[科普中國]-超對稱

超對稱是費(fèi)米子和玻色子之間的一種對稱性，該對稱性現(xiàn)今已經(jīng)在自然界中被觀測到。物理學(xué)家認(rèn)為這種對稱性是自發(fā)破缺的。大型強(qiáng)子對撞器將會驗(yàn)證粒子是否有相對應(yīng)的超對稱粒子這個疑問。我們知道， 基本粒子按照自旋的不同可以分為兩大類： 自旋為整數(shù)的粒子被稱為玻色子 (Boson)， 自旋為半整數(shù)的粒子被稱為費(fèi)米子 (Fermion)， 這兩類粒子的基本性質(zhì)截然不同。 超對稱便是將這兩類粒子聯(lián)系起來的對稱性 - 而且是能做到這一點(diǎn)的對稱性。

起源對超對稱的研究起源于二十世紀(jì)七十年代初期， 當(dāng)時 P. Ramond、 A. Neveu、 J. H. Schwarz、 J. Gervais、 B. Sakita 等人在弦模型 (后來演化成超弦理論) 中、 Y. A. Gol'fand 與 E. P. Likhtman 在數(shù)學(xué)物理中分別提出了帶有超對稱色彩的簡單模型。 1974 年， J. Wess 和 B. Zumino 將超對稱運(yùn)用到了四維時空中， 這一年通常被視為是超對稱誕生的年份。1

發(fā)展和超對稱天然存在的發(fā)現(xiàn)

在超對稱理論中每一種基本粒子都有一種被稱為超對稱伙伴 (Superpartner) 的粒子與之匹配， 超對稱伙伴的自旋與原粒子相差 1/2 (也就是說玻色子的超對稱伙伴是費(fèi)米子， 費(fèi)米子的超對稱伙伴是玻色子)， 兩者質(zhì)量相同， 各種耦合常數(shù)間也有著十分明確的關(guān)聯(lián)。 超對稱自提出到2013年已經(jīng)快三十年了， 在實(shí)驗(yàn)上卻始終未能觀測到任何一種已知粒子的超對稱伙伴， 甚至于連確鑿的間接證據(jù)也沒能找到。 盡管如此， 超對稱在理論上非凡的魅力仍然使得它在理論物理中的地位節(jié)節(jié)攀升， 幾乎在物理學(xué)的所有前沿領(lǐng)域中都可以看到超對稱概念的蹤影。 一個具體的理論觀念， 在完全沒有實(shí)驗(yàn)支持的情況下生存了將近三十年， 而且生長得枝繁葉茂、 花團(tuán)錦簇， 這在理論物理中是不多見的。 它一旦被實(shí)驗(yàn)證實(shí)所將引起的轟動是不言而喻的。 正如 S. Weinberg (電弱統(tǒng)一理論的提出者之一) 所說， 那將是 “純理論洞察力的震撼性成就”。 當(dāng)然反過來， 它若不幸被否證， 其骨牌效應(yīng)也將是災(zāi)難性的， 整個理論物理界都將哀鴻遍野。

作用

超對稱的魅力源泉之一在于玻色子與費(fèi)米子在物理性質(zhì)上的互補(bǔ)， 在一個超對稱理論中， 這種互補(bǔ)性可以被巧妙地用來解決高能物理中的一些極為棘手的問題， 比如標(biāo)準(zhǔn)模型中著名的等級問題 (Hierarchy Problem)， 即為什么在電弱統(tǒng)一能標(biāo)與大統(tǒng)一或 Planck 能標(biāo)之間存在高達(dá)十幾個數(shù)量級的差別？超對稱在理論上的另一個美妙的性質(zhì)是普通量子場論中大量的發(fā)散結(jié)果在超對稱理論中可以被超對稱伙伴的貢獻(xiàn)所消去， 因而超對稱理論具有十分優(yōu)越的重整化性質(zhì)。關(guān)于超對稱的另外一個非常值得一提的結(jié)果是， 它雖然沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)， 卻有一個來自大統(tǒng)一理論的 “理論證據(jù)”。 長期以來物理學(xué)家們一直相信在很高的能量(即大統(tǒng)一能標(biāo)， 約為 1015 - 1016 GeV) 下微觀世界的基本相互作用- 強(qiáng)相互作用及電弱相互作用- 可以被統(tǒng)一在一個單一的規(guī)范群下， 這樣的一種理論被稱為大統(tǒng)一理論。 大統(tǒng)一理論成立的一個前提是強(qiáng)、電磁及弱相互作用的耦合常數(shù)必須在大統(tǒng)一能標(biāo)上彼此相等， 這一點(diǎn)在理論上是可以加以驗(yàn)證的。 但是驗(yàn)證的結(jié)果卻令人沮喪， 在標(biāo)準(zhǔn)模型框架內(nèi)上述耦合常數(shù)在任何能量下都不彼此相等。 也就是說標(biāo)準(zhǔn)模型與大統(tǒng)一理論的要求是不相容的， 這無疑是對大統(tǒng)一理論的沉重打擊， 也是對物理學(xué)家們追求統(tǒng)一的信念的沉重打擊。 超對稱的介入給了大統(tǒng)一理論新的希望， 因?yàn)橛嬎惚砻鳎?在對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行超對稱化后所有這些耦合常數(shù)在高能下非常漂亮地匯聚到了一起。 這一點(diǎn)大大增強(qiáng)了物理學(xué)家們對超對稱的信心， 雖然它只是一個理論證據(jù)， 而且還得加上引號， 因?yàn)檫@一 “證據(jù)” 說到底只是建立在物理學(xué)家們對大統(tǒng)一的信念之上才成之為證據(jù)的。

對稱

物理中有一個很重要的基本觀念：宇宙間有某種對稱性是某些現(xiàn)象所具有的，因此產(chǎn)生現(xiàn)象的各種力場，也就必須負(fù)起維持對稱性之責(zé)。我們先看一些例子。在量子場論里我們用「電子場」描述自由電子，把這個場（場固然是算符，但同時也是時空的函數(shù)。）乘上一個「純相」的因數(shù)（也就是絕對值為1的復(fù)數(shù)，例如(1+i)/ √ 2 ，這時，我們說：「我們對電子場做了一個全局性的相轉(zhuǎn)換?！顾^全局性，是指電子場在每一個時空的點(diǎn)上都乘上了同一個因數(shù)，各點(diǎn)的遭遇是一律平等的。所謂相轉(zhuǎn)換，是指某個復(fù)數(shù)量的相被改變了。物理學(xué)家相信：描述自由電子的正確理論，在此轉(zhuǎn)換之下應(yīng)該是不變的，也就是說，它具有全局性的相對稱。更進(jìn)一步，假定我們對電子場做一個?！钢瘘c(diǎn)性」的相轉(zhuǎn)換，也就是把電子場乘上一個exp〔if（x ,y,z,t）〕的因數(shù)，此處的f(x,y,z,t)為某實(shí)函數(shù)。因?yàn)槊恳稽c(diǎn)上所乘的因數(shù)值各不相同，故稱為逐點(diǎn)性。原來描述自由電子的理論，在這個新的轉(zhuǎn)換之下再也不能保持原形了，也就是失去了對稱性。然而這時如把理論修改擴(kuò)張，引入了電磁場，則有辦法得到一個新理論使他又恢復(fù)具有對稱性。事實(shí)上，這個新理論便是前述的量子電動力學(xué)，它正好描述電子的電磁交互作用。由此物理學(xué)家得到一個觀念，即力場的出現(xiàn)是由某種逐點(diǎn)性對稱的要求所產(chǎn)生的。當(dāng)我們要求電子場的理論具有逐點(diǎn)性的相對稱時，便出現(xiàn)了電磁場。

讓我們再看看核力。核子物理把質(zhì)子與中子視為同一粒子（叫做核成子）的兩個狀態(tài)，可以說核成子帶有箭頭（叫做同位旋），當(dāng)箭頭指上時核成子以質(zhì)子的狀態(tài)出現(xiàn)，當(dāng)箭頭指下時則以中子的狀態(tài)出現(xiàn)。 實(shí)驗(yàn)顯示核力的本質(zhì)與同位旋箭頭的方向完全無關(guān)。實(shí)驗(yàn)顯示核力的本質(zhì)與同位旋箭頭的方向完全無關(guān)。 今考慮對「核成子場」做一個逐點(diǎn)性的同位旋轉(zhuǎn)換，亦即在每一個時空的點(diǎn)上分別把核成子的同位旋箭頭轉(zhuǎn)到不同的方向。如果我們要求描述核成子的理論在此種逐點(diǎn)性轉(zhuǎn)換之下保持不變，則自然而然地會在理論中出現(xiàn)「核力場」，例如派介子場等等。那么重力又是怎么來的？我們都很熟悉狹義相對論所說的：一切物理定律的形式在龐加萊變換（Poincare transformation）之下不變。 這個轉(zhuǎn)換是指全局性的，以公式來講，亦即在時空X α的轉(zhuǎn)換式X α → X' α = ^ αβ X β +a α當(dāng)中，系數(shù)^ α β與a α僅為常數(shù)而已。如果更進(jìn)一步要求：物理定律的形式在「逐點(diǎn)性的龐加萊變換」（亦即一般性坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）之下保持不變，則理論中自然就出現(xiàn)重力場了。

轉(zhuǎn)換二十世紀(jì)70年代初期，在美國、歐洲與蘇俄的幾位物理學(xué)家，各別研究而找到了上述的新原理──這個新的對稱性是不同自旋粒子間的對稱，特稱為「超對稱」（super symmetry）。 超對稱轉(zhuǎn)換可以把一個「代表自旋為J的粒子」的場轉(zhuǎn)換成另一個「代表自旋為J ± 1/2的粒子」的場，因此能把玻子變成費(fèi)子，或把費(fèi)子變成玻子。他們所研究的問題是：

（1）那些理論在全球性的超對稱轉(zhuǎn)換之下保持不變？

（2）如果更進(jìn)一步要求一理論在逐點(diǎn)性的超對稱轉(zhuǎn)換之下保持不變，則會出現(xiàn)那種力場呢？

他們頭一個新奇的發(fā)現(xiàn)是：超對稱轉(zhuǎn)換固然可以改變粒子的自旋，其實(shí)也能改變粒子的位置。因此，逐點(diǎn)性的超對稱轉(zhuǎn)換也就很自然地包含了逐點(diǎn)性的彭卡瑞轉(zhuǎn)換。換句話說，如果我們要求一理論具有逐點(diǎn)性的超對稱，則必然會出現(xiàn)重力場！另一個新奇的結(jié)果是：如果我們要求逐點(diǎn)性的超對稱成立，則必須引入兩種力場才行──除了上述的重力子場外，還需要一個所謂的重力微子場。 重力微子（gravitino）是沒有質(zhì)量的，而且自旋為3/2──是個費(fèi)子！ 這個力場很特別，因?yàn)檫^去所知的任何力場一向都是玻子（自旋為整數(shù)的）。要注意的是，新力場并不是隨隨便便就可以引進(jìn)來的，因若有新的力場即表示有新的效應(yīng)，而這些預(yù)測的新效應(yīng)絕不可以和任何已知的事實(shí)沖突。因此，我們應(yīng)該要問：這個重力微子場能否繼續(xù)保持常觀世界里的牛頓律呢？ 后來的研究發(fā)現(xiàn)，重力微子場的效應(yīng)對常觀世界毫無影響，它僅僅出現(xiàn)微觀世界（亦即量子階段）的重力現(xiàn)象里。

超對稱理論的出現(xiàn)極大地改變了理論物理的景觀， 也給宇宙學(xué)常數(shù)問題的解決帶來了一線新的希望。2

這一線希望在于玻色子與費(fèi)米子的零點(diǎn)能正是兩者物理性質(zhì)互補(bǔ)的一個例子， 玻色子的零點(diǎn)能是正的， 而費(fèi)米子的零點(diǎn)能卻是負(fù)的。 這一點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)模型中也成立， 只不過在標(biāo)準(zhǔn)模型中玻色子與費(fèi)米子的參數(shù)迥異，自由度數(shù)也不同， 因此這種互補(bǔ)性并不能對零點(diǎn)能的計算起到有效的互消作用。 但是在超對稱理論中玻色子與費(fèi)米子的參數(shù)及自由度數(shù)都是嚴(yán)格對稱的， 因此兩者的零點(diǎn)能將嚴(yán)格互消。 不僅零點(diǎn)能如此， 其它對真空能量有貢獻(xiàn)的效應(yīng)也如此， 事實(shí)上在嚴(yán)格的超對稱理論中可以普遍地證明真空的能量密度 - 從而宇宙學(xué)常數(shù)- 為零。

假如時間退回到十幾年前 - 那時還沒有宇宙學(xué)常數(shù)不為零的確鑿證據(jù) - 宇宙學(xué)常數(shù)為零不失為一個令人滿意的結(jié)果， 可惜時過境遷， 我們對這一結(jié)果卻是雙重的不滿意。 因?yàn)槲覀冋J(rèn)為宇宙學(xué)常數(shù)并不為零， 因此對宇宙學(xué)常數(shù)為零的結(jié)果已不再滿意。 另一方面， 物理學(xué)家們辛辛苦苦做了多年的實(shí)驗(yàn)， 試圖找到超對稱伙伴 (并順便拿 Nobel 獎)， 結(jié)果卻一個也沒找到， 因此現(xiàn)實(shí)世界根本就不是超對稱的， 從而我們對以嚴(yán)格的超對稱為基礎(chǔ)的證明本身也很不滿意 (這后一個不滿意放在十幾年前也成立)。

讀者可能會奇怪， 既然實(shí)驗(yàn)不僅未能證實(shí)， 反而已經(jīng)否定了超對稱， 物理學(xué)家們?yōu)槭裁催€要研究超對稱？ 而且還研究得那么有滋有味、 樂此不疲？ 那是因?yàn)槲锢韺W(xué)上有許多對稱性破缺的機(jī)制可以協(xié)調(diào)這一 “矛盾”， 一種對稱性可以在高能下存在， 卻在低能下破缺。 電弱統(tǒng)一理論便是運(yùn)用對稱性破缺機(jī)制的一個精彩的范例。 物理學(xué)家們心中的超對稱也一樣， 嚴(yán)格的超對稱只存在于足夠高的能量下。 因此前面關(guān)于宇宙學(xué)常數(shù)為零的證明必須針對超對稱的破缺而加以修正， 這一修正之下我們原先的雙重不滿意倒是消除了， 但不幸的是原先在嚴(yán)格的超對稱管束下銷聲匿跡的種種 “不良” 效應(yīng)卻也通通卷土重來， 宇宙學(xué)常數(shù)雖然不再為零了， 卻被大大地矯枉過正， 可謂是 “前門拒虎， 后門進(jìn)狼”。

那么考慮到超對稱破缺后宇宙學(xué)常數(shù)的計算結(jié)果究竟有多大呢？ 這取決于超對稱在什么能量上破缺， 對標(biāo)準(zhǔn)模型來說超對稱的破缺應(yīng)該發(fā)生在 TeV (1012 eV) 能區(qū)。 這相當(dāng)于在前面提到的零點(diǎn)能密度的計算中令 M~TeV (因?yàn)殡m然量子場論本身的適用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 TeV， 但在 TeV 以上的零點(diǎn)能被超對稱消去了)， 由此所得的宇宙學(xué)常數(shù)約為 ρ ~ (TeV)4/Mp2。 這一結(jié)果比觀測值大了約 60 個數(shù)量級 (由此對應(yīng)的宇宙半徑在毫米量級)， 比不考慮超對稱時的 123 個數(shù)量級略微好些， 但也不過是 “五十步笑百步” 而已， 兩者顯然同屬物理學(xué)上最糟糕的理論擬合之列。

理論在弦論的最基本層次上， 基本粒子被視為振動的弦而非點(diǎn)粒子。 一段弦可以有許多諧振模式，不同的基本粒子就被詮釋為這些不同的諧振模式。

物理學(xué)家建立了N=8的超對稱理論(Supersymmetry / SUSY)統(tǒng)一費(fèi)米子與玻色子,那是認(rèn)為這個宇宙除了四維之外,還有四維，這個八維宇宙叫超空間(superspace)，然而這額外的四維不可被理解為時間抑或空間。八維宇宙是由費(fèi)米子居住，物質(zhì)可透過自旋由四維空間轉(zhuǎn)入費(fèi)米子居住之八維，又可由八維轉(zhuǎn)回四維，即玻色子可換成費(fèi)米子,費(fèi)米子可轉(zhuǎn)換成玻色子，它們沒有分別，我們之所以看到它們自旋不同只不過是我們局限于四維而看不到八維的一個假象.

打個譬喻，你在地球上只會感同到三維(上下前后左右)，我們雖然知道時間之存在，然而我們眼睛看不到，眼睛只幫我們分析三維系統(tǒng)，有可能這個世界是八維，而因?yàn)檠劬χ豢煞直嫒S而你無法得知。

科學(xué)家稱這些一對之粒子為超對稱伙伴(supersymmetric partner)，如重力微子(gravitino)、光微子(photino)、膠微子(gluino)，而費(fèi)米子之伙伴叫超粒子(sparticle)，只不過是在費(fèi)米子前面加一個s，如超電子(selectron).可是我們還沒有發(fā)現(xiàn)費(fèi)米子或玻色子轉(zhuǎn)出來的超對稱伙伴，例如電子就不是由任何已知玻色子的超對稱伙伴，假如每一玻色子或費(fèi)米子都有其超對稱伙伴，世界上之粒子數(shù)將會是兩倍的數(shù)量。

有認(rèn)為超對稱伙伴質(zhì)量比原本粒子高很多倍，只存在于高能量狀態(tài)，我們處于安靜宇宙是不能夠被看見，只有在極稀有的情形下，超對稱伙伴會衰變成普通的費(fèi)米子及玻色子，當(dāng)然我們尚未探測到超對稱伙伴，否則就哄動啰。

超弦理論避免了試圖將引力量子化時產(chǎn)生的紫外發(fā)散，同時它也比傳統(tǒng)量子場論更具預(yù)言能力，比如它曾對粒子相互作用中超對稱概念的提出有所助益。在粒子相互作用的超對稱統(tǒng)一理論所獲得的成功中有跡象表明，超對稱在接近當(dāng)前加速器的能量上就可能對基本粒子產(chǎn)生影響。若果真如此，則超對稱將被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，并有可能具有宇宙學(xué)上的重要性，與暗物質(zhì)、元素合成及宇宙暴脹相關(guān)。磁單極在超弦理論的結(jié)構(gòu)中起著重要作用，因此如果超弦理論成立，它們就必須存在，雖然其密度也許已被宇宙暴脹稀釋到無法觀測的程度。磁單極的質(zhì)量在許多令人感興趣的模型中都接近 Planck 質(zhì)量，但假如粒子相互作用與引力的統(tǒng)一 - 如某些模型所提出的 - 通過大的或彎曲的額外維度 (large or warped extra dimensions) 在接近 TeV 的能量上實(shí)現(xiàn)，那么磁單極的質(zhì)量就會小于 100 TeV。在天體物理背景下這樣的磁單極將是極端相對論性的。在這類模型中，超對稱將毫無疑問題TeV 能區(qū)。大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)的試驗(yàn)結(jié)果似乎已經(jīng)將亞原子粒子理論中的一種最簡單版本的超對稱理論排除。

研究人員在試驗(yàn)中未能找到所謂的“超對稱”粒子。日本粒子物理學(xué)家宮沢弘成最早于1966年首次提出超對稱理論，當(dāng)時是為了補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)模型中的一些漏洞。它描述了費(fèi)米子和玻色子之間的對稱性，認(rèn)為每種費(fèi)米子都應(yīng)有一種玻色子與之配對，反之亦然。一旦被證實(shí)，它將有助于統(tǒng)一自然界的基本作用力，并幫助解釋宇宙中存在的暗物質(zhì)問題。

從事這項(xiàng)工作的物理學(xué)家們告訴BBC記者說，物理學(xué)界今后可能需要重新構(gòu)建一套全新的理論。有關(guān)的數(shù)據(jù)已經(jīng)被提交正在印度孟買舉行的國際輕子和光子國際會議。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在LHCb設(shè)備上進(jìn)行的，這一設(shè)備是安裝在瑞士-法國邊境的歐洲核子研究中心(CERN)的這臺大型對撞機(jī)環(huán)路中的4臺大型探測設(shè)備之一。英國利物浦大學(xué)的塔拉·希爾斯(Tara Shears)博士是這一設(shè)備工作組的發(fā)言人，他說：“實(shí)驗(yàn)的結(jié)果已經(jīng)將超對稱理論置于聚光燈下?！?/p>

在實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家們試圖以前所未有的精度觀察B介子的衰變情況。如果超對稱粒子果真存在，那么B介子的衰變頻率將要比它們不存在的情況下高得多。除此之外，如果超對稱粒子存在，它們的物質(zhì)和反物質(zhì)版本粒子衰變時表現(xiàn)的差異也應(yīng)當(dāng)要更大一些。

科學(xué)界渴盼了解這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，尤其是在美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室質(zhì)子—反質(zhì)子對撞機(jī)(Tevatron)得到的結(jié)果似乎暗示B介子的衰變確實(shí)受到超對稱粒子影響的結(jié)果之后，科學(xué)界就更加需要某種證實(shí)或澄清的結(jié)果出現(xiàn)。然而，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析之后，LHCb實(shí)驗(yàn)暫時未能找到超對稱粒子存在的間接證據(jù)。

超對稱理論的最簡單描述就是，除了我們所熟知的亞原子粒子，還存在超對稱粒子，它們和常規(guī)的亞原子粒子非常相似，僅有一些細(xì)微的特征上的差異。這種理論將幫助我們解釋為何宇宙中會存在遠(yuǎn)比我們能觀察到的物質(zhì)量多得多的“看不見”的物質(zhì)，即暗物質(zhì)。

根據(jù)LHC實(shí)驗(yàn)工作組成員，倫敦帝國學(xué)院的約旦·納什(Jordan Nash)教授的說法，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，我們應(yīng)當(dāng)已經(jīng)觀察到一些超對稱粒子的線索了。他說：“我們未能找到任何直接或間接的證據(jù)證明這一理論，這說明要么我們對這一理論的理解是不全面的，要么它的本質(zhì)和我們所想還存在差異，再或者就是這種粒子根本就不存在?！闭f出最后這句話時，納什教授滿臉失望。

發(fā)展在超對稱理論中每一種基本粒子都有一種被稱為超對稱伙伴 (Superpartner) 的粒子與之匹配，超對稱伙伴的自旋與原粒子相差 1/2 (也就是說玻色子的超對稱伙伴是費(fèi)米子， 費(fèi)米子的超對稱伙伴是玻色子)，兩者質(zhì)量相同，各種耦合常數(shù)間也有著十分明確的關(guān)聯(lián)。 超對稱自提出到2014年已經(jīng)快三十年了， 在實(shí)驗(yàn)上卻始終未能觀測到任何一種已知粒子的超對稱伙伴， 甚至于連確鑿的間接證據(jù)也沒能找到。 盡管如此， 超對稱在理論上非凡的魅力仍然使得它在理論物理中的地位節(jié)節(jié)攀升， 幾乎在物理學(xué)的所有前沿領(lǐng)域中都可以看到超對稱概念的蹤影。 一個具體的理論觀念， 在完全沒有實(shí)驗(yàn)支持的情況下生存了將近五十年， 而且生長得枝繁葉茂、 花團(tuán)錦簇， 這在理論物理中是不多見的。 它一旦被實(shí)驗(yàn)證實(shí)所將引起的轟動是不言而喻的。 正如 S. Weinberg (電弱統(tǒng)一理論的提出者之一) 所說， 那將是 “純理論洞察力的震撼性成就”。 當(dāng)然反過來， 它若不幸被否證， 其骨牌效應(yīng)也將是災(zāi)難性的， 整個理論物理界都將哀鴻遍野。3

作用超對稱的魅力源泉之一在于玻色子與費(fèi)米子在物理性質(zhì)上的互補(bǔ)， 在一個超對稱理論中， 這種互補(bǔ)性可以被巧妙地用來解決高能物理中的一些極為棘手的問題， 比如標(biāo)準(zhǔn)模型中著名的等級問題 (Hierarchy Problem)， 即為什么在電弱統(tǒng)一能標(biāo)與大統(tǒng)一或 Planck 能標(biāo)之間存在高達(dá)十幾個數(shù)量級的差別？超對稱在理論上的另一個美妙的性質(zhì)是普通量子場論中大量的發(fā)散結(jié)果在超對稱理論中可以被超對稱伙伴的貢獻(xiàn)所消去， 因而超對稱理論具有十分優(yōu)越的重整化性質(zhì)。關(guān)于超對稱的另外一個非常值得一提的結(jié)果是， 它雖然沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)， 卻有一個來自大統(tǒng)一理論的 “理論證據(jù)”。 長期以來物理學(xué)家們一直相信在很高的能量(即大統(tǒng)一能標(biāo)， 約為 1015 - 1016 GeV) 下微觀世界的基本相互作用- 強(qiáng)相互作用及電弱相互作用- 可以被統(tǒng)一在一個單一的規(guī)范群下， 這樣的一種理論被稱為大統(tǒng)一理論。 大統(tǒng)一理論成立的一個前提是強(qiáng)、電磁及弱相互作用的耦合常數(shù)必須在大統(tǒng)一能標(biāo)上彼此相等， 這一點(diǎn)在理論上是可以加以驗(yàn)證的。 但是驗(yàn)證的結(jié)果卻令人沮喪， 在標(biāo)準(zhǔn)模型框架內(nèi)上述耦合常數(shù)在任何能量下都不彼此相等。 也就是說標(biāo)準(zhǔn)模型與大統(tǒng)一理論的要求是不相容的， 這無疑是對大統(tǒng)一理論的沉重打擊， 也是對物理學(xué)家們追求統(tǒng)一的信念的沉重打擊。 超對稱的介入給了大統(tǒng)一理論新的希望， 因?yàn)橛嬎惚砻鳎?在對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行超對稱化后所有這些耦合常數(shù)在高能下非常漂亮地匯聚到了一起。 這一點(diǎn)大大增強(qiáng)了物理學(xué)家們對超對稱的信心， 雖然它只是一個理論證據(jù)， 而且還得加上引號， 因?yàn)檫@一 “證據(jù)” 說到底只是建立在物理學(xué)家們對大統(tǒng)一的信念之上才成之為證據(jù)的。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)