不列顛哥倫比亞大學的物理學家摩西·羅扎利解釋說。
在尋找物質的基本理論時,這些數字似乎被特別挑選出來。你越深入探究物質的基本結構,事物似乎變得越簡單。在發展能夠涵蓋當前理論的新理論時,科學家們尋求以對稱性形式體現的更多簡潔性。除了優雅之外,對稱性還有助於限制競爭模型的數量。對稱性越多,符合該對稱性的模型就越少。
一種有用的對稱性被稱為超對稱性,它將費米子形式的物質與玻色子形式的力載體聯絡起來。這是一種優雅的對稱性,將我們宇宙中看似不同的方面聯絡起來。儘管這種對稱性仍然是理論性的,但計劃在本十年末開始執行的大型強子對撞機將對其進行實驗性尋找。費米子和玻色子的區別在於稱為自旋的屬性。在量子單位中,費米子攜帶半整數自旋,而玻色子具有整數自旋。超對稱性將自旋相差二分之一的粒子聯絡起來。例如,具有自旋 ½ 的電子被認為有一個名為超選擇子的夥伴,它具有自旋 0;從這個意義上說,電子和超選擇子是映象。它們的所有屬性都透過對稱性相互關聯。同樣,玻色子和費米子也可以在這種對稱性中關聯起來。
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但是,可以存在不止一種超對稱性,就像定位鏡子的方式不止一種一樣。單一的超對稱性將玻色子與費米子聯絡起來。如果存在其他這樣的對稱性,它們將連線更多的玻色子和費米子,從而統一我們宇宙的更多方面。例如,透過額外的超對稱性,電子和超選擇子將具有自旋為 0 和 1 的額外夥伴。對稱性還將限制這些夥伴相互作用的形式。
然而,最終,過多的對稱性會將理論簡化到變得微不足道的程度。所有粒子都無法相互作用或與我們的測量裝置相互作用。對於理論家來說,這當然不是一件好事,因此目標是獲得最大程度的對稱性,同時仍然允許有趣的物理學。
在這個追求中的一個指導是一個由物理學家史蒂文·溫伯格和愛德華·威滕提出的定理,該定理證明包含自旋高於 2 的粒子的理論是微不足道的。記住,每個超對稱性都會將自旋改變二分之一。如果我們希望自旋介於 -2 和 2 之間,我們不能有超過八個超對稱性。由此產生的理論包含一個自旋為 2 的玻色子,這正是傳遞引力並因此將所有物理相互作用統一在一個理論中所需要的。這個理論——稱為 N=8 超引力——是四維空間中可能的最大對稱性理論,自 20 世紀 80 年代以來一直是深入研究的主題。
另一種對稱性發生在物體在空間中旋轉後保持不變時。由於在空曠的空間中沒有首選方向,因此三維空間中的旋轉是對稱的。假設宇宙有一些額外的維度。這將導致額外的對稱性,因為在這個擴充套件的空間中旋轉物體的方式將比在我們三維空間中更多。從我們在三個可見維度中的有利位置看起來不同的兩個物體實際上可能是同一個物體,只是在更高維度的空間中旋轉到不同的程度。因此,這些看似不同的物體的所有屬性將相互關聯;再一次,簡潔性將成為我們世界複雜性的基礎。
這兩種對稱性看起來非常不同,但現代理論將它們視為同一枚硬幣的兩面。更高維度空間中的旋轉可以將一種超對稱性變成另一種。因此,超對稱性數量的限制限制了額外維度的數量。除了長度、寬度、高度和時間的四個維度之外,這個限制最終變為 6 或 7 個維度,這兩種可能性都產生正好八個超對稱性(M 理論是一個進一步統一這兩種情況的提議)。任何更多的維度都會導致過多的超對稱性,以及過於簡單的理論結構,以至於無法解釋自然世界的複雜性。