从统一到超统一

第一代大统一理论的失败给科学带来了至今犹在的危机。20世纪70年代前，理论与实验手拉手前进，新思想在几年或顶多10年内就能得到验证。从18世纪80年代到20世纪70年代，我们关于物理学基础的认识，大概每10年就有一次大的进步。而每一次进步，理论都补充了实验。但自20世纪70年代末以来，我们对基本粒子物理学的认识还没有一个真正的突破。

当一个伟大的思想失败时，总有两种不同的应对方式。我们可以降低标准，先回到从前的知识积累，而不着急用新的理论和实验工具去探索知识的边缘。许多粒子物理学家就是这样做的。结果是标准模型很好地通过了实验验证。过去25年影响最大的发现是中微子具有质量，但这个现象可以通过微调标准模型来满足。除此而外，模型没有任何修正。

对大思想失败的另一种应对方式是找一个更大的思想。开始可能只有几个人走这条路，后来人会越来越多。这是我们不得不走的路线；迄今为止，这些新思想还没有得到实验的支持。

这些年提出和研究过的大思想中，有一个赢得了最多的关注，那就是所谓的超对称。假如它是对的，就可能成为相对论和规范原理那样的我们认识自然的基础。

我们已经看到，这些统一发现了隐藏在原来我们认为不同的各方面之间的联系。空间和时间最初是两个截然不同的概念，狭义相对论统一了它们。几何与引力过去也是毫不相干的，但广义相对论统一了它们。不过仍然存在两大类事物，构成我们生存的世界：构成物质的粒子（夸克、电子等等）和相互作用的力（或场）。

规范原理统一了三种力，但我们还剩下两样不同的东西：粒子和力。从前有两个努力以统一它们为目标：以太理论和统一场论，但都失败了。超对称是第三个。

量子论告诉我们，粒子是波，波也是粒子，但这并没有统一粒子和力。原因是，量子论还存在两大类基本实体：费米子和玻色子。

构成物质的所有粒子，如电子、质子和中子，都是费米子。所有力都由玻色子组成。光子是玻色子，如W和Z等伴随着其他规范场的粒子，也是玻色子。希格斯粒子也是玻色子。超对称提供了一种统一这两类粒子（费米子与玻色子）的方法。那是一种很新奇的方式，它假定每个已知的粒子都有一个我们尚未看见的超对称伙伴。

大致说来，超对称是一个过程，通过它可以在某些实验中以玻色子代替费米子，而不会改变各种可能结果的几率。这需要很高的技巧，因为费米子与玻色子有着非常不同的性质。费米子要服从不相容原理，那是泡利在1925年提出的，意思是两个费米子不能同时占据相同的量子态。就因为这一点，原子里的电子并不都处在能量最低的轨道。一旦有一个电子处于某轨道（或量子态），就不能在同一个状态放另一个电子。泡利不相容原理解释了原子和材料的很多性质。然而，玻色子的行为却相反：它们喜欢共享一个状态。当我们看到一个光子处于某个量子态时，就可能看到别的光子也在那个态。这种亲和性解释了场（如电磁场）的很多性质。

树立一个理论，能以费米子代替玻色子而得到稳定的世界，乍看起来是很疯狂的想法。但不管怎样，四个俄罗斯人——利希特曼（Evgeny Likhtman）和戈尔方德（Yuri Golfand）在1971年，阿库洛夫（Vladimir Akulov）和沃尔科夫（Dmitri Volkov）在1972年——发现他们可以写出一个具有那种对称性的和谐的理论，那就是我们现在说的超对称性。

那时，西方科学家与苏联科学家素无往来。苏联科学家难得出国旅行，在非苏联杂志上发表文章也是障碍重重。多数西方物理学家都不看苏联杂志的译本，于是，苏联人的几个发现没有受到西方的注意。超对称性就是其中之一。

就这样，超对称性曾被多次提出。1973年，两个欧洲物理学家魏斯（Julius Wess）和朱米诺（Bruno Zumino）发现了几个例子。他们的工作比苏联人的幸运，得到了关注，并很快有了发展。他们的一个新理论就是电磁力的推广，统一了光子与一种很像中微子的粒子。超对称的另一个发现与弦理论有关，我们后面要更详细地探讨。

超对称能是正确的吗？最初的形式肯定是不对的，它假定每个费米子都有一个相同质量和电荷的玻色子，这意味着必然有一个玻色子具有和电子一样的电荷和质量。这种粒子，假如存在的话，应该称为超电子。但假如真的存在，我们早该在加速器里看到了。

不过，将自发对称破缺的思想用于超对称，这个问题也好解决。结果是直截了当的。超电子获得了很大的质量，于是比电子重得多。调节理论的自由常数——有很多那样的常数——可以使超电子的质量变得任意大。但任何加速器产生的粒子都有质量上限，这就解释了为什么现有的粒子加速器都没有出现过超电子。事实上我们就是这样解释的。

注意这跟我们讲过的其他故事有着相似的地方。在这些故事里，都有人提出新的统一，也导出了重要的实验结果，不幸的是实验不符合理论。于是，科学家将理论复杂化，在其中加入几个可调常数。最后，他们改变常数，隐藏错误的预言现象，从而解释为什么统一（如果正确的话）没有得出任何观察的结果。但这种操作使理论很难证伪，因为我们总可以通过改变常数来解释任何负结果。

从超对称的故事我们看到，它从一开始就是为了隐藏统一的结果。这并不意味着超对称没用，它确实解释了为什么在经过了30多年的发展之后，还没有明确的可以检验的预言。

我只能想象魏斯、朱米诺和阿库洛夫（那几个俄罗斯人中唯一健在的）会有什么感觉。他们也许做出了他们那一代的最重要发现，也许只是发明了一个与自然无关的理论玩具，至于到底是哪种情形，至今还没有证据。在过去的30年里，每个新基本粒子加速器开始运行时，要做的第一件事情就是寻找超对称预言的粒子。一个也没找到。常数不断向上调整，我们也等着下一次实验。

今天，我们都在盯着CERN正在建设中的巨型重子对撞机（LHC）。如果计划进展正常，它将在2007年运行。粒子物理学家们都希望这个机器能帮助我们摆脱危机。最重要的是，我们想LHC能看到希格斯粒子，即携带着希格斯场的大质量玻色子。如果它不能，我们的麻烦就大了。

但风险最大的思想还是超对称。如果LHC发现了超对称，其创立者理所当然会赢得诺贝尔奖。如果没有，就该有纸帽子带了——不是给他们，因为创立新理论是没有什么羞耻的，而是给我们这一代人，因为我们的一生都在扩张那个理论。

LHC承载了太多的希望，因为它的发现能让我们更好地认识第一章提出的五大问题之一：如何解释标准模型的自由常数值？为说明这一点，我们需要理解这些数值的一个突出特征，即它们不是很小就是很大。一个例子是力的强度之间的差别。两个质子之间的电斥力比它们之间的引力强大约38个数量级。粒子质量的悬殊也很大。例如，电子质量是质子的1/1800。如果存在希格斯玻色子，其质量至少是质子的120倍。

为了概括这些数据，我们似乎可以说粒子物理学是有等级的，而不是民主的。四种力的强度悬殊，从强到弱（即从强核力到引力）形成等级。物理学中的不同质量也形成等级。最顶层的是普朗克质量，它是量子引力效应发生作用时的能量（记住，质量与能量其实是同一个东西）。比普朗克质量大约低4个数量级，是另一个尺度，应该看到电磁力与核力的差别。在那个能量（叫大统一尺度）进行的实验看不到三个力，而只有一个力。比普朗克尺度小16个数量级是TeV尺度（即1012电子伏特），弱核力与电磁力就在这儿统一，因而叫弱相互作用尺度。在这个区域我们应该看到希格斯玻色子，许多理论家还希望看到超对称。LHC就是为了探测这个能量尺度下的物理学而建造的。质子质量比它低3个数量级，再低3个数量级就到电子，而也许还要低6个数量级才到中微子。这样继续小下去，最底层的就是真空能量，即使没有物质，它也存在于整个空间。

这是一幅美妙而疑惑的图像。大自然为什么会那么等级森严？为什么最强与最弱的力悬殊那么大？为什么质子和电子质量比普朗克质量或大统一尺度小那么多？这就是通常所说的等级问题，我们希望LHC能为它带来一点光亮。

那么我们通过LHC能看到什么呢？这是自20世纪70年代初标准模型成功以来粒子物理学的中心问题。理论家盼望LHC已经30年了，我们准备好了吗？令人沮丧的是，没有。

假如准备好了，我们就可以令人信服地预言LHC能看到什么，而我们只需要等着检验就行了。假如我们真的完全认识了粒子物理学，而地球上几千个最聪明的人竟然说不出下一个伟大实验会发现什么，就太奇怪了。但是，除了希望看到希格斯玻色子以外，我们确实提不出什么明确的预言。

你大概以为，既然没有共识，至少总该有几个竞争的理论能提出这样的预言吧。实际情况要坏得多。我们手头真的有几个不同的统一，而且都有一定的成绩，可没有哪一个特别显得更简单、更有解释能力，也看不出成功的迹象。为什么过了30年我们还不能将理论打扫干净呢，我们需要更仔细地来看等级问题。为什么质量和其他常数有那么大的悬殊？

等级问题面临两个挑战。第一个是什么决定着常数，是什么导致了那么大的差别？第二个是常数是如何固定下来的？这个稳定性问题很令人困惑，因为量子力学有一个奇怪的趋向，要把所有质量拉到一起来，趋近普朗克质量。这里我们不必讨论为什么，但其结果是，我们调节常数的摁钮仿佛由一直绷紧的橡皮筋联系着。

结果，我们可以在标准模型里保留常数的巨大差别，但这要求精确选择常数。我们希望的实际质量的悬殊越大，理论家必须越精细地调节其内禀质量（即没有量子效应时的质量），将它们截然分开。至于如何精细，要看粒子的类型。

规范玻色子的问题不是很大，对称性基本上消除了橡皮筋对其质量的拉扯。不论是否考虑量子效应，光子（携带电磁力场的玻色子）都没有质量，所以它不存在问题。组成物质的粒子，如夸克和轻子，也没有问题。它们来自量子效应的那部分质量，正比于其内禀质量。如果内禀质量小，总质量也小。于是我们说，规范玻色子和费米子的质量是受保护的。

问题出在不受保护的粒子，在粒子物理学的标准模型里，那意味着希格斯粒子，而且只有希格斯粒子。原来，为了防止希格斯质量被拉向普朗克质量，我们必须把标准模型的常数精确调整到小数点后面32位。如果有一位数字不精确，希格斯玻色子最后都会比预言的质量大得多。

于是，挑战落到了希格斯粒子——就是要将它做小。1975年以来探讨过的许多物理学思想都是为着这样一个目的。

驯服希格斯粒子的方法之一是假定它不是基本粒子。如果它是不那么狂野的粒子构成的，问题就解除了。希格斯玻色子由什么组成，人们提出过几个设想。最精致也最贫乏的理论假设希格斯玻色子是很重的夸克或轻子的束缚态。它不添加任何新东西——没有新粒子和需要调节的新参数。这个理论只是假定重粒子以新的方式黏结。这种理论的唯一问题在于很难通过计算验证它、发现新结果。20世纪60年代它刚提出时，超出了我们的实验能力，今天依然如此。

差不多同样精致的另一个假说认为，希格斯玻色子由一种新夸克构成，它不同于组成质子和中子的夸克。起初，这看起来像是解决问题的一种“人工”方案，因而那种夸克被称为“拟夸克”（techniquark）。束缚它们的是一种新力，类似束缚质子和中子的夸克的强核力。在量子色动力学中，力有时叫“色”，于是这种新力被当然地称作“拟色”（Technicolor）。

这个想法容易计算。问题是很难让理论满足观察的各种现象。不过，那也不是完全没有可能，因为它有许多变量。多数变量被排除了，还剩下几个。

第三种假设是将所有基本粒子变成复合粒子。20世纪70年代后期，有几个人在研究这种想法。那是很自然的事情：既然质子和中子由夸克组成，为什么不继续下去呢？也许还有更深层的结构，夸克、电子、中微子，甚至希格斯玻色子和规范玻色子，都是由更基本的粒子组成的，我们可以称它们为“前子”（preon）。这种理论很优美，实验那时已经为我们发现了45种基本费米子，而它们都可以通过两种前子的组合来构成。

而且，这些前子模型解释了观察到的但标准模型没有解释的某些特征。例如，夸克有两种似乎不相干的性质——色与荷。每种夸克表现三种状态（“色”），这个三重态为规范理论提供了需要的对称性。但为什么是三色呢？为什么不是二或四？每个夸克还带有电荷，以电子电荷的1/3和2/3的形式出现。每种情形都有数字3，意味着色与荷这两种性质可能有共同的起源。不论标准模型还是弦理论（就我所知），都没能说明这种巧合，但前子模型可以非常简单地解释它。

遗憾的是，前子理论也有无法回答的重大问题。那些问题牵扯到什么力把前子粘结成我们看到的粒子。问题就在于，要让那些粒子在保持小质量的同时也保持它们本来的大小。因为前子理论家不能解决这个问题，前子模型到1980年就消亡了。最近我和一些著名物理学家谈话，他们是那以后获得博士学位的，甚至从来没有听说过前子模型。

于是，把希格斯玻色子变成复合粒子的所有努力都不能令人相信。有时，我们理论家似乎山穷水尽了。假如希格斯玻色子是基本粒子，那么该如何把握它的性质呢？

限制粒子自由的一个办法是将它的行为与另一个行为被约束的粒子捆绑在一起。我们知道，规范玻色子和费米子是受保护的，它们的质量不会任意变化。能有将希格斯粒子与质量受保护的粒子系在一起的对称性吗？如果可以那样，那么最后也许能驯服希格斯。我们所知的唯一能做这件事情的对称是超对称，因为超对称联结费米子与玻色子；因此，在超对称理论中应该存在与希格斯粒子为伴的费米子，叫希格斯微子（Higgsino）。（在超对称理论中，约定在费米子的超对称伙伴前冠以字母“s”，而在玻色子的超对称伙伴后缀以“ino”。）希格斯微子是费米子，所以它的质量会受到来自量子效应的质量的保护。这样，超对称告诉我们，两个超伙伴有着相同的质量。因此希格斯粒子的质量也必然受保护。

这个思想很好地解释了为什么希格斯质量比普朗克质量小。前面说过，这个想法很精妙，但其实也很复杂。

首先，理论不可能是部分超对称的。如果一个粒子有超对称伙伴，那么所有粒子都有。因此，每个夸克有一个叫超夸克的玻色子伙伴。光子的伙伴是一种新的费米子，叫光微子（photino）。于是，相互作用需要调整，当我们在用光微子取代光子的同时也用超夸克取代所有夸克，不同的可能结果发生的几率是不变的。

当然，也有更简单的可能。我们见过的两个粒子就不能是一对伙伴吗？也许光子与中微子会走到一起？或者，希格斯粒子与电子是一对？在已知粒子中发现未知的关系当然是很美妙的，而且令人信服。

遗憾的是，没有一个理论成功假定了两个已知粒子间的超对称。相反，在所有的超对称理论中，粒子的数目至少多一倍。它们只不过假定每个已知粒子伴随着一个超伙伴。不但有超夸克，也有超轻子和光微子。成对的伙伴还有中微子与超中微子，希格斯微子与希格斯玻色子，引力微子与引力子。成双成对的粒子，仿佛满载着一艘粒子的诺亚方舟。纠缠在这个超子与微子的网络里，我们迟早会把巨人看作小丑，把小丑看作巨人，或者别的什么东西。

不管好坏，大自然不是这样的。前面讲过，没有哪个实验产生过超电子的证据。直到今天，似乎也没出现过超夸克、超轻子或超中微子。世界有大量的光子（每个质子对应着十亿多个光子），但没人见过哪怕一个光微子。

问题的解决是假定超对称是自发破缺的。我们在第四章讨论过对称是怎么自发破缺的。这种自发破缺可以推广到超对称。我们可以构造这样的理论：在它描述的世界里，力是超对称的，但那些定律却经过了精心的调节，从而使最低能量状态——即对称性消失的状态——不是超对称的。结果，不需要粒子的超对称伙伴具有相同的质量。

这就产生一个丑陋的理论。为了打破对称，我们必须添加类似希格斯粒子的粒子。它们也需要超伙伴。还有更多的自由常数，可以调节来描述它们的性质。接着，我们不得不调节理论的所有常数，以满足所有的新粒子都有很大的质量，当然也就看不见了。

对基本粒子物理学的标准模型做这样的事情，不需要添加假设，可以得到一个精巧的结果，叫最小超对称标准模型，简称MSSM。我们在第一章讲过，原来的标准模型大约有20个需要人工调节的自由常数，通过调节它们才能得到与实验一致的预言。MSSM增加了105个常数，为了保证理论与实验一致，理论家可以自由调节它们。假如理论是正确的，那么上帝就成了玩儿杂耍的。他喜欢键盘多的乐器，喜欢16条缆绳的帆船，那才好调整每个帆的形状。

当然，自然也许喜欢这样。理论也可能真的解决常数的调节问题。这样的话，将常数从20个增加到125个，得到的结果是，没有一个新常数需要像原来的常数那样用心调节。尽管如此，有那么多需要调节的常数，实验家很难检验或否定理论。

这些常数有很多安排，对它们来说，超对称都是破缺的，而每个粒子都有不同于其超伙伴的质量。为了隐藏看不见的另一半，我们不得不调节常数，使看不见的粒子质量远远大于我们看见的粒子的质量。我们必须要让这一点正确，因为假如理论预言了超夸克比夸克轻，我们就会有麻烦。不必担心，我们有很多不同的方式来调节常数，以保证我们没有见过的所有粒子都会因为很重而看不见。

如果需要解释这样的常数调节，那么理论必须解释为什么希格斯玻色子具有我们想象的大质量。我们已经说过，即使标准模型也没精确预言希格斯粒子的质量，但它应该比质子重120倍。为了预言这一点，必须调整超对称理论，使超对称性能在这个质量尺度下恢复。这意味着看不见的超伙伴大约都有这个尺度的质量，如果真是如此，LHC应该看到它们。

许多理论家希望LHC将要看到的，是大量可以解释为丢失的超伙伴的粒子。如果LHC真的看到了，那当然是理论物理学家30年来的胜利。然而我要提醒大家，还没有明确的预言。即使MSSM是正确的，也有很多不同的方法来调节那125个参数以满足我们已知的事实。这至少生出十多种不同的图像，对LHC能看到什么会做出截然不同的预言。

还有更多的麻烦呢。假定LHC生成了新粒子，考虑到超对称理论有那么多不同的形式，那么即使超对称理论错了，也仍然可能经过调节而满足LHC的第一批发现。为了证明超对称，还需要更多的东西。我们需要发现更多的新粒子并解释它们。而它们也许并不都是已知粒子的超伙伴。一个新粒子可能是另一个尚未发现的新粒子的超伙伴。

证明超对称正确的唯一无懈可击的方法是证明确实存在某种对称性——就是说，对各种可能的实验结果，我们有可能用一个粒子来替代其超伙伴，而结果不发生改变。但这对LHC来说，至少在开始的时候很难实现。所以，即使在最好的情形，我们也需要再等很多年，才能知道超对称是否是常数调节问题的正确解释。

同时，许多理论家似乎都相信超对称。有几点不错的理由认为它是旧的统一思想的进步。首先，希格斯玻色子，假如不是点粒子，似乎不会很大。这就有利于超对称而排除了某些（尽管不是所有）拟色理论。另一点理由来自大统一思想。我们在前面讨论过，在大统一能量尺度下进行的实验不能区分电磁力与核力。标准模型预言存在这样的统一尺度，但需要小小的调整。超对称形式的标准模型带来了更直接的统一图景。

超对称当然是很迷人的理论思想。力与物质的统一思想为基础物理学中最深层的对偶性提供了解决方法。难怪那么多理论家觉得简直难以想象一个不是超对称的世界。

同时，确实也有物理学家担心超对称（如果真的有）早就应该在实验中看到了。在最近一篇论文的引言里，我们看到这样的典型说法：“LEPII[CERN的巨型正负电子加速器]没有发现任何超粒子或希格斯粒子，这个事实引出了另一个问题。”28北卡罗莱纳大学著名理论家弗拉姆普顿（Paul Frampton）最近写信给我说，我在过去十多年的一般观察是，多数研究TeV尺度超对称破缺现象的人（有几个例外）都认为，TeV尺度超对称在实验中显现的可能性远小于50%，大概也许只有50%。29

不管怎么说，我个人的猜想是，超对称（至少对迄今研究过的形式说）不能解释LHC观测的东西。在任何情形，超对称都由实验决定，不论多么偏爱美学标准，我们都盼着有一个答案能告诉我们它是否是正确的自然图像。

但是，即使发现了超对称，它本身也解决不了我在第一章列举的那五个大问题。它不能解释标准模型的常数，因为MSSM有更多的常数。它也不能选择引力的量子理论，因为主要的理论都与超对称的世界相容。也许暗物质是超伙伴构成的，但我们需要直接检验。

这个更大缺陷的原因在于，虽然超对称理论有了更多的对称性，却没变得更简单。其实它们比对称性少的理论要复杂得多。自由常数的个数没有减少——反倒大大地增加了。它们不能统一我们已经知道的任意两样事物。假如超对称性能揭示两个已知事物背后的共性，当然应该是很迷人的——就像麦克斯韦的电磁统一那么迷人。假如能证明光子和电子，甚至中微子与希格斯微子是一对超伙伴，那就太美妙了。

但任何超对称理论都不是这样的。相反，它们假定了一组新的粒子，使每个粒子与某个已知或未知的粒子为对称伙伴。这种理论成功太容易了。创立一个全新的未知世界，然后建立一个有很多参数（可以调节参数隐藏新的粒子）的理论，是不那么动人的，即使它在技术上引人入胜。做这种理论是不会失败的，因为与现有数据的任何矛盾都可以通过调节常数而消除。只有当它面对实验时，才可能失败。

当然，这并不是说超对称不对。它可能是正确的，如果真是那样，LHC就有可能在未来的几年发现它。但超对称没有我们希望的那些行为，这意味着它的支持者们可能远离了经验科学的大树，而摇摇欲坠地坐在一个小枝丫上。也许正如爱因斯坦说的，哪儿的木头薄就在哪儿打钻，不过那是要付出代价的。