美国著名物理学家，弦理论的创建者之一伦纳德·萨斯金（Leonard Sasskind）一次提出了一种革命性的概念，可以理解宇宙及其在人类中的位置。 通过他的研究，萨斯金德激发了一个现代物理学家的星系，他们相信该理论可以明确地预测我们宇宙的性质。 现在，萨斯金德（Susskind）在为广大读者撰写的第一本书中，对他的观点进行了完善和重新思考，认为这种想法绝非普遍存在，而必须让位于更大的“巨大宇宙景观”概念。
萨斯金德说，在21世纪初的研究使科学在世界知识上上升到一个新的水平。 而这本吸引人的读者将这本引人入胜的书生动地印证了这一点。
优雅的超对称宇宙？
弦理论的基本原理是一个巨大的谜团。 我们几乎所有有关理论的知识都包含了景观的一个特殊部分，由于超对称性，数学令人惊讶地简化了。 景观的超对称区域形成一个完全平坦的平原，其高度恰好等于零，其属性是如此对称，以至于许多事情都可以在没有整个景观信息的情况下进行计算。 如果有人在寻找简单和优雅，那么超对称弦理论（也称为超弦理论）的平坦之处正是他们应该注意的地方。 实际上，几年前，这个地方是弦理论家关注的唯一地方。 但是，一些物理学家已经摆脱了对魔法的迷恋，并试图摆脱对超世界的优雅简化。 原因很简单：现实世界不是超对称的。
包含标准模型和小的非零宇宙学常数的世界不能在零高度的平面上。 它位于山丘，山谷，高原和陡坡的不平坦地区。 但是我们有理由相信我们的山谷靠近风景区的超对称部分，并且数学上的超级奇迹的一些残留物可以帮助我们理解经验世界的特征。 我们将在本节中介绍的一个例子是希格斯玻色子的质量。 实际上，使这本书成为现实的所有发现都是从安全的超对称平原移开的第一个胆小尝试。
超对称性告诉我们玻色子和费米子的异同。 与现代物理学一样，超对称原理可以追溯到爱因斯坦的第一批著作。 2005年，我们庆祝了“无奇迹”的百年纪念，这是现代物理学奇迹之年。 爱因斯坦今年开始了两次革命，并完成了第三次革命。 当然，这是相对论特殊的一年。 但是很少有人知道1905年不仅仅是“相对论年”。 他还标志着光子的诞生，这是现代量子力学的开始。
爱因斯坦只获得了一个诺贝尔物理学奖，尽管我认为1905年以后获得的每个诺贝尔奖都与爱因斯坦的发现相呼应。 爱因斯坦不是因为创造相对论而是因为解释光电效应而被授予诺贝尔奖。 爱因斯坦对物理学的最根本性贡献就是光电效应理论，他首先引入了光子的概念，即由光组成的能量量子。 物理学已经准备好诞生一种相对论，它的产生只是一个时间问题，而光子的光子理论却像蓝色的闪电一样轰动着。 爱因斯坦证明，通常表示为波动现象的光线具有离散的结构。 如果光具有某种颜色（波长），则所有光子似乎都在行进中：每个光子彼此相同。 可以同时处于相同量子态的粒子被称为玻色子，以纪念印度物理学家Chatyatranat Bose。
近二十年后，路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）在完成由爱因斯坦（Einstein）铺设的建筑物时，将显示出始终被视为粒子的电子同时表现出类似波的行为。 像波一样，电子也能够反射，折射，衍射和干涉。 但是电子和光子之间存在根本的区别：与光子不同，两个电子不能同时处于相同的量子态。 保利的抑制原理保证了原子中的每个电子都有其自己的量子态，并且没有其他电子可以将其鼻子粘在一个已经占据的位置。 即使在原子外部，两个相同的电子也不能位于同一位置或具有相同的动量。 这种粒子被意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）称为费米子，尽管公平地说，它们应被称为保利。 在标准模型中的所有粒子中，约一半是费米子（电子，中微子和夸克），另一半是玻色子（光子，Z和W玻色子，胶子和希格斯玻色子）。
费米子和玻色子在世界图画中扮演着不同的角色。 通常我们会想象物质由原子组成，即由电子和原子核组成。 在一个近似中，原子核由质子和中子组成，这些质子和中子由核力结合在一起，但是在更深的层次上，质子和中子是由小的构造块（夸克）组装而成的。 所有这些粒子-电子，质子，中子和夸克-都是费米子。 物质由费米子组成。 但是如果没有玻色子，原子，原子核，质子和中子将完全破裂。 这些玻色子，主要是光子和胶子，在费米子之间来回跳跃，产生将所有东西保持在一起的吸引力。 尽管费米子和玻色子对于世界的生存至关重要，但它们一直被认为是“不同品种的动物”。
但是在1970年代初，受弦理论的最初成功启发的理论家开始使用新的数学思想，根据这些思想，费米子和玻色子实际上并没有太大的区别。 一个想法是，所有粒子形成一对完全相同的孪生双胞胎，在各个方面都是相同的，只是其中一个是费米子而另一个是玻色子。 这是一个完全荒谬的假设。 它对现实世界的正义意味着，物理学家以某种方式设法失去了所有基本粒子的一半，而未能在实验室中找到它们。 例如，根据该假设，必须存在一个质量，电荷和其他性质与电子完全相同的粒子，但它不是费米子，而是玻色子。 您如何在斯坦福或CERN的加速器中看不到这种颗粒？ 超对称假设光子中存在无质量的中性费米子孪生子，以及电子和夸克中存在玻色子孪生子。 也就是说，该假设预测整个世界都将神秘地缺失“对立面”。 实际上，所有这些工作只是一个数学游戏，纯粹是对一种新型对称性的理论研究-一个不存在但可能存在的世界。
不存在相同的孪生粒子。 物理学家们不会四处乱逛，也不会错过整个平行世界。 在这种情况下，这种数学推测有什么兴趣？为什么在过去30年中这种兴趣突然增强了？ 物理学家一直对各种数学对称感兴趣，即使可以问的唯一合理的问题是：“为什么这种对称性不是自然界的？” 但是现实世界及其物理描述都充满了各种对称性。 对称性是理论物理学中最广泛，功能最强大的工具之一。 它渗透到现代物理学的所有部分，尤其是与量子力学有关的部分。 在许多情况下，对称性的类型是我们对物理系统所知的全部，但是对称性分析的作用是如此强大，以至于它常常告诉我们几乎我们想知道的所有事情。 对称通常是物理学家从中获得美学满足感的花园。 但是对称是什么？
让我们从雪花开始。 每个孩子都知道没有两个相同的雪花，但是同时它们都有一个共同的特征，即对称性。 雪花的对称性立即可见。 如果您拿雪花并以任意角度旋转它，则它看起来将不同于其原始形式-旋转。 但是，如果您将雪花精确地旋转60°，则雪花将与自身重合。 物理学家可以说雪花旋转60°是对称的。
对称性与可以在系统上执行而不影响实验结果的操作或转换相关。 在雪花的情况下，这种操作是旋转60°。 这是另一个示例：假设我们建立了一个旨在测量地球表面重力加速度的实验。 最简单的选择是将石头从已知高度掉下来并测量其下落的时间。 答：每秒约10米。 请注意，我不担心告诉您在哪里扔石头：在加利福尼亚还是在加尔各答。 以非常好的近似值，答案在地球表面上的任何地方都是相同的：如果您将所有实验设备从地球表面的一个位置移到另一个位置，则实验的结果将不会改变。 用物理术语来说，某物从一个点到另一个点的移动或移动称为翻译。 因此，我们可以说地球的重力场具有“平移对称性”。 当然，某些副作用会干扰我们的实验结果并破坏对称性。 例如，通过对非常大的大量矿床进行实验，我们将获得比其他地方更高的价值。 在这种情况下，我们可以说对称只是近似的。 近似对称也称为破坏对称。 重矿物的单独沉积物的存在“违反了平移对称性”。
雪花的对称性可以打破吗？ 毫无疑问，一些雪花是不完美的。 如果雪花在不完美的条件下形成，那么它的一侧可能会与另一侧不同。 它仍将具有接近六边形的形状，但是此六边形将是不完美的，也就是说，其对称性将被破坏。
在外层空间中，我们可以测量两个质量之间的引力，而不受任何干扰影响，并且可以得到牛顿的万有引力定律。 无论在哪里进行实验，理论上我们都应该得到相同的答案。 因此，牛顿引力定律具有平移不变性。
为了测量两个物体之间的吸引力，必须将它们彼此隔开一定距离。 例如，我们可以排列两个对象，以使连接它们的线在某些给定坐标系中平行于x轴。 同样成功的是，我们可以将对象排列在与y轴平行的线上。 我们测量的吸引力会取决于连接这些物体的直线的方向吗？ 从原则上讲，是的，但前提是自然法则与我们的自然法则不同。 在自然界中，万有引力定律指出，吸引力与质量的乘积成正比，与质量之间的距离的平方成反比，并且不取决于一个物体相对于另一个物体的方向。 与方向的独立性称为旋转对称性。 平移和旋转对称是我们所生活的世界最重要的基本属性。
照镜子。 你的倒影就像两滴水。 裤子的镜像与裤子本身没有什么不同。 左手套的反射正好重复了左手套。
停下 这里出了点问题。 让我们再仔细看看。 左手套的镜像与左手套不完全相同。 它与正确的手套相同！ 右手套的镜像与左手套相同。
现在，仔细看看自己的想法。 不是你 反射时，左颊上的痣在右。 而且，如果您打开自己的胸部，您会发现反射的心脏不在所有正常人的左边，而是在右边。 让我们称呼镜子男人-男人。
假设我们拥有一种未来技术，可以使我们从单个原子组装任何物体。 使用这项技术，我们将建立一个人，该人的镜像将完全重复您的情况：左边的心脏，左边的雀斑等。然后，我们将建立的原始对象将是一个人。
一个人会正常工作吗？ 他会呼吸吗？ 他的心脏会跳吗？ 如果给他糖果，他会吸收其中糖分吗？ 这些问题大多数答案都是肯定的。 基本上，一个人的功能将与一个人完全相同。 但是他的新陈代谢会出现问题。 他将无法吸收常规糖。 原因是糖以两种镜像形式存在，如左右手套。 一个人只能吸收镜面形式的一种糖。 一个人只能吸收糖。 分子-糖和糖-彼此之间的区别与左右手套相同。 化学家称普通糖可以使人吸收D-异构体（来自拉丁语右旋糖-右），而镜像糖则只有人类可以吸收-L-异构体（来自拉丁文Lævum-左）。
用镜像反射代替任何东西称为镜像对称或奇偶校验。 镜面反射的后果在原则上是显而易见的，但让我们再重复一件事：如果世界上的所有事物都被其镜面反射所替代，那么这个世界的行为将不会发生任何变化，也不会与我们世界的行为有所不同。
实际上，镜像对称是不准确的。 这是打破对称性的一个很好的例子。 某种原因导致中微子的镜面反射比原始中微子重很多倍。 这适用于所有其他粒子，尽管程度要小得多。 似乎大世界的镜子有点弯曲，它使反射略有扭曲。 但是这种失真微不足道，以至于实际上不影响普通物质。 但是，在镜世界中高能粒子的行为中，可能会发生非常显着的变化。 但是，暂时让我们假装镜面对称是准确的。
说粒子之间存在对称关系是什么意思？ 简而言之，这意味着每种类型的粒子都具有性质非常相似的伙伴或孪生子。 对于镜像对称，这意味着，如果自然法则允许存在左手套，那么就有可能存在右手套。 建立D-葡萄糖的存在意味着L-葡萄糖也必须存在。 而且，如果镜面对称性没有破坏，则所有基本粒子都应采用相同的镜形。 每个粒子必须具有与之相同的双胞胎，直到镜面反射为止。 当镜像一个人时，组成他的身体的每个基本粒子都被其镜像孪晶所代替。
反物质是另一种对称类型，称为电荷共轭对称。 由于对称涉及用其对称类似物替换所有事物，因此电荷共轭的对称涉及将每个粒子替换为其反粒子。 它将质子等正电荷变为负质子，在这种情况下为反质子。 同样，带负电的电子被带正电的正电子取代。 氢原子被由正电子和反质子组成的反氢原子取代。 这样的原子的确确实是在实验室中获得的，但是数量很少，甚至不足以从中制造出抗分子。 但没有人怀疑抗分子是可能的。 抗体也可能以相同的方式出现，但不要忘记，您将不得不用抗食物来喂养它们。 实际上，最好让反人类与普通百姓彼此远离。 当一种物质遇到反物质时，它们会相互破坏，变成光子。 如果您不小心与反人类握手，则发生的爆炸将比氢弹爆炸的爆炸更强。
事实证明，电荷共轭的对称性也略有破坏。 但是，就像镜像对称的情况一样，如果我们不考虑非常高能量的粒子，则这种违反的影响将是微不足道的。 现在回到费米子和玻色子。 我们与Nambu合作开发的最早的弦理论是“玻色弦理论”，因为它描述的所有粒子都是玻色子。 它不太适合描述强子，因为质子毕竟是费米子。 同样，它不适合万物理论的作用。 电子，中微子，夸克-都是费米子。 但是时间不多了，出现了新的弦理论，它不仅包含玻色子，而且还包含费米子。
这种超弦理论的显着数学特性之一是超对称性-玻色子和费米子之间的对称性，要求每个费米子都具有一个具有完全相同特性的孪生玻色子，反之亦然。对于弦理论家来说，超对称已被证明是必不可少且极为强大的数学工具。没有它，数学是如此复杂，以至于很难确定理论是一致的事实。几乎所有声称描述现实世界的可信理论都是超对称的。但是，正如我已经强调的，自然界中的超对称并不是精确的对称。充其量，这是一个相当严重破坏的对称性，让人联想到在极其弯曲的镜子中反射的世界。到目前为止，尚未发现任何已知基本粒子的超级伙伴。如果玻色子以与电子相同的质量和电荷存在于自然界中，那么它早就被发现了。但是，如果打开Web浏览器并在Internet上搜索有关粒子物理学的文章，则会发现自1970年代中期以来，绝大多数作品都以一种或另一种方式使用超对称性。怎么了
为什么理论家仍然没有将超对称性与超弦理论一起扔进垃圾桶？这有几个原因。该学科曾经被称为高能理论粒子物理学，长期以来被分为两个学科：理论学科和现象学学科。如果您在浏览器的地址栏中输入URL http://arXiv.org，然后您将到达物理学家发布其文章预印本的站点。那里的各个学科分为核物理，凝聚态物理等。如果您进入高能物理（hep）部分，则会在此处找到两个单独的档案：一个（hep-ph）包含现象学的档案，第二个（hep-th） -理论和数学文章。查看这些档案，您会发现hep-ph部分包含有关传统粒子物理学问题的文章，其中包含进行的实验结果或计划的实验说明。通常在这些文章中，有大量的表格和图表。相比之下，第7部分大部分包含有关弦论和重力的文章。它们充满了数学计算，并且与实验的关系非常弱。但是，近年来，这两个学科之间的界限变得越来越模糊，我认为这是一个好兆头。但是在这两部分中，大多数文章都与超对称有关。每个代表都有自己的理由。对于纯粹的理论家来说，数学就是这样的原因-超对称的使用大大简化了数学计算，并使我们能够获得解决其他方法难以解决的问题的解决方案。记住，在第二章中我曾说过，如果所有粒子都具有超对称伴侣，宇宙常数将恰好为零？这是超对称理论中出现的数学奇迹之一。我不想在这里描述它们，但主要的是超对称性极大地简化了量子场论和弦论中的计算，以至于理论家可以访问这些东西，否则他们几乎不可能推断出来。而且，尽管现实世界不是超对称的，但超对称性使我们能够了解一些现有现象，例如黑洞。任何涉及重力的理论也描述了黑洞。它们具有悖论性和神秘性，我们将在后面讨论。解决这些悖论的可能选择过于复杂，无法在传统理论中进行验证。在这里，超级伙伴的存在使魔术师对黑洞的研究异常简单，就好像被魔术所迷一样。这种简化对弦理论家来说特别有价值。现在，弦理论的数学几乎完全依赖于超对称性。通过添加超级伙伴，甚至大大简化了夸克和胶子行为的许多旧的量子力学计算。超对称世界不是现实世界（至少在我们口袋里的宇宙中），但是这个世界与我们的世界非常接近，可以从它的研究中学到许多有关重力和粒子物理学的课程。尽管“ Happers”和“ Hepters”的最终目标是相同的，但是现象学家和弦理论家当前的任务却有所不同。现象学家使用旧的理论物理方法，有时使用弦理论的新思想来描述物理定律，因为它们在整个20世纪的大部分时间都是被理解的。通常，他们不会尝试建立理论，唯一正确的证明就是其数学完整性。他们没有试图建立统一的理论。超对称仅使他们感兴趣，因为它们近似于自然破碎的对称性，以寻找可以在实验室实验中检测到的东西。对他们来说，最重要的发现是发现失踪的超级伙伴。您还记得，对称性不完美。在理想的镜子中，对象及其反射完全相同，直到用右边的左边替换掉为止，但是在笑声中弯曲的镜子中，对称性是不完美的。这种反射可能只适合于识别对象，但同时又是非常扭曲的副本。在这样的镜子里，一个瘦男人的形象看起来像一个胖男人的形象，体重是他瘦双身男人的几倍。在一个称为我们的宇宙的弯曲反射镜吸引力中，超对称反射镜将巨大的畸变引入粒子的反射中，如此之大，以至于普通粒子的超级伙伴在其中看起来令人难以置信的脂肪。如果它们存在，它们必须比普通颗粒重很多倍。到目前为止，还没有发现一个超级伙伴：电子超级伙伴，光子超级伙伴或夸克超级伙伴。这是否意味着它们根本不存在，超对称性只是一个无用的数学游戏？可能是这样，但也可能意味着失真太大，以至于超级伙伴太重，现代粒子加速器的能量不足以检测它们。如果由于某种原因，超级伙伴的质量超过了几百个质子质量，那么它们确实无法被检测到，直到下一代加速器建成。所有超级伴侣的名字都与他们的普通双胞胎相似。如果您知道规则，这些名称很容易记住。如果普通粒子是玻色子，例如光子或希格斯玻色子，则其超级伙伴的名称是通过添加后缀“ foreign”来形成的。例如，fotino，higsino或gluino。如果初始粒子是费米子，则超级合作伙伴的名称是通过添加前缀“ c”形成的，例如，电子，smuon，sneyrrino，squark等。这最后一条规则引起了物理学中最丑陋的名称。科学界已确立了一种观点，即新的发现实际上在“指日可待”中等待着我们。如果在数百个质子质量范围内检测超级伙伴的尝试失败，则最有可能对估计值进行修改，并且超微粒的检测将推迟到加速器的构造允许生成质量为1000质子或一万质子质量的粒子之前。这是否使人想起一厢情愿的想法？我不这么认为。
超对称可能成为希格斯粒子之谜的关键，问题本身可能与所有物理问题之母以及引力相互作用无法解释的弱点之谜有关。导致无法解释的高真空能量的相同量子震颤也可能是基本粒子质量的原因。假设我们将粒子置于颤抖的真空中。与量子涨落相互作用，粒子将在其位置的附近将干扰引入其中。一些粒子将消除量子涨落，而另一些粒子将放大它们。总的效果可能是这些波动能量的变化。由于粒子的存在而产生的这种额外的能量可以解释为一些额外的质量（记住E = mc2）。最典型的例子是尝试以此方式计算希格斯玻色子的质量。在这种情况下，获得了完全荒谬的结果，类似于尝试估算真空能的结果。希格斯玻色子附近的真空震颤导致了普朗克质量级的加法！为什么这么困扰我们？尽管理论家通常只关注希格斯玻色子，但所描述的问题适用于所有基本粒子，但光子和引力子除外。放置在波动的真空中的任何颗粒都会获得异常大的质量。但是，如果所有粒子都增加了质量，那么宇宙的所有物质将变得重很多倍，而作用在物体之间的重力将增加许多数量级。我们还记得，即使重力常数稍有增加，也将导致一个完全无人居住的宇宙。这个难题通常被称为希格斯质量问题，这是理论家试图解决的另一个微调物理定律的问题。希格斯质量问题与宇宙常数的小问题非常相似。但是，这两个问题与超对称性有什么关系？还记得第二章中我如何谈论费米子和玻色子对真空涨落的能量起相反作用的事实，如果可以平衡它们的作用，那将解决真空能的问题？对于不希望的额外的颗粒质量，这是正确的。在超对称世界中，可以抑制量子涨落的巨大贡献，而不会扰动粒子质量。而且，如果这种违反不是太强烈的话，甚至打破超对称性也可以减轻问题。这就是研究基本粒子的物理学家希望超对称现象“即将来临”等待它们的主要原因。但是，应该指出的是，破碎的超对称性仍然无法解释宇宙常数的如此之小的值。希格斯质量问题与一侧的真空能量问题相似。温伯格表明，在真空能量过多的世界中不可能存在生命，对于元素粒子过多的世界也是如此。希格斯质量问题的解决方案也许不在于超对称，而在于地形的巨大多样性以及人类对这一质量的小价值的需求。在几年的过程中，我们将能够找出超对称性是否真的在“迫在眉睫”地等待着我们，或者它是一个不断消退的幻影。对于理论家来说，不雅的问题之一是：“如果超对称是如此美妙，优雅并且在数学上是完美的，那么为什么世界不是超对称的呢？我们为什么不生活在弦论家最爱的世界如此优雅的宇宙中？”原因可能是人类原则吗？在理想的超对称宇宙中，对生命的最大威胁不是来自宇宙学，而是来自化学。在超对称宇宙中，每个费米子都有一个质量完全相同的孪生玻色子-这就是问题所在。她的罪魁祸首是电子和光子的超级伙伴。这两个粒子被称为电子（帕，你会打破舌头！）然后是fino，它们会阴谋摧毁所有普通原子。取一个碳原子。碳的化学性质主要取决于其价电子-外壳中结合最弱的电子。但是在超对称世界中，外部电子可以发射出富蒂诺并变成电子。无质量的光子以光速飞走，留下电子代替原子中的普通电子。这是一个大问题：作为玻色子的电子不遵守保利禁令的原理，而是进入了最低轨道。在很短的时间内，所有电子都将变成电子，并处于最低轨道。再见，碳的化学性质，再见，生命所必需的所有其他分子！超对称世界可能非常优雅，但是却无法维持生命-至少是我们所知道的那种生命。回到http://arXiv.org，您还会在这里找到两个档案：广义相对论和量子宇宙论（广义相对论和量子宇宙论）和天体物理学（天体物理学）。在这些部分中发表的文章中，超对称性没有那么重要。如果世界不是超对称的，宇宙学家为什么要注意超对称？答案可能是比尔·克林顿（Bill Clinton）过于简化的短语：“这就是风景，白痴！” 1尽管在我们小的家乡山谷中，对称性可能会或多或少被部分破坏，但这并不意味着对称性会在风景的所有角落都被破坏。我们最深入研究的弦理论领域的一部分是超对称准确且不间断的区域。该空间称为超对称模块空间（或超模块空间），代表景观的一部分，每个费米子都有自己的玻色子，每个玻色子都有自己的费米子。结果，在超级模块的整个空间中，真空的能量严格等于零。在地形上，这意味着景观的这一部分是位于零高度的平坦平原。我们对弦理论的了解大部分是基于我们35年的探索平原经验。当然，这也意味着Megawersum的某些区域应该是超对称的。但是，任何超弦理论家都无法在其中一个口袋里享受生活。这部分景观是位于零高度的平坦平原。我们对弦理论的了解大部分是基于我们35年的探索平原经验。当然，这也意味着Megawersum的某些区域应该是超对称的。但是，任何超弦理论家都无法在其中一个口袋里享受生活。这部分景观是位于零高度的平坦平原。我们对弦理论的了解大部分是基于我们35年的探索平原经验。当然，这也意味着Megawersum的某些区域应该是超对称的。但是，任何超弦理论家都无法在其中一个口袋里享受生活。»这本书的更多信息可以
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