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  • [小有科观]Small and scientific vie

可畏的对称性

时间: 2012年05月17日 | 来源: 环球注册新宝GG

专栏作者简介

李淼:中国注册新宝GG院理论物理研究所的研究员,曾任中国台湾大学和中国注册新宝GG技术大学客座教授。他主要研究量子场论、超弦理论以及宇宙学, 最近致力于研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙学以及暗能量。

    徐一鸿(Tony Zee)写过一本Fearful Symmetry, fearful不是可怕的意思,是可畏的意思,因而该书书名翻译为 《可畏的对称性》。我这篇文章的题目也用“可畏的对称性”,谈的却不是可畏的意思。真正的意思后面就会清楚。

    这个世界,看上去杂乱无章,其实最深处的秩序是由对称性决定的。不夸张地说,对称决定了物理定律。最常见的电磁和光的现象,就是由对称性决定的,这种对称性我们的肉眼看不见,普通人也不容易理解。必须了解麦克斯韦理论以及以他名字命名的方程,才能明白这种对称性。物理学家会说,我们之所以需要电磁场,是因为带电荷的物质之间存在一种连续的对称性。

    我们寻常就能见到连续的对称性。例如一个完美球体的对称性就是连续的转动对称。不论你怎么转,这个完美的球体看上去总是那个一成不变的球体。另外,如果空中什么也不存在,不但有转动对称性,还有平移对称性。就是说,从空间中的任意一处移到另一处,你看不出差别。这些对称性是物理状态的对称性,一旦空间中存在什么,对称性便不复存在,我们将这种现象称为对称性破缺。所以,日常现象之所以看上去乱七八糟,是因为对称性破缺了。

    物理学家却有办法通过将物理定律写成数学形式,来发现更深层次的对称性。前面说到的电磁学中的对称性就是通过麦克斯韦方程发现的。一百多年前,人们还发现,前面提到的空间平移对称性和转动对称性也是我们这个世界中深刻的对称性。并且,物理学家和数学家一道发现,对于每个对称性,都存在守恒定律。例如,动量守恒起源于空间平移对称性,角动量守恒起源于转动对称性。另外,能量守恒对应于时间平移不变性:成千上万年前的物理定律和现在的物理定律完全一样。这些对称性表面上我们看不见,但所有物理定律都有。另外,电荷守恒与麦克斯韦方程的对称性有关。但麦克斯韦自己并没有通过对称性发现他的方程,第一个利用对称性发现物理定律的人是爱因斯坦。

 

 

    爱因斯坦的狭义相对论将时间、空间平移对称性、转动对称性推广到更加广泛的对称性,即不同的惯性参照系之间也存在对称性,而且光速不变。这些对称性统称为庞加莱对称性。爱因斯坦后来认为,时空的对称性还要更大,即任意时空坐标之间也存在对称性,而万有引力就是这种对称性的结果,很像电磁力是电荷对称性的结果。

    上世纪70年代,物理学家还发现,亚原子世界的物理定律也是由对称性决定的,例如质子之间的强相互作用、中子到质子的衰变等。物理学家据此建立了粒子标准模型,这个模型包含电磁相互作用和亚原子的相互作用,但不包括引力,虽然引力也是由对称性决定的。

    其实,在物理学家通过对称性建立粒子标准模型的同时,一些更为大胆的物理学家走得更远。他们认为在我们看到的那些对称性之外,还存在更加不可思议的对称性,这些对称性更难被普通人理解。例如,有人认为光和某些物质(例如中微子)之间也存在对称性,这种对称性由于超出我们平常的知识,被称为超对称。苏联物理学家高尔方(Golfand)和利特曼(Likhtman)是最早提出这种对称性的两个人,他们早在1971年就研究这种对称性了。

    在弦论中,人们也发现了超对称。维斯(Wess)和朱米诺(Zumino)在1974年较为系统地研究了超对称。后来人们发现,如果超对称在自然中存在,并和粒子标准模型不冲突,那么现存的每一个粒子,都有一个我们还没有发现的伙伴,并且自旋要小1/2。例如,光子的伙伴叫光微子,自旋是1/2(光子的自旋是1),电子的伙伴叫超电子,自旋为0。

    那么,为什么我们还没有发现这些超对称伙伴?物理学家为了自洽,假定超对称被破坏了,有些像标准模型中的某些对称性遭到破坏。确实,除了电磁理论上的对称外,我们通常看不到其他对称性,这些对称性隐藏的原因不外乎两种。一种是直接的破坏,这种破坏的后果是本来看上去一样的粒子现在看上去就不一样了,甚至连质量都不一样了。另一种通过所谓禁闭效应使我们看不到,这是我们看不见夸克的原因。我们看不到超对称是因为这种对称性确实被破坏了,而不是因为禁闭。

    超对称理论有近40年的历史了,理论研究在超引力和超弦理论中被发扬光大。一些物理学家一直相信自然界中存在超对称,并且将被大型强子对撞机发现。为什么很多人相信大型强子对撞机会发现超对称呢?原因是大家认为这种对称性会保护我们看到的粒子的质量。标准模型中最重的粒子,可能是尚未发现的希格斯粒子(希格斯粒子也许轻于已发现的顶夸克),这个粒子应该可以被大型强子对撞机发现。要利用超对称保护我们看到的所有粒子(包括希格斯粒子)的质量,其他超对称粒子的质量确实不能太大。

    大型强子对撞机已经运行一年多了,到现在还没有发现任何超对称粒子的迹象。有专家称,如果三年之后这些探测器还不能发现超对称,那么超对称真的就不存在了。

很多物理学家一辈子将研究生涯投放在超对称的研究上,如果超对称真的不存在,那么超对称就是名副其实的“可畏的对称性”了。

电子版详见:http:/plus/list.php?tid=30