超對稱

前言 弦論預測大自然是超對稱的 如果你不厭其煩，你便能透徹瞭解真理， 因為一個謎將解開另一個謎； 如果你看透自然最幽暗的祕密，即使夜晚一片漆黑，也不會迷失道路， 因為真相自然會照亮真相。 ——取自盧克利修斯（Lucretius，古希臘哲學家，創原子論）之《宇宙的本質》 對於老式鐘錶的運轉有興趣的人，能夠將鐘錶的內部構造講得一清二楚，這是大眾所能夠理解的事。不過，若說到現在物理學家對於次原子世界的運作機制也有清楚的圖像，能夠理解的人就不多了。這個圖像是建立在粒子物理的「標準模型」上，是對宇宙基本結構的描述。研究鐘錶的人不僅能夠描述鐘錶如何運轉，也能夠解釋為何它們會這麼運轉﹕為什麼大大小小的齒輪會一個帶動一個，模擬時間的運行。現在，物理學家也漸漸能夠看透宇宙的運作，並說明他們研究的定律為何能夠創造和維持自然界的運行。 想瞭解鐘錶的構造，看鐘錶師拆裝是個好方法，而瞭解大自然的好方法，則是和自然學家散個步。這本書就是讓有好奇心的人，藉由輕鬆的散步，能夠觀察粒子和粒子的行為。我們不僅可以漫步在標準模型現有的領域中，也能夠漫遊在尖端的範疇裡。或許我們的知識很快就會碰上突破，帶領我們到達更遠的地方。基於實驗和理論上的理由，許多粒子物理學家認為，下一個重大的發現將是超對稱存在的直接證據。本書的主題，就是要探討科學家的推論，以及若找到直接證據的意義。 標準模型仍有未竟之功 在探求物質世界運作的過程中，隨著近幾年來標準模型的發展和驗證，第一個求知階段的研究已近大功告成。標準模型（在第二章會介紹）對於基本粒子以及自然作用力的描述很清楚，至於我們所看到的許多物理現象，也能夠成功描述。標準模型包含質子、原子核、原子、分子、凝體、恆星等等諸多行為的基本原理，它已經解釋了許多以前所不瞭解的事，做了數百次成功的預測，其中還有許多深具戲劇性。在標準模型的適用範圍裡（見第三章），沒有現象是不能夠解釋的——雖然，有些計算太過複雜而無法運算。儘管標準模型未臻完美，例如希格斯物理學，不過，這些並不會影響大多數的解釋和測試。 如果標準模型能成功描述世界，怎麼會有物理學（如超對稱理論）超越它呢？有兩點原因：第一、標準模型無法解釋宇宙學上的一些問題；宇宙學是一門從大尺度研究宇宙的學問。例如，標準模型無法解釋為何宇宙是由物質而非反物質（見第八章）所構成的，也不能解釋宇宙的暗物質（見第六章）是什麼？超對稱理論卻能夠對這兩個謎題提出解釋。 第二點，物理學的疆界正在改變中。現在，科學家不但問世界如何運作（標準模型可以回答這個問題），還會問，為什麼世界是如此運作的（標準模型卻不能回答這個問題）？愛因斯坦在二十世紀初問「為什麼」，但是一直到最近十年來，問「為什麼」才成為粒子物理學的常態科學研究，而非僅是哲學性的思考。在回答「宇宙為何如此運作」的理論中，建立在十一維世界的弦論是最具企圖心的，雖然，目前對弦論的研究僅限於研究理論本身，而非像過往一樣採用理論與實驗交流並進的方式，不過，弦論研究已經獲得重要的進展，令人相當興奮與期待。倘若弦論真的成功了，大家都會很高興。而正如維敦在本書的序提到，弦論預測自然界應該是超對稱的。 期待超對稱理論打開新疆界 超對稱理論的想法是驚人巧妙的﹕如果方程式中的某些粒子互換，這些代表自然界基本定律的方程式並不會改變。這就像是將紙張旋轉九十度，紙上的正方形看起來仍然相同一樣，當施予某些操作後，若方程式不改變，這些方程式便被視為具有對稱性。「超對稱」正是一種對稱，之所以冠上「超」這個字眼，是因為這種對稱更令人驚訝（見第四章），比以往發現的對稱更不易在日常生活中看到。對於標準模型不能夠解釋的現象，特別是希格斯物理，超對稱理論已達成重要的結論，我們將在第四章、第八章談到。 超對稱理論最重要的意義是，它提供了一扇窗，使我們能夠從自身的「大世界」看到弦論的「小世界」，透過實驗來測試弦論、發展弦論。超對稱理論可謂開啟了第二個求知階段。 在我寫這本書的時候，超對稱理論還只是個想法，有許多間接證據指出超對稱是自然律（law of nature）的性質，不過還沒發現有直接證據可以證實，也沒有證據可以反駁。目前設有加速器的機構正開始在訊號可能出現的範圍裡尋找（見第五章），我希望若找到超伴子和希格斯玻色子後，本書所呈現的資料仍是有效又有趣的，所以本書的重點在介紹超對稱理論、闡釋超對稱理論與弦論的關係，以及說明如何驗證超對稱理論。以後我們從實驗獲得正面訊息時，便可以再深入討論。 如果超對稱性確實存在（縱使現在還沒有辦法看到），我們就可以用系統性的方式分析自然界基本定律，如果超對稱不存在，那就辦不到了。雖然有不少間接證據指向這個世界確實是超對稱的，不過現在還未獲得證實，這值得我們繼續努力。