個(gè)點(diǎn)會(huì)聚（大約在能量101?GeV，即大統(tǒng)一能量尺度），但在標(biāo)準(zhǔn)模型框架內(nèi)，耦合常數(shù)在任何能量下都不彼此相等。而如果把超對(duì)稱考慮進(jìn)來，這些額外的新粒子會(huì)改變耦合常數(shù)的演變。因此，如果超對(duì)稱是對(duì)的，它暗示在在大統(tǒng)一能量尺度下，電磁力、弱力和強(qiáng)核力的耦合常數(shù)在高能下會(huì)聚到了一起，這樣的一種理論被稱為大統(tǒng)一理論。
當(dāng)我們考慮超對(duì)稱的時(shí)候，電磁力、弱力和強(qiáng)核力同時(shí)會(huì)聚在一點(diǎn)上（右邊）。（? ?CERN）
換句話說，現(xiàn)在有三個(gè)（算上柯爾曼-滿杜拉定理的話共有四個(gè)）主要的問題可以被超對(duì)稱解決，物理學(xué)家不得不被這樣一個(gè)優(yōu)美的理論所折服。
但是超對(duì)稱解決的這三個(gè)問題都遇到了一點(diǎn)麻煩：
如果它解決了等級(jí)問題，那么LHC應(yīng)該會(huì)發(fā)現(xiàn)新的超對(duì)稱粒子。在所有超對(duì)稱模型中，這些新粒子應(yīng)該早就被發(fā)現(xiàn)了。
事實(shí)上，如果最輕的超對(duì)稱粒子是宇宙中的暗物質(zhì)，那么設(shè)計(jì)用來尋找它們的實(shí)驗(yàn)，比如CDMS和XENON，也應(yīng)該找到它們。此外，超對(duì)稱暗物質(zhì)應(yīng)該以一種特別的方式湮滅，但我們還沒有觀測(cè)到。到目前為止，我們沒有探測(cè)到任何的信號(hào)，這對(duì)理論本身構(gòu)成了威脅。而且，要知道還有許多其它被科學(xué)家青睞的暗物質(zhì)候選者，超對(duì)稱并不是唯一的選擇。
強(qiáng)核力或許并不能和其它的力統(tǒng)一！除了我們傾向于喜歡事物之間有更強(qiáng)的對(duì)稱，但并沒有理由一定要這樣。其實(shí)，就算考慮超對(duì)稱，當(dāng)你三種基本相互作用的耦合強(qiáng)度的演化線條放的足夠大，你會(huì)發(fā)現(xiàn)三條線之間總是有一個(gè)小三角存在，也就是說，三條線并沒有會(huì)聚在一點(diǎn)，總是差那么一點(diǎn)點(diǎn)。
超對(duì)稱所面臨的最大失敗并不是理論上的，而是實(shí)驗(yàn)上的。
超對(duì)稱理論的中年危機(jī)。（? Geoff Brumfiel/Nature）
如果超對(duì)稱粒子存在，那么應(yīng)該早被LHC探測(cè)到。許多科學(xué)家都對(duì)超對(duì)稱充滿信心。比如2004年度諾貝爾得主弗朗克·韋爾切克就是超對(duì)稱的超級(jí)粉絲，他與理論物理學(xué)家賈瑞特·里希打賭LHC在2015年7月8日之前會(huì)找到超對(duì)稱粒子。很顯然，弗朗克·韋爾切克輸了這場(chǎng)賭局。仍然有許多理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家都對(duì)超對(duì)稱保持樂觀態(tài)度，但是幾乎所有的成功解釋等級(jí)問題的模型都已經(jīng)被排除了。
不過，持續(xù)的實(shí)驗(yàn)才是自然的最終仲裁者。我認(rèn)為許多物理學(xué)家仍然愿意相信超對(duì)稱是出于兩個(gè)簡(jiǎn)單的理由。
首先，有許多物理學(xué)家花費(fèi)了它們畢生的學(xué)術(shù)生涯追求超對(duì)稱，如果超對(duì)稱不是自然的一部分，那么這些人付出的研究都將付之東流。例如，如果自然界不存在超對(duì)稱，在任何的能量尺度下（包括普朗克尺度），弦理論都不能描述我們的宇宙。弦理論是“萬有理論”的最有力候選者之一。但是要證明它的正確性卻是非常難。如果能夠發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱，那么至少對(duì)弦理論是一枚強(qiáng)心劑。（理論家也已經(jīng)把現(xiàn)存的各種理論超對(duì)稱化。例如，愛因斯坦的引力理論的超對(duì)稱形式就是包含引力微子的超引力。）
其次，在等級(jí)問題上，并沒有其它能夠表現(xiàn)的跟超對(duì)稱一樣好的解決方案。如果沒有超對(duì)稱，那么我們就必須承認(rèn)我們并不知道為什么標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子的質(zhì)量要比普朗克質(zhì)量小那么多。
超對(duì)稱最大的問題在于它預(yù)言了新的粒子的存在，且是在一些特定的能量區(qū)域內(nèi)。而LHC已經(jīng)達(dá)到這個(gè)能量區(qū)域，但是它們沒有發(fā)現(xiàn)任何蛛絲馬跡。
超對(duì)稱要符合觀測(cè)數(shù)據(jù)，它就必須被隱藏了或“自發(fā)破缺”。（? Matt Strassler）
如果想利用超對(duì)稱來解決等級(jí)問題，我們可以使用任何一個(gè)超對(duì)稱模型（包括MSSM，NMSSM，CMSSM或者NUMH1等等）來解決，這些不同的模型之間都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：至少有一個(gè)不是標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的新粒子在能量1TeV以下，這是對(duì)撞機(jī)可以達(dá)到的能量。如果存在超對(duì)稱粒子，那么大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)應(yīng)該肯定能探測(cè)到，但目前實(shí)驗(yàn)家沒有找到任何超對(duì)稱所需要的超伙伴。
如果新粒子不存在，那么這也就不是正確的道路。無論它可以解決多少問題，無論它有多么優(yōu)美，無論我們?yōu)樗冻龆嗌傩难?，但物理學(xué)最終要基于實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。就目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而言，似乎暗示著超對(duì)稱已經(jīng)走到了盡頭。
聯(lián)系客服
