為了理解超對稱性，我們不得不談到物質基本結構分析中的另壹條大線索:力。無論粒子動物園多麽復雜，似乎只有四種基本力:引力、電磁力（因為與日常生活密切相關而廣為人知）、弱力和強力。當然，中子和質子之間的強度不可能是基本力，因為中子和質子本身是化合物而不是基本粒子。當兩個質子相互吸引時，我們實際上看到的是六個誇克的合力。這有兩個原因。首先，誇克有三種顏色，但只有壹種電荷，因此壹個光子對應八種不同的膠子。第二，膠子也有顏色，所以它們彼此之間也有很強的相互作用，而光子沒有電荷，所以彼此無關。
20多年前，壹些有遠見的理論物理學家突然認為自然界中存在四種基本力，而這個數字似乎太多了。很有可能這四種基本力量並不是真正獨立的。麥克斯韋在65438+20世紀60年代提出了壹個數學公式，將電力和磁力統壹為單壹的電磁場理論。很可能會有進壹步的合成。
壹個揮之不去的數學難題促使壹些理論物理學家這樣認為。但是同樣的數學特技對其他三種力不起作用。希望以某種方式將電磁力和其他三種基本力合並成壹個單壹的描述，而這個單壹描述的數學順從性將消除除電磁力之外的其他三種力，以便人們可以得出壹個可以理解的公式。
實現這壹宏偉目標的第壹步是由斯蒂芬·溫伯格和阿蔔杜勒·薩拉姆在1967中邁出的。他們成功地轉換了電磁力和弱力的數學表達式，使這兩種力結合成統壹的數學表達式。他們的理論表明，我們通常將電磁力和弱力視為不同的力（事實上，它們在本質上是顯著不同的），因為我們當前實驗中使用的能量極低。當然，這裏的“低”是相對的:目前的加速器可以為碰撞提供足夠的能量。如果將這種能量添加到臺球而不是質子中，釋放的能量將為壹個普通家庭提供數百萬年的需求！然而，溫伯格-薩拉姆理論有壹個嵌入的能量單元，這個單元的能量只能通過現在現有的技術來實現。上面提到的當前實驗中使用的“低”能量也是相對於該單位而言的。
20世紀70年代，實驗證據逐漸積累，形勢變得有利於溫伯格-薩拉姆理論。1980年，他們因在統壹研究方面的工作獲得了諾貝爾獎。在1971年裏，已經證明令人頭痛的無窮大可以如預期的那樣在壹個統壹的公式中壹掃而光，物理學家開始談論三種基本的自然力而不是四種。
令人頭疼的無窮大之所以能壹掃而空，主要原因是統壹力理論中出現了更抽象的對稱群。人們早就知道麥克斯韋美麗的電磁理論是強大而美麗的，因為它的數學描述中顯示出平衡和對稱。統壹力理論中有壹種平衡，叫做規範對稱，是壹種抽象的平衡。但這種平衡可以讓人們想起日常生活中的事情。
攀登懸崖的例子可以用來說明規範對稱性。從懸崖底部爬到頂部需要能量。但是從下往上爬有兩種方式。壹個比較矮，它直接垂直爬上懸崖頂；另壹條較長的路線是沿著壹條較慢的坡道爬上懸崖頂。這兩種方式哪種效率更高？（見圖24）答案是:兩種方法消耗的能量相同（這裏，我們忽略了摩擦等不相關的復雜情況）。事實上，很容易證明攀登懸崖頂所需的能量與選擇的路徑無關。這就是規範對稱性。
上面舉的例子是引力場的正常對稱，因為如果妳想爬上懸崖頂，妳必須克服重力。規範對稱性適用於電場以及類似於電場但更復雜的磁場。
事實證明，電磁場的規範對稱性與光子的無質量特性密切相關，也是避免統壹力理論災難性無窮大的關鍵因素。溫伯格和薩拉姆最終馴服了弱力，並將其與電磁力相結合。
受到統壹規範理論成功的啟發，物理學家將註意力轉向另壹種核力——誇克之間的色力。不久後，色規範理論被提出，然後，有人試圖通過使用壹個更大的規範對稱性將所有其他對稱性包含在壹個規範對稱性中，從而將弱力和色力統壹為壹個“大統壹理論”（GUT）。目前，評價GUT的成就還為時過早，但至少其預測之壹-在無限長的時間後，質子可能會不穩定並自發衰變-現在正在得到驗證。然而，引力仍然不聽話。《復仇》中無限的問題緊緊抓住重力不放。現在，物理學家越來越傾向於認為這個問題只有在包含某種超對稱性的超統壹理論中才能得到解決。壹大群數學家和物理學家正忙於創建這樣壹個理論。這壹理論的目標是統壹場論不可抗拒的夢想——壹個單壹的力場，涵蓋了自然界的所有力:引力、電磁力、弱力和強力。然而，這還不夠。量子粒子和它們之間的作用力表明，任何力的理論也是粒子的理論。然後，超統壹理論也應該能夠完整地描述所有誇克和輕子，並解釋為什麽表1中有三個級別的粒子。
有人說，如果我們真的能實現這個令人眼花繚亂的目標，我們將達到基礎物理學的頂點，因為像超統壹理論這樣的理論可以解釋所有物質的行為和結構——當然，它是以還原論的方式解釋的。有了超統壹理論，我們可以用壹個方程和壹個宇宙通用公式寫下自然界的所有秘密。這樣的成就將證實長期以來的信念，即宇宙根據壹個單壹、簡單而驚人美麗的數學原理運行。約翰·惠勒接下來的話表達了人們實現這壹最終目標的緊迫性:“總有壹天，壹扇門肯定會打開，揭示這個世界閃亮的中央機制，它既簡單又美麗。”
我們離這個智慧的天堂還有多遠？理論物理學家現在把希望寄托在壹系列理論上。這個理論的名字叫超引力。這個理論的關鍵是壹種奇怪的超對稱性，它被描述為時空的平方根。意思是如果兩個超對稱表達式相乘，妳會得到壹個普通的幾何對稱運算，比如空間中的運動。
乍壹看，這種抽象似乎沒有什麽用處，但仔細分析會發現，超對稱性與粒子可能具有的最基本屬性之壹——旋轉密切相關。人們發現所有的誇克和輕子都以壹種相當神秘的方式旋轉。我們不關心它現在如何旋轉。我們應該關心的是那些“信使”粒子-膠子、光子以及相應的引力和弱力粒子-要麽不旋轉，要麽以正常而不是神秘的方式旋轉。超對稱性的意義在於它將以神秘方式旋轉的粒子與其他粒子聯系在壹起，就像同位旋對稱將質子和中子聯系在壹起壹樣。因此，超對稱操作可以將旋轉粒子變成非旋轉粒子。當然，這裏所說的“運算”指的是數學步驟。事實上，不可能把旋轉的粒子變成不旋轉的粒子，就像妳不可能把左手變成右手壹樣。
通過將引力理論放入超對稱框架中，引力信使粒子（稱為引力子）得到了以“有趣”方式旋轉的伴粒子（稱為引力子），以及其他粒子。如此多種類的粒子進入超引力理論，強烈表明可怕的無限問題已被抑制，迄今為止該理論進行的所有具體運算的結果都很差。
在最流行的超引力理論中，整個粒子家族的成員總數不超過70個。這個理論中包含的許多粒子可以被識別為現實世界中的已知粒子。壹些人對這壹觀點提出了反對意見，認為物質結構中沒有比誇克更低的層次，誇克世界已經是原子核中壹個巨大而模糊的東西。在這種尺度下談論“內在”存在的東西變得毫無意義。因此，關於是否存在更多基本物質單元的研究仍在繼續。
我希望我對物理學家揭示物質最終結構的工作的簡要介紹至少能讓妳對現代物理研究有所了解。物理學家懷著敬畏之心對待他們的研究對象，因為他們總是被壹種信念所支配，即大自然受數學的美麗和簡單所支配；通過深入探索物質的結構，自然的統壹性將被揭示。迄今為止的所有經驗表明，系統越小，原理越通用。根據這壹經驗，我們意外發現的世界的復雜性在很大程度上是我們的材料取樣系統能量相對較低的結果。相信隨著采樣系統能量的不斷增加，自然的統壹性和簡單性會越來越明顯。這就是為什麽在超高能粒子加速器的建設上投入了如此多的人力物力。人們想通過超高能粒子加速器闖入那個簡單的狀態壹探究竟。
然而，曾經有壹段時間大自然探索了這種簡單的狀態。那時，宇宙還沒有在大爆炸中誕生壹秒鐘。當時的溫度高達1027度，這正好是探索原始原始狀態所需的能量。在此期間，物理學家稱之為大統壹時代，因為當時的物理學是由基本力的大統壹理論過程所主導的。我們在第三章中提到的至關重要的非平衡就是在那個時候建立的，有了那種非平衡，物質就比反物質多壹點。後來隨著宇宙的冷卻，原本統壹的力也分裂成了三種不同的力——電磁力、弱力和強力。這些力就是我們在相對冷卻的宇宙中看到的力。
今天復雜的物理學是由原始大爆炸火焰的簡單物理冷卻形成的。這景色美妙而迷人。自然界的終極原理，也就是惠勒的“閃光的中心機制”，因為缺乏能量，我們很難看到。如果人們追溯到大壹統時代之前的那些時期，並趕上更接近時間開始和溫度更高的地方，他們就可以發現超重力。超引力所代表的是存在的開始，在那裏時間和空間與基本力相結合。大多數物理學家認為，時空概念不能用於超重力時代。事實上，有跡象表明，時間和空間也應該被視為兩種場，它們本身是由幾何元素組成的原始湯“冷卻”的。因此，在這個超引力的時代，自然的四種力量是混亂的、融合的，而時空尚未成為壹種圖像。當時的宇宙只是壹堆超簡單的組件，是壹些神用來創造時間、空間和物質的原材料。
描述了物理學中基本力研究的最新進展。這些進步使人們從壹個新的角度看待自然。這壹觀點的影響正在物理學家和天文學家中迅速擴大。現在，人們已經開始將宇宙視為由簡單事物冷卻而產生的復雜事物，而不是像壹個看不見的海洋凍結成不同姿態的浮冰。科學家們有壹種感覺，宇宙學的研究主題和人們對物質中基本力的研究正在提供對宇宙的統壹描述。在這種描述中，物質的微觀結構與宇宙的整體結構密切相關，兩種結構都以壹種微妙而復雜的方式影響著彼此的發展。
《物理學》中描述的壹系列成功無疑代表了基於還原論的現代物理學思想的壹次勝利。物理學家試圖將物質縮小到其最終組成部分——輕子、誇克、信使粒子——以便他們能夠壹瞥這壹基本定律。正是那個基本定律控制著形成物質結構和行為的力量，它可以解釋宇宙的許多基本特征。
然而，以這種方式追求某種終極真理是不夠的。正如我們在前面幾章中所看到的那樣，還原論無法解釋許多具有整體性特征的明顯現象。例如，我們不能用誇克來理解意識、活細胞甚至龍卷風等無生命系統。否則，就會有笑話。
當壹個物理學家說質子是由誇克“組成”時，他並不是這個意思。例如，當我們說壹個動物是由細胞組成的，或者壹個圖書館是由書籍組成的，我們的意思是我們可以從那個更大的系統中取出壹個細胞或壹本書或任何東西進行單獨的研究。但是誇克不是這樣。據我們所知，要真正拆開質子並取出誇克是不可能的。
然而，拆卸有著輝煌的歷史。拆卸原子現在是家常便飯；很難敲開原子核，但在高能沖擊下也會分裂。這可能意味著用高速粒子轟擊質子或中子會將它們粉碎成誇克。然而，實際情況並非如此。壹個微小的高速電子將穿過質子的內部，並從其中壹個誇克上猛烈反彈，從而使我們確信質子內部的某個地方存在誇克。但是，如果撞擊質子的不是小電子，而是大錘，也就是另壹個質子，那麽我們將不會在質子的碎片中看到誇克，而只會看到更多的強子（質子、介子等。).換句話說，誇克從來不是孤立出現的。大自然似乎只允許誇克作為壹個群體出現，總是兩三個在壹起。
因此，當物理學家說質子由誇克組成時，他並不意味著這些神秘的誇克可以單獨出現。他只是指壹個描述性的層次，比質子層次更基本。從某種意義上說，質子是合成的，而不是堿性的；但是從誇克合成質子與在圖書館合成書籍是不壹樣的。
這是因為沒有壹種亞原子粒子（無論是誇克還是其他基本粒子）是真正的粒子。事實上，亞原子粒子甚至可能不是“東西”。這使我們再次認識到，所謂物質是某某粒子的集合的描述實際上必須被視為由數學確定的描述水平。物理學家只能通過抽象的高等數學來精確描述物質的結構，只有當人們認識到這壹背景時，他們才能理解還原論的真正含義。
海森堡測不準原理的壹個方面很好地說明了量子因素給“什麽由什麽組成”的研究帶來的困難。但這種二元性不是波和粒子之間的二元性，也不是運動和位置之間的二元性，而是能量和時間之間的二元性。能量和時間這兩個概念處於壹種神秘而對立的關系中:妳知道其中壹個，但不知道另壹個。因此，即使在短時間內觀察到壹個系統，其能量也可能發生巨大波動。在日常生活中，能量總是守恒的。能量守恒是經典物理學的基石。但在量子微觀世界中，能量可能不知從哪裏冒出來，也可能以壹種自發且不可預測的方式消失。
當考慮愛因斯坦著名的公式E=mc2時，量子能量的漲落就變成了壹個復雜的結構。愛因斯坦的公式說能量和質量相等，或者說能量可以創造物質。這在前面的章節中已經討論過了。然而，那些章節中提到的能量來自外部。在這裏，我們想討論在沒有外部能量輸入的情況下，如何從量子能量的波動中創建物質粒子。海森堡的原理很像壹個能量銀行。能量可以短期借用，只要迅速歸還。借款期限越短，可借金額越大。
例如，在微觀世界中，突然的能量波動可能會使壹對正負電子在短時間內出現和消失。這對正負電子的短暫存在是海森堡式借貸所維持的累積效應，它使空無壹物的空間具有壹定的轉化紋理，盡管這是壹種模糊而不切實際的紋理。亞原子粒子必須在這個不斷運動的海洋中遊泳。不僅是電子和正電子，還有質子和反質子、中子和反粒子、介子和反粒子。簡而言之，自然界的所有粒子都是如此動蕩。
從量子的角度來看，電子不僅僅是電子。能量變化的模式在它周圍閃現，我不知道它何時突然導致光子、質子、介子甚至其他電子的出現。總之，亞原子世界中的壹切都附著在電子上，比如電子穿著壹件看不見摸不著的外衣，或者壹群蜜蜂像幽靈壹樣在中間的蜂巢周圍嗡嗡作響，形成了蜂巢的蓋子。當兩個電子彼此靠近時，它們的覆蓋層也糾纏在壹起，因此發生了相互作用。所謂的蓋只是以前被認為是力場的量子表達。
我們永遠無法將電子與它們攜帶的幽靈粒子分開。當有人問“什麽是電子”時，我們不能說電子就是那麽小的粒子；我們必須說電子是不可分割的壹整串東西，包括與它們壹起產生力的幽靈粒子。這裏還有壹個怪圈:力是由粒子產生的，產生的力又產生力。
對於光子這樣的粒子來說，這種怪圈意味著光子可以表現出許多不同的面貌。通過借用能量，它可以暫時成為電子-正電子對或質子-質子對。已經進行了實驗來觀察光子如何變成正負電子對或正負質子對。然而，人們再次發現不可能從這種復雜的變化中分離出“純”光子。
就大多數不穩定粒子而言，很難區分哪些是由“真實海森堡原理”引起的正負電子對，它們的壽命與ψ粒子的壽命相似。誰能說前者是真的，後者只是鬼呢？
幾年前，壹位名叫傑弗裏·邱的美國物理學家將亞原子世界中這種忽明忽暗的變化比作民主。我們不能抓住壹個粒子說它是這樣那樣的壹個實體。我們必須把每個粒子看作是由壹個沒有盡頭的怪圈中的所有其他粒子組成的。沒有任何粒子比其他粒子更基本。（這是我們在第4章中簡要提到的。).)
我們將看到，物質的本質在其量子理論中具有強烈的整體論味道:對不同層次物質的描述是相互關聯的，壹切都是由其他壹切組成的，但壹切都同時顯示出結構的層次秩序。正是在這種無所不包的整體性中，物理學家追求物質的最終組成和最終的統壹力。