不列颠哥伦比亚大学的物理学家摩西·罗扎利解释说。
在寻找物质的基本理论时,这些数字似乎被特别挑选出来。你越深入探究物质的基本结构,事物似乎变得越简单。在发展能够涵盖当前理论的新理论时,科学家们寻求以对称性形式体现的更多简洁性。除了优雅之外,对称性还有助于限制竞争模型的数量。对称性越多,符合该对称性的模型就越少。
一种有用的对称性被称为超对称性,它将费米子形式的物质与玻色子形式的力载体联系起来。这是一种优雅的对称性,将我们宇宙中看似不同的方面联系起来。尽管这种对称性仍然是理论性的,但计划在本十年末开始运行的大型强子对撞机将对其进行实验性寻找。费米子和玻色子的区别在于称为自旋的属性。在量子单位中,费米子携带半整数自旋,而玻色子具有整数自旋。超对称性将自旋相差二分之一的粒子联系起来。例如,具有自旋 ½ 的电子被认为有一个名为超选择子的伙伴,它具有自旋 0;从这个意义上说,电子和超选择子是镜像。它们的所有属性都通过对称性相互关联。同样,玻色子和费米子也可以在这种对称性中关联起来。
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但是,可以存在不止一种超对称性,就像定位镜子的方式不止一种一样。单一的超对称性将玻色子与费米子联系起来。如果存在其他这样的对称性,它们将连接更多的玻色子和费米子,从而统一我们宇宙的更多方面。例如,通过额外的超对称性,电子和超选择子将具有自旋为 0 和 1 的额外伙伴。对称性还将限制这些伙伴相互作用的形式。
然而,最终,过多的对称性会将理论简化到变得微不足道的程度。所有粒子都无法相互作用或与我们的测量设备相互作用。对于理论家来说,这当然不是一件好事,因此目标是获得最大程度的对称性,同时仍然允许有趣的物理学。
在这个追求中的一个指导是一个由物理学家史蒂文·温伯格和爱德华·威滕提出的定理,该定理证明包含自旋高于 2 的粒子的理论是微不足道的。记住,每个超对称性都会将自旋改变二分之一。如果我们希望自旋介于 -2 和 2 之间,我们不能有超过八个超对称性。由此产生的理论包含一个自旋为 2 的玻色子,这正是传递引力并因此将所有物理相互作用统一在一个理论中所需要的。这个理论——称为 N=8 超引力——是四维空间中可能的最大对称性理论,自 20 世纪 80 年代以来一直是深入研究的主题。
另一种对称性发生在物体在空间中旋转后保持不变时。由于在空旷的空间中没有首选方向,因此三维空间中的旋转是对称的。假设宇宙有一些额外的维度。这将导致额外的对称性,因为在这个扩展的空间中旋转物体的方式将比在我们三维空间中更多。从我们在三个可见维度中的有利位置看起来不同的两个物体实际上可能是同一个物体,只是在更高维度的空间中旋转到不同的程度。因此,这些看似不同的物体的所有属性将相互关联;再一次,简洁性将成为我们世界复杂性的基础。
这两种对称性看起来非常不同,但现代理论将它们视为同一枚硬币的两面。更高维度空间中的旋转可以将一种超对称性变成另一种。因此,超对称性数量的限制限制了额外维度的数量。除了长度、宽度、高度和时间的四个维度之外,这个限制最终变为 6 或 7 个维度,这两种可能性都产生正好八个超对称性(M 理论是一个进一步统一这两种情况的提议)。任何更多的维度都会导致过多的超对称性,以及过于简单的理论结构,以至于无法解释自然世界的复杂性。