基本粒子物理学中的对称性原理

1919年，当爱丁顿成功观测了爱因斯坦预言的太阳引起的星光弯曲时，荷兰物理学家洛伦兹（Hendrick Lorentz）用电报把这好消息告诉了爱因斯坦。大家看过这封证实广义相对论的电报后，有个学生问爱因斯坦，如果爱丁顿没有在日食中看到预言的星光弯曲，他会怎么想。爱因斯坦回答说，“那我会为亲爱的上帝感到遗憾，因为理论真是正确的。”35当然，假如实验没能证明爱因斯坦的预言，广义相对论就不会是正确的，也成不了现代物理学的基石。不过，爱因斯坦的意思是，广义相对论以那么深刻而美妙、简单而有力的概念描写了引力，很难想象大自然会“错过”它。在爱因斯坦看来，广义相对论太美了，几乎不可能是错的。

然而，美学的认识并不是科学进程的裁判。理论的最终判决是看它们如何经历和面对冷酷、严峻的实验事实。不过，这话必须满足非常重要的一个条件。一个理论在形成之初总是不完全的，很难评价实验结果。但物理学家还是必须判断和抉择应该往哪些方向发展他们的部分完成的理论。有些抉择是依靠内在的逻辑一贯性；我们当然要求任何一个合理的理论却避免逻辑的荒谬。另一些抉择依靠我们对定性的实验结果的感觉，看它对不同的理论概念有什么意义；我们感兴趣的理论总该与现实世界的某些事物发生联系。不过，当然还有一种情况，理论物理学家的某些抉择是根据美学趣味做出的——那样的理论具有跟我们经历的世界一样精妙美丽的结构。当然，美的不一定是真的。也许，宇宙的结构本来就不如我们凭经验想象的那样美；也许，我们会发现今天的美学标准应用在陌生的地方还需要重大的修正。但不管怎么说，当我们走进这个陌生的时代，理论描写的那片天地越来越难以靠实验去探索时，物理学家更是特别需要依靠这样的美学来帮助他们避免可能的死胡同。现在看来，美学的方法确实带来了力量和光明。

同艺术一样，对称性也是物理学美的一个重要组成部分。不同的是，物理学中的对称性有非常具体而精确的含义。实际上，根据对称性的精确概念和它们的数学结论，物理学家在过去几十年里建立了一些新奇的理论，在这些理论中，物质粒子和力的信使粒子之间的关联比我们过去想象的要密切得多。这些理论不仅统一了大自然的力，也统一了物质的基本组成，具有最大可能的对称性，因为这一点，它们被称为超对称的。我们将看到，超弦理论就是在超对称框架下树起的一个例子，它既是第一个，也是登峰造极的一个。

我们想象那样一个宇宙，它的物理学定律像赶时髦似的令人捉摸不定——年年变、月月变、天天变，甚至每时每刻都在变。在这样的世界里，如果生命历程没遭破坏，我们还能生存，但至少可以说，我们永远不可能有瞬间停留的感觉。任何一个简单的行为都像在历险，因为世界在随机变化着，谁也不能靠过去的经验预测未来的结果。

这样的宇宙是物理学家的噩梦。物理学家——当然，还有差不多所有的人——都依靠一个稳定的宇宙：今天的定律在昨天是正确的，在明天仍将是正确的（尽管我们还没能把这些定律都找出来）。当然，假如“定律”能在倏忽间改变，我们还能说它是定律吗？这并不是说宇宙是静止不变的；宇宙当然在变，每一瞬间都在以无限多的方式变。我们说的是，主宰这些变化的定律是固定不变的。你可能会问，我们是否真的知道这一点。实际上，我们不知道。但我们成功描写了从大爆炸后的短暂时刻直到今天的宇宙的无数特征，这使我们相信，即使定律在变化，那变化也非常缓慢。符合我们所有知识的，最简单假定就是，定律是不变的。

现在我们想象另一个宇宙，物理学定律像一些风土人情——一个地方有一个地方的风俗，它们都坚决地拒绝外来影响的融合。在这样的世界里周游，你会像格列弗那样，36经历许多意外的奇遇。但从物理学家的观点看，这是另一个魔鬼的世界，在那里生活真是太难了。例如，在一个国家甚至更小的地方成立的定律，到另一个地方就不再成立了。但是，如果定律的本性就是多变，会发生什么事情呢？在那样的世界里，一个地方做的实验可能与其他地方的物理学定律毫不相干。物理学家们必须在不同的地方重复相同的实验，去发现当地的自然定律。谢天谢地，我们所知道的关于物理学定律的一切，到处都是相同的。世界各处的实验都能用同一组基本的物理学定律来解释。而且，我们还能用一系列不变的物理学原理来解释宇宙中遥远的天体物理学发现的东西，这更令人相信，相同的定律的确处处都是真的。我们从没到过宇宙的另一头，所以我们也不能肯定在别的地方不会有一种全新的物理学在发生作用，但我们还没看到一点儿新物理学的影子。

当然，这并不是说宇宙在不同的地方有相同的样子——或者有相同的具体性质。在月球上踩高跷的宇航员能做许多在地球上做不了的事情，那不过是因为月球的质量比地球小得多，而不是说引力定律从地球到月球有什么改变。牛顿的（或者更准确的爱因斯坦的）引力定律在地球和月球都是一样的。宇航员经历的差别是因为环境条件变了，而不是物理定律变了。

物理学定律不随运用时间和地点而改变，物理学家把这样的性质说成是自然的对称性。物理学家这么讲的意思是，大自然总是平等地——对称地——对待时间的每一瞬间和空间的每个位置，这样就保证了相同的基本定律在大自然发生作用。这些对称性与音乐和艺术中的对称性一样，反映了大自然的秩序与和谐，一样美妙动人。物理学家在说“美”的时候，至少有一部分说的是现象之美——那些从一组简单的普遍定律中产生出来的千姿百态的复杂而多变的现象。

我们在讨论狭义和广义相对论时，还遇到过别的自然对称性。想想相对性原理，那是狭义相对论的核心。它告诉我们，不论观察者以多大的不变速度相对运动，他们的物理学定律都必须是相同的。这也是一种对称性，因为它的意思是大自然平等地——对称地——看待所有的观察者。每一个这样的观察者都有理由认为自己是静止的。当然，这并不是说相对运动的观察者看到的现象都是完全相同的；实际上，正如我们以前讲的，他们各自看到的可能有着许多惊人的差别。像在地球和月球上踩高跷的人会有不同的经历一样，这些观察的差别也反映条件的不同——观察者在相对运动着——连他们的观察也是相同的定律所决定的。

爱因斯坦通过广义相对论的等效原理把对称性的内容又扩大了许多，物理学定律对所有观察者都是相同的，即使他们在经历着复杂的加速运动。我们还记得，爱因斯坦的等效原理来自他的一个发现：加速的观察者完全有理由说他自己是静止的，而将他所受的力归结为一个引力场。一旦引力走进这个框架，所有可能的观察者的立场就完全平等了。我们已经看到，所有运动一律平等的对称性原理，除了有内在的美学趣味，在爱因斯坦发现的有关引力的奇异结果中，也起着关键的作用。

自然定律可能牵涉到的与时间、空间和运动有关的对称性原理，只要你肯去想，还会遇到更多。例如，物理学定律与观测的角度无关。你可以做一个实验，然后将所有仪器转一个角度再做一次，它们都遵从同样的定律。这就是所谓的旋转对称性，意思是物理学定律认为所有的方向都是平等的。这也是一个与我们前面的讨论一样的对称性原理。

还有什么我们忽略了的对称性吗？你可能会想到我们在第5章讨论过的与非引力作用相关联的规范对称性。那当然也是自然的对称性，不过太抽象了。我们这里只讲那些与时间、空间和运动有直接联系的对称性。这样的话，似乎不会再有别的可能的对称性了。实际上，物理学家科尔曼（Sidney Coleman）和曼都拉（Jeffrey Mandula）在1967年就证明了，除刚才讨论的而外，不会再有别的与空间、时间和运动相关的对称性能生成一个与我们的世界有任何联系的理论。

然而，经过许多物理学家的仔细研究，后来发现这个科尔曼-曼都拉定理有一点微妙的毛病：它没有完全考察与某种叫自旋的东西密切相关的对称性。

基本粒子（如电子）能像地球绕太阳旋转那样绕着原子核转动。但在传统的电子的点粒子图景中，似乎没有什么现象对应于地球绕自己轴的自转。物体自转时，转轴上的点——像飞盘的中心点一样——是固定不动的。如果什么东西真的像一个点，那它就不会有什么转轴以外的“其他点”，所以也不会有点粒子自旋的概念。但是，这个论证却因另一个量子力学奇迹而失去了意义。

1925年，荷兰物理学家乌伦贝克（George Uhlenbeck）和戈德斯米特（Samuel Goudsmit）发现，与光被原子发射和吸收有关的大量令人困惑的数据都可以通过假定电子具有特别的磁性来解释。大约百年前，法国人安培（André-Marie Ampère）就证明了磁性来自电荷的运动。乌伦贝克和戈德斯米特沿着这条思路发现，只有一种特别的电子运动形式才能产生实验数据所要求的磁性，那是一种特别的转动——即自旋。与传统观念不同，乌伦贝克和戈德斯米特声称，电子有点儿像地球，既公转，也自转。

乌伦贝克和戈德斯米特果真说的是电子在自旋吗？是，也不是。他们的研究所显示的确实是一个量子力学的自旋概念，多少有点儿像寻常的自转，但本质上却是量子力学的。这是一个微观世界的性质，它清除了经典概念，添加了实验证实的量子特征。例如，我们看一位旋转的溜冰者，当她放下手臂时，会转得更快；当她张开手臂时，会转得更慢。但不论她原来转得有多快，她迟早会慢慢停下来。乌伦贝克和戈德斯米特发现的自旋却不是这样的。照他们的实验和后来的研究，宇宙的每一个电子总是永远地以固定不变的速率旋转。电子自旋不是我们习惯的那类物体偶然发生的短暂的旋转运动，而是一种内禀的性质，跟它的质量和电荷一样。如果电子没有自旋，它也就不是电子了。

虽然自旋先是在电子身上发现的，物理学家后来发现这种思想也同样适用于表1.1的那三族物质粒子。这完全是正确的：所有的物质粒子（连同它们的反物质伙伴）都有与电子相同的自旋。用专业的话讲，物理学家说物质粒子有1/2-自旋，这里的1/2大体上代表着粒子旋转快慢的量子力学度量。37另外，物理学家还证明，除引力外的那些力的传递者——电磁作用的光子、弱规范玻色子和强作用的胶子——也都有着内禀的自旋特征，是物质粒子的两倍，都是“1-自旋”。

那么，引力呢？对了，在弦理论之前，物理学家就能确定那种假想的引力子应该有多大的自旋才能成为引力的传播者，答案是光子、弱规范玻色子和胶子的两倍——“2-自旋”。

在弦理论背景下，自旋与质量和力荷一样，也关联着弦的振动模式。与点粒子情形一样，这可能会让人错误地以为弦产生的自旋真是因为弦在空间旋转，不过这样的想象的确让我们在头脑里有一个大概的图景。顺便说一下，我们现在可以把以前遇到的一个重要问题说得更清楚一些。1974年，在谢尔克和施瓦兹发现弦理论应该看成一个包含了引力的量子理论时，他们就是那样想的。他们发现，在所有的弦振动模式中，必然有一种是没有质量的2-自旋的——那正是引力子的标志性特征。哪里出现引力子，哪里就有引力。

有了一点自旋概念，现在我们来看上面提到过的问题：自旋是如何暴露科尔曼-曼都拉关于所有可能自然对称性的结论的缺陷的。

我们强调过，虽然自旋在表面上像旋转的陀螺，但在本质上却是基于量子力学的结果。1925年发现自旋时，也就发现了一种不可能存在于纯经典宇宙的旋转运动。

这就产生下面的问题：寻常的旋转运动可能满足旋转不变的对称性原理（“物理学将所有的空间方向都看成平等的”），那么，这种更难捉摸的自旋的旋转运动是不是也能产生什么自然规律的可能的对称性呢？到1971年左右，物理学家证明了回答是肯定的。虽然这段故事很复杂，但基本的意思是，对自旋来说，恰好还有一种在数学上可能的自然规律的对称性，那就是所谓的超对称。1

超对称没有一个简单直观的图像；我们所能想象的是，时间的移动，位置的转移，方向的改变，速度的变化，但所有这些可能的看得见的改变都跟超对称牵扯不到一起。不过，就像自旋是“带着量子力学色彩的旋转运动”一样，在“空间和时间的量力学扩张”下，从观察的立场说，超对称性还是可以跟变化发生联系。这里引号里的话是很重要的；后面那句的意思不过是说，超对称性大概在什么地方能走进一个更大的对称性原理的框架。2不管怎样，虽然超对称的起源不那么好理解，我们还是要来讲一点它最基本的意义——假如自然律体现了这些原理——这要容易把握得多。

20世纪70年代初，物理学家发现，如果宇宙是超对称的，自然粒子必然成对出现，而自旋相差半个单位。这样的粒子对，不论看做点（如标准模型）还是看做振动的小圈，都叫一对超伙伴。因为物质粒子自旋为1/2，而多数信使粒子的自旋为1，这样看来，超对称让物质粒子与力的粒子配成了对，结成了伴。这似乎是一个美妙的统一图景。问题出在一些细节上。

到20世纪70年代中期，当物理学家想让标准模型包容超对称时，他们发现，表1.1和表1.2的那些粒子，没有一个能做另一个的超伙伴。相反，详细的理论分析表明，如果宇宙具有超对称性，那么每一个已知的粒子都必然有一个尚未发现的超伙伴粒子，它的自旋比已知的伙伴小半个单位。例如，电子应该有自旋为0的伙伴，这个假想伙伴的名字叫超电子（超对称电子的简写）。其他物质粒子也该是这样的。例如，中微子和夸克的假想0自旋伙伴叫超中微子和超夸克。类似地，力的粒子应该具有1/2-自旋的超伙伴：光子有光微子（photino），胶子有胶微子（glui-no），W, Z玻色子有W微子（wino）和Z微子（zino）。

再走近些看，超对称性似乎是一种很“浪费”的特征，它需要一大堆新的粒子，结果把基本粒子的数目加大了一倍。因为这些超伙伴粒子一个也没发现过，你可以把第1章里拉比为μ子说过的那句话说得更干脆些，“没人想要超对称”，而且你可以完全拒绝这个对称性原理。然而，许多物理学家强烈地感到，那么干脆地把超对称性扔了，还为时过早，原因有三点，我们下面就来讨论。

第一点，在美学立场上，物理学家觉得很难相信大自然遵从了绝大多数数学可能的对称，却不遵从余下的那些对称。当然，也许实际出现的就是这样不完全的对称，那是很令人遗憾的。仿佛巴赫在用无数相互交织的乐音实现他那天才的对称的乐曲时，忘了最后几个决定性的音节。38

第二点，假如理论是超对称的，即使在忽略了引力的标准模型里，与量子过程相关的那些棘手问题也将迎刃而解。基本的问题在于，每一种粒子都是微观的量子“热浪”的一朵浪花。物理学家发现，在这沸腾的量子池塘里，某些粒子相互作用的过程，只有在标准模型里的参数经过精细调节——精确到千万分之一——从而消除了可恶的量子效应以后，才可能没有矛盾。那样高的精度大概相当于用枪去瞄准月亮上的一个目标，而偏差还不能超过一个变形虫的大小。39虽然类似的数字精度能在标准模型中实现，但许多物理学家还是怀疑这样的理论——它太敏感了，即使它所依赖的某一个数在小数点后面第15位有一点儿改变，它也会崩溃。3

超对称性极大改变了这种状况，因为玻色子——自旋为整数的粒子（以印度物理学家玻色（Satyendra Bose）的名字命名）——和费米子——自旋为半整（奇）数的粒子（以意大利物理学家费米（Enrico Fermi）的名字命名）——可能产生相互抵消的量子力学效应。它们像一块跷跷板的两端，如果玻色子的量子波浪向上，费米子就要将它压下去。因为超对称性保证了玻色子和费米子是成对出现的，所以某些疯狂的量子效应从一开始就基本平息下来了。这样看来，超对称标准模型——添加了所有超对称伙伴粒子的标准模型——的和谐，不再依赖于令人难过的敏感的数字调节。尽管这是一个很技术的问题，许多粒子物理学家还是认为它使超对称性更有吸引力了。

超对称性的第三点间接证据来自大统一的思想。自然界四种力的一个令人疑惑的特征是，它们固有的强度悬殊太大。电磁力不足强力的百分之一，弱作用大概比电磁力还弱一千倍，而引力只是弱力的千亿亿亿亿分之一（10-35）。1974年，格拉肖和他在哈佛的同事乔基（Howard Georgi）根据他本人和萨拉姆、温伯格曾赢得诺贝尔奖的开创性研究，在电磁力、弱力和强力间建立了类似于（我们在第5章讨论过的）电磁力与弱力间的联系。他们提出的引力外的三种力的“大统一”与弱电理论有一点根本的不同：电磁力与弱力是宇宙温度降到一千万亿开尔文（1015K）时从更对称的统一中分离出来的，而乔基和格拉肖证明，与强力的统一只有在更高的温度下——约一万亿亿亿开尔文（1028K）才是显著的。从能量看，这相当于质子质量的一千万亿倍，或者说，大约比普朗克质量小四个数量级。乔基和格拉肖大胆地把理论物理学领进了一个高能量的领域，比过去人们所能探索的能量高出好多个数量级。

同一年里，乔基、奎恩（Helen Quinn）和温伯格在哈佛的研究，将三种力的潜在统一性在大统一的框架下更显著地揭示出来了。他们的成果对力的统一和超对称性与自然界的关系的评判起着重要作用，所以我们花点儿工夫来解释它。

我们都知道，两个带相反电荷的粒子的电吸引力和两个有重物体间的万有引力随着物体间距离的减小而增强，这是经典物理学里众所周知的简单特性。但是，当我们研究量子物理学对力的强度的影响时，就会出现一点奇怪的东西。那么，为什么会有量子力学的影响呢？答案还是在量子涨落。例如，当我们考察一个电子的电力场时，我们实际上是隔着一团“云雾”看它——那是在电子周围空间随处出现的瞬间的电子-正电子生成和湮灭形成的“雾”。物理学家先前就发现，这团热腾腾的云雾一般的微观涨落会使电子的力变得模糊，仿佛隔着薄雾看远处的灯塔。不过请注意，当我们走近电子时，一定穿过了那层遮在眼前的粒子-反粒子云雾，从而不太能感觉它们逐渐消失的影响，这意味着，电子的电场强度随我们的靠近而增强了。

物理学家认为，当我们靠近电子时，电场强度的量子力学的增加，根本不同于我们熟悉的它在经典物理学中的增加；量子力学的增加，是因为电磁力的内禀强度随距离减小而增加。这说明，力的增强不仅是因为我们离电子近了，而且还因为我们看到了更多的电子的内禀电场。其实，虽然我们一直在说电子，这些讨论也同样适用于其他带电粒子。总之，我们可以说，在越小的距离尺度上，量子效应使电磁力变得越强。

标准模型里的其他力呢？它们的内禀强度如何随距离改变？1973年，普林斯顿的格罗斯和威切克（Frank Wilczek），哈佛的波利泽尔（David Politzer）分别独立研究了这个问题，发现一个令人惊奇的答案：粒子生成与湮灭的量子云把强力和弱力的强度放大了。就是说，如果我们穿过这团沸腾的量子云，在更近的距离来看这些力时，它们还没经历那样的放大作用。因此，从近距离看，强力和弱力减弱了。

乔基、奎恩和温伯格凭着这点认识，发现了一个重要的事实。他们证明，当这些沸腾的量子效应都仔细考虑进来时，结果是引力而外的三种力将走到一起来。他们认为，这些在当前技术所及的尺度上迥然不同的力，实际上是微观的量子薄雾所产生的不同影响的结果。他们的计算表明，如果不是在寻常尺度上，而是穿过云雾，在十万亿亿亿分之一厘米（10-29厘米，只是普朗克长度的一万倍）的距离看这三种力，它们的强度会变得完全相同。

当然，那个尺度离我们寻常的经验是很遥远的，不过，感应这么小尺度所必需的能量却是混沌、热烈的早期宇宙所特有的——那是在大爆炸后千万亿亿亿亿分之一（10-39）秒的时候，我们曾说过，那时宇宙的温度是1028K。就像千差万别的物质——如铁、木头、岩石、矿物等——在足够的高温下熔化，形成均匀的等离子体一样，理论研究表明，强力、弱力和电磁力在那样的高温下也会融合成一个“大统一”力。这一点简单地画在图7.1。4

虽然我们的技术还不能深入这样小的距离尺度，也产生不了那么炽热的温度，但实验家们自1974年以来已经在日常条件下把那三种力的测量强度大大精确化了。这些数据（图7.1的三条力度曲线的出发点）是乔基、奎恩和温伯格的量子力学外推的前提。1991年，欧洲核子中心（CERN）的阿马尔蒂（Ugo Amaldi）、德国卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）大学的德波耳（Wim de Boer）和弗尔斯特瑙（Hermann Fürstenau）用这些数据重做了乔基三人的计算，发现了两样重要的东西。第一，引力外的三种力在微小距离尺度（也就是高能/高温状态）几乎是一致的，但并不完全相同，如图7.2。第二，假如有超对称性，这小小的然而确定不疑的力的偏差就会自动消失。原因是，超对称性需要的新的超伙伴粒子会产生新的量子涨落，这些涨落正好能使那些力的强度趋于一点。

图7.1　引力外的三种力随距离尺度减小——或者说，随能量增加——的作用情况。

图7.2　力的强度的更精确计算表明，如果没有超对称性，三种力不会完全趋于一点。

大多数物理学家都感到这太难以置信了：大自然竟会这样来选择力——让它们在微观尺度上几乎具有统一的强度（在微观上相等），却还留下一点儿偏差。这就像玩儿拼图游戏时，最后留下一块图板，总不能很好地放进它应该去的地方。超对称性灵巧地把那块图板的形状修正了一点儿，于是可以恰到好处地还原。

最后这个发现的另一点意义是，它为下面的问题提供了一个可能的答案：为什么我们没有发现任何超伙伴粒子？刚才讲的将三种力融合的计算以及许多物理学家研究过的其他问题都表明，超伙伴粒子一定比已知的粒子重很多。尽管还不能有确定的预言，但我们大概知道，超伙伴粒子的质量可能是质子的1000倍（假如不是更重的话）。我们人工的加速器不可能达到这样的能量，所以这也就解释了我们为什么还没有发现一个这样的粒子。在第9章，我们会回来讨论实验的前景，也许在不远的将来，它们可以决定超对称性是否真的是我们宇宙的一种性质。

当然，让人们相信——至少不拒绝——超对称性，理由还不是那么充分有力。我们讲过，超对称性如何能将理论提高到最大的对称形式，但你可能会说，宇宙本不在乎这些数学独有的最大对称形式；我们讲过，超对称性如何让我们摆脱标准模型里为避免量子问题而调节参数的困难，但你可能会说，真的自然理论也可能就在自我破坏与自我协调间走钢丝；我们讲过，超对称性如何修正了引力外的三种力在小距离的内禀强度，使它们能融合成一个大统一的力，但你还是可能会说，在大自然的设计中，似乎没有什么东西说明这些力应该在微观尺度上相同。而且，最后你可能会说，我们为什么还没找到一个超伙伴粒子，最简单的答案是，宇宙不是超对称的，超伙伴并不存在。

没人能反驳这些回答。不过，当我们考虑超对称在弦理论中的作用时，它就显得力大无比了。

20世纪60年代从维尼齐亚诺的研究中生出的弦理论包括了本章开头讲的所有对称性，但不包括超对称性（那时还没发现呢）。以弦概念为基础的第一个理论，更准确地该叫玻色子弦理论。玻色子的意思是，弦的所有振动模式都具有整数自旋——没有半整数的自旋模式，也就是弦没有费米子的振动模式。这带来两个问题。

首先，如果要拿弦理论来描述所有的力和物质，就必须想办法让它把费米子振动模式也包括进来，因为我们知道物质的粒子都是1/2-自旋的。第二点，也是更令人困惑的一点，在玻色子弦理论中，有一种振动模式的质量（更准确说是质量的平方）是负的——即所谓的快子。虽然在弦理论以前，物理学家就研究过，在我们熟悉的正质量粒子外还可能存在快子，但他们也发现那样的理论在逻辑上很难（几乎不可能）是合理的。同样，在玻色子弦理论背景下，物理学家为了使奇异的快子振动模式的预言变得合理，曾探讨过各种可能的框架，结果都失败了。这些特点使人们越来越明白，玻色子弦理论虽然很有趣，但一定还存在某些根本性的错误。

1971年，佛罗里达大学的拉蒙（Pierre Ramond）担起了修正玻色子弦理论以囊括费米子振动模式的挑战。经过他和后来施瓦兹和内弗（André Neveu）的研究结果，弦理论出现了新面目。令人惊讶的是，在新理论中，玻色子和费米子的振动模式是成对产生的。每一个玻色子对应着一个费米子，每一个费米子也对应着一个玻色子。到1977年，特林大学的格里奥茨（Ferdinando Glioz-zi）、帝国学院的谢尔克和奥利弗（Dayvid Olive）才发现这些成对出现的粒子的正确意义。新的弦理论包含了超对称性，而看到的这些成对出现的玻色子和费米子振动模式就反映了这种高度对称的性质。超对称弦理论——即超弦理论——就这样诞生了。而且，他们三人还有另一个重要结果：他们证明玻色子弦那令人困惑的快子振动不会损害超对称的弦。这样，一点点的弦困惑慢慢地消失了。

不过，拉蒙、内弗和施瓦兹的研究的最初影响并不在弦理论。到1973年的时候，物理学家韦斯（Julius Wess）和朱米诺（Bruno Zumino）发现，超对称性——从新构造的弦理论中出现的那种新的对称性——甚至也能用于以点粒子为基础的理论。他们很快就迈出重要一步，把超对称引进点粒子的量子场论框架。那时候，量子场论是主流粒子物理学家们的核心——而弦理论正慢慢成为它边缘的一个课题——所以，韦斯和朱米诺的发现所激发的大量后来的研究都集中在所谓的超对称量子场论。上一节讲过的超对称标准模型就是这些探索的一个辉煌成果。我们现在看到，在崎岖的历史征途上，点粒子理论也从弦理论获得过巨大的帮助。

随着超弦理论在20世纪80年代中叶的复兴，超对称性又在原来发现它的背景下出现了。在这个框架下，超对称性的表现远远超过了上一节讲的。弦理论是我们知道的惟一能融合广义相对论和量子力学的方式，但只有超对称的弦理论才能避免快子问题，才能包括费米子振动模式从而才能说明组成我们世界的物质粒子。为了实现引力的量子理论，也为了一切力和物质的大统一，超对称性与弦理论手拉手地走来了。假如弦理论是对的，物理学家希望超对称性也是对的。

然而，到20世纪90年代中叶，超对称弦理论遇上了一个特别麻烦的问题。

如果有人告诉你，他们解决了埃尔哈特（Amelia Earhart）的失踪之谜40，你开始可能感到怀疑；但如果他们有确凿的证据和想好的一套解释，你大概会听他们说下去，说不定还会相信他们。可是接下来，他们告诉你还有一种解释。你也耐着性子听了，惊奇地发现这种解释跟头一个解释一样有根据。这时候，他们又向你讲了第三种、第四种甚至第五种解释——每一种都不同，但都同样令人信服。最后，你一定觉得对埃尔哈特之谜还是跟从前一样，什么也不知道。对一个事物的基本事实解释越多，所知越少，多也就等于无。

到1985年的时候，弦理论——尽管理所当然地激发了许多人的热情——开始有点儿像我们那些过分热心的埃尔哈特专家了。原来，物理学家发现，超对称性（那时已成为弦理论结构的核心元素）实际上可以通过5种不同的方式进入弦理论。每一种方式都能生成成对的玻色子和费米子振动模式，但这些粒子对的具体性质和理论的许多其他性质都有着巨大的不同。尽管名字并不重要，我们还是应该记住这些理论：Ⅰ型理论，ⅡA型理论，ⅡB型理论，杂化O（32）型理论和杂化E8×E8理论。我们讨论过的弦理论的一切特征在这些理论也都能表现出来——只是细节有所不同。

一个包罗万象的理论——一个可能的最终的统一理论——有五种不同的形式，这令弦理论家烦恼。不论埃尔哈特出了什么事情，真正的解释只能有一个（不论我们是否能发现它）；同样，我们希望关于宇宙的最深刻、最基本的认识也应该是这样的。我们生活在一个宇宙，我们希望一个解释。

关于这个问题，一个可能的解决办法是，虽然有5个不同的超弦理论，但其中的四个可以简单地通过实验来排除，最后留下一个真正的相关的解释框架。不过，即使真是那样，我们还是有一个头疼的问题：为什么开始会有那几个理论呢？用惠藤的话来说，“如果5个理论有一个描写了我们的宇宙，那么谁住在其他4个宇宙呢？”41物理学家总是梦想寻求最终的答案，引向一个惟一的绝对不可避免的结论。理想地说，最终的理论——不论是弦理论还是其他什么理论——都应该是这样的，不会有别的可能，而只能是它自己。假如我们能发现只有一个逻辑合理的理论能融合相对论和量子力学的基本结构，许多人会认为我们将获得一个对宇宙性质的彻底认识。一句话，那就是大统一理论的天堂。42

我们将在12章看到，最近的研究将超弦理论推进了一大步，离统一的乌托邦更近了；那5个不同的理论，原来是描绘同一个宏大理论的5种不同的方法。超弦理论确实有惟一的根源。

问题似乎解决了，但从下一章的讨论我们会看到，通过弦理论走向统一还要求我们离开传统智慧走得更远。

注释

1.超对称性的发现和发展有着复杂的历史。除了文中提到的以外，早期的主要贡献者还有R.Hang, M.Sohnius, J.T.Lapuszanski, Y.A.Gol’fand, E.P.Lichtman, J.L.Gerrais, B.Sakita, V.P.Akulov, D.Y.Volkov, V.A.Sorota，等等。他们的一些工作编辑在Rosanne Di Stefano, Notes on the Conceptual Development of Supersymmetry, Institute for Theortical Physics, State University of New York at Stony Brook, preprint ITP-SB-8878.

2.对数学感兴趣的读者会看到，这里的推广是在我们熟悉的时空的笛卡儿坐标上添加新的量子坐标，例如u和v，满足反对易关系：u×v=-v×u。这样，超对称性可以认为是在经过量子力学扩张的时空形式下的一种变换。

3.我们为对具体细节和技术要点感兴趣的读者再多讲几句。在第6章注释1中，我们提到标准模型借助一种“出让质量的粒子”——希格斯玻色子——来为表1.1和表1.2的粒子赋予观察到的质量。为实现这个过程，希格斯粒子本身不能太重；研究表明它的质量不能比质子质量的1000倍更大。但后来发现量子涨落可能为希格斯粒子带来巨大的质量，把它推向普朗克质量的尺度。不过，理论家们发现，这个暴露了标准模型严重缺陷的结果是可以避免的，只要我们把标准模型里的某些参数（特别是所谓的希格斯粒子的裸质量）适当做1015分之一的调整，就能消除量子涨落对希格斯粒子质量的影响。

4.图7.1有一点细微的地方需要注意：图中所示的弱力介于强力和电磁力之间，而我们讲过它比那两种力都弱。原因在于表1.2，我们看到，弱力的信使粒子质量很大，而强力和电磁力的信使粒子是没有质量的。本质上说，弱力的强度（用耦合常数来度量，我们在第12章再讨论）是图7.1的样子，不过由于传递粒子活动太慢，所以减小了实际的作用。在第14章我们还将看到引力如何走进图7.1。