超对称理论的转换

发布网友发布时间：2022-05-15 00:19

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热心网友时间：2023-12-05 00:18

二十世纪70年代初期，在美国、欧洲与苏俄的几位物理学家，各别研究而找到了上述的新原理──这个新的对称性是不同自旋粒子间的对称，特称为「超对称」（super symmetry）。超对称转换可以把一个「代表自旋为J的粒子」的场转换成另一个「代表自旋为J ± 1/2的粒子」的场，因此能把玻色子变成费米子，或把费米子变成玻色子。他们所研究的问题是：
（1）那些理论在全球性的超对称转换之下保持不变？
（2）如果更进一步要求一理论在逐点性的超对称转换之下保持不变，则会出现那种力场呢？
他们头一个新奇的发现是：超对称转换固然可以改变粒子的自旋，其实也能改变粒子的位置。因此，逐点性的超对称转换也就很自然地包含了逐点性的彭卡瑞转换。换句话说，如果我们要求一理论具有逐点性的超对称，则必然会出现重力场！
另一个新奇的结果是：如果我们要求逐点性的超对称成立，则必须引入两种力场才行──除了上述的重力子场外，还需要一个所谓的重力微子场。重力微子（gravitino）是没有质量的，而且自旋为3/2──是个费子！这个力场很特别，因为过去所知的任何力场一向都是波色子（自旋为整数的）。要注意的是，新力场并不是随随便便就可以引进来的，因若有新的力场即表示有新的效应，而这些预测的新效应绝不可以和任何已知的事实冲突。因此，我们应该要问：这个重力微子场能否继续保持常观世界里的牛顿定律呢？后来的研究发现，重力微子场的效应对常观世界毫无影响，它仅仅出现在微观世界（亦即量子阶段）的重力现象里。
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，我们对这一结果却是双重的不满意。因为我们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能量下。因此前面关于宇宙学常数为零的证明必须针对超对称的破缺而加以修正，这一修正之下我们原先的双重不满意倒是消除了，但不幸的是原先在严格的超对称管束下销声匿迹的种种 “不良” 效应却也通通卷土重来，宇宙学常数虽然不再为零了，却被大大地矫枉过正，可谓是 “前门拒虎，后门进狼”。
那么考虑到超对称破缺后宇宙学常数的计算结果究竟有多大呢？这取决于超对称在什么能量上破缺，对标准模型来说超对称的破缺应该发生在 TeV (1012 eV) 能区。这相当于在前面提到的零点能密度的计算中令 M~TeV (因为虽然量子场论本身的适用范围远远高于 TeV，但在 TeV 以上的零点能被超对称消去了)，由此所得的宇宙学常数约为 ρ ~ (TeV)4/Mp2。这一结果比观测值大了约 60 个数量级 (由此对应的宇宙半径在毫米量级)，比不考虑超对称时的 123 个数量级略微好些，但也不过是 “五十步笑百步” 而已，两者显然同属物理学上最糟糕的理论拟合之列。