物理学的困惑

nbsp; 序
    科学，特别是自然科学，*重要的目标之一，就是追寻科学
本身的原动力，或日追寻其**推动。同时，科学的这种追求精
神本身，又成为社会发展和人类进步的一种*基本的推动。
    科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握新
规律，总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实事求
是的，同时，科学又是创造的。科学的*基本态度之一就是疑
问，科学的*基本精神之一就是批判。
    的确，科学活动，特别是自然科学活动，比较起其他的人类
活动来，其*基本特征就是不断进步。哪怕在其他方面倒退的时
候，科学却总是进步着，即使是缓慢而艰难地进步，这表明，自
然科学活动中包含着人类的*进步因素。
    正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的“**推动”。
    科学教育，特别是自然科学的教育，是提高人们素质的重要
因素，是现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活和工
作所需的知识和技能，更重要的是使人获得科学思想、科学精
神、科学态度以及科学方法的熏陶和培养，使人获得非生物本能
 的智慧，获得非与生俱来的灵魂。可以这样说，没有科学的“教
育”，只是培养信仰，而不是教育。没有受过科学教育的人，只
能称为受过训练，而非受过教育。
    正是在这个意义上，科学堪称为使人进化为现代人的“**
推动”。
    近百年来，无数仁人志士意识到，强国富民再造中国离不开
科学技术，他们为摆脱愚昧与无知作了艰苦卓绝的奋斗。中国的
科学先贤们代代相传，不遗余力地为中国的进步献身于科学启蒙
运动，以图完成国人的强国梦。然而应该说，这个目标远未达
到。今日的中国需要新的科学启蒙，需要现代科学教育。只有全
社会的人具备较高的科学素质，以科学的精神和思想、科学的态
度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和出发点，社会才
能更好地向前发展和进步。因此，中国的进步离不开科学，是毋
庸置疑的。
    正是在这个意义上，似乎可以说，科学已被公认是中国进步
所必不可少的推动。
    然而，这并不意味着，科学的精神也同样地被公认和接受。
虽然，科学已渗透到社会的各个领域和层面，科学的价值和地位
也更高了，但是毋庸讳言，在一定的范围内，或某些特定时候，
人们只是承认“科学是有用的”，只停留在对科学所带来的后果
的接受和承认，而不是对科学的原动力、科学的精神的接受和承
认。此种现象的存在也是不能忽视的。
    科学的精神之一，是它自身就是自身的“**推动”。也就
是说，科学活动在原则上是不隶属于服务于神学的，不隶属于服
务于儒学的，科学活动在原则上也不隶属于服务于任何哲学。科
学是超越宗教差别的，超越民族差别的，超越党派差别的，超越
文化的地域的差别的，科学是普适的、独立的，它自身就是自身
的主宰。
 湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神的
世界名著，请有关学者译成中文出版，其目的就是为了传播科学
的精神，科学的思想，特别是自然科学的精神和思想，从而起到
倡导科学精神，推动科技发展，对全民进行新的科学启蒙和科学
教育的作用，为中国的进步作一点推动。丛书定名为《**推
动》，当然并非说其中每一册都是**推动，但是可以肯定，蕴
涵在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神，都会使你或多
或少地更接近**推动，或多或少地发现，自身如何成为自身的
主宰。
    《**推动丛书》编委会

第五章
从统一到超统一
    **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*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*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*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*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?*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。