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物理学家们对对称的执着曾使他们误入歧途


物理学家与庞塞·德·León和U2乐队的波诺有很多相似之处。经过几十年的寻找,沐鸣平台登陆线路他们不再年轻了。他们还没找到他们要找的东西。

在这种情况下,物理学家的目标是SUSY。“苏西”不是一个真实的人,也不是一个与衰老有关的喷泉。这是一种基于对称原理的数学框架,可以帮助物理学家更好地解释宇宙的奥秘。许多专家相信,SUSY预测的粒子是大质量弱相互作用粒子(wimp),它们被认为构成了潜伏在整个宇宙中不可见的“暗物质”。

不过,到目前为止,《苏西》还是让人有些失望。尽管进行了多次英勇的搜索,SUSY仍然被隐藏在人们的视线之外。也许这是数学上的海市蜃楼。

如果SUSY真的是一个神话,这将不是第一次对称性导致科学的疯狂追逐。从圆周运动的对称性出发的推理最初表明,在两千多年前,太空中存在着一种新的物质形式。在接下来的19个世纪里,对这种对称性的执着使科学对太阳系和行星运动的真实本质视而不见。

你可以责怪柏拉图和亚里士多德。在他们的时代,普通物质被认为由四种元素组成:土、气、火和水。亚里士多德在这些元素的基础上建立了一套详尽的运动理论。他坚持认为它们自然是直线运动的;土和水直线向下(朝向世界的中心),空气和火直线向上移动。然而,在天空中,亚里斯多德注意到,运动似乎是圆形的,就像星星围绕夜空旋转一样。“我们的眼睛告诉我们,天空在一个圆圈中旋转,”他在《天堂》(On the heavens)中写道。由于已知的四种元素都是直线运动的,亚里士多德推断,天空一定由第五种元素组成,即以太——地球上不存在,但在空间中占主导地位。

柏拉图在理论而非观测的基础上,已经坚持认为圆的对称性意味着完美,因此在天空中应该要求圆周运动。因此,几个世纪以来,天体运动必须是圆的这一假设一直束缚着试图理解宇宙的自然哲学家。直到16世纪,哥白尼还愿意推翻亚里士多德的“地球是万物的中心”的观点,但仍然相信地球和其他行星围绕太阳以圆形运动的组合形式运行。又过了半个世纪,开普勒才发现行星轨道是椭圆形的,而不是圆形的。

亚里士多德对太空中奇异物质形式的信仰,与今天科学家对天空的描绘并没有太大的不同,尽管是以一种更为严谨和复杂的理论方式。天文学家认为,暗物质在太空中占主导地位;人们从改变恒星和星系运动的引力效应中推断出它的存在。物理学家已经确定,暗物质(由于各种非循环的原因)不能由地球上发现的相同的普通物质构成。

关于宇宙暗物质的身份,超对称性粒子一直是最受欢迎的建议之一,沐鸣平台登陆线路它基于比柏拉图和亚里士多德所能得到的更为复杂的对称概念。自20世纪开始,对称数学产生了一系列令人震惊的科学成就。从爱因斯坦的相对论到基本粒子和力的理论,对称性的考虑现在构成了科学理解自然的核心。

这些数学形式的对称是更为复杂的对称的例子,正如大家所理解的那样:一种改变使事物看起来像以前一样。当镜子从左到右互换时,一张完美对称的脸看起来是一样的。当你旋转它看另一边时,一个完美球体的外观不会改变。将雪花旋转60度,你会看到相同的雪花。

以类似的方式,更复杂的数学框架,称为对称群,描述物理世界的各个方面,如时间和空间,或组成物质或传递力的亚原子粒子家族。这种数学方程中的对称性甚至可以预测以前未知的现象。例如,描述亚原子粒子的方程式的对称性揭示了,对于每个粒子,本质上都允许有一个带相反电荷的反物质粒子。

事实上,所有已知的普通物质和力粒子都符合对称群所描述的数学模式。但这些粒子都不能解释暗物质。

超对称性粒子作为暗物质的可能性出现在上世纪七八十年代,当时理论家们提出了一个更先进的对称系统。这种被称为超对称性(即超对称性)的数学理论认为,每个已知粒子都有一个“超级”伴星:每个物质粒子都有一个力粒子伴星,每个力粒子都有一个物质粒子伴星。这是一个优雅的数学概念,它解决了(或至少改善了)其他一些恼人的理论问题。此外,在它预测的超级伴子粒子中,最轻的那一个(不管是哪一个)似乎很可能是一个完美的暗物质弱相互作用粒子。

可惜的是,探测大质量弱相互作用大质量弱相互作用粒子(它应该一直撞击地球)的努力几乎都没有发现任何粒子。一个声称探测到弱粒子的实验似乎站不住脚——一个新的实验,使用同样的方法和材料,报告没有这样的弱粒子证据。而试图在世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(Large Hadron Collider)中产生超对称性粒子的尝试也毫无结果。

因此,一些物理学家放弃了SUSY理论。也许超对称性就像希腊人对圆周运动的迷恋一样具有误导性。但事实是,SUSY不是一个可以被一个实验扼杀的理论。它是一个更模糊的数学概念,是一个可以构建许多具体理论的框架。

2019年,意大利的里雅斯特国际高等研究院的物理学家帕特里克·斯坦格尔在华盛顿特区的一次会议上说:“你不能真正消灭SUSY,因为它不是一个东西。”“这不是一个你可以扼杀的想法。它基本上只是一堆想法的框架。”

在同一次会议上,德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家凯瑟琳·弗里斯指出,无法保证大型强子对撞机会发现SUSY。“甚至在大型强子对撞机建成之前,就有很多人说,嗯,它可能没有达到足够高的能量,”她说。

因此,SUSY可能会成为一个对称性的例子,使物理学走向成功。但为了以防万一,物理学家们已经开始研究暗物质的其他可能性。一个古老的建议最近重新引起了人们的兴趣,那就是假设一种名为轴子(SN: 3/24/20)的轻量粒子。

当然,如果轴子确实存在,对称迷们仍然会感到高兴——提出轴子的动机一开始就是用另一种形式的对称来解决问题。