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【科學講堂】「超對稱理論」盼釋「平衡」

2017-06-21

假設夥伴粒子 惜仍未證實

上次跟大家稍為討論了「大自然是否自然」這個問題,今天再分享一個相關的例子,並探討一下一些有趣、甚至頗具爭議的解答。

之前提到2013年確定發現的希格斯粒子(Higgs boson)。如前次所述,希格斯粒子的質量其實受茼U種其他粒子的影響,這些個別的影響數值上來說都很大,然而它們卻好像協調過一樣,互相抵消,以至於我們在現實中量度到的希格斯粒子質量其實並不是很大。這真的好比一顆豎立於金字塔頂端的雞蛋一般:任何輕微搖動都會令它掉下來,可是它就是還沒有掉下來,為什麼?

電子有超對稱夥伴「超電子」

還記得之前談過的宇宙常數(cosmological constant)嗎?事實上它也是一個相類的例子。 天文學家憑藉量度不同距離的超新星(supernova),發現宇宙膨脹的速度正在自行地增加,而宇宙常數的數值則代表了這種加速的快慢。

跟希格斯粒子的故事一樣,宇宙常數的數值應該受茼U種各樣東西的影響,但是在它們不可解的「互相協調」下,在現實中測度到的宇宙常數的數值也是出奇地小。為什麼?

這些微妙的「數字平衡」背後是否有什麼理由?一個在物理學家中頗為流行的想法是「超對稱理論」(supersymmetry,簡稱susy,跟人名蘇絲Susie同音)。超對稱理論假設每一顆我們認識的粒子都有一個相對應的「夥伴」粒子。每一種粒子(例如電子,electron)跟它的夥伴(電子的超對稱夥伴被稱為「超電子」,selectron)在很多方面都差不多一樣,因此它們對希格斯粒子、宇宙常數等等的影響都很類似,除了一個很重要的分別-一方的影響是正數,另一方的卻是負數,因此兩者加起來便很自然地互相抵消了。

這就好比小心理財的我們的信用卡戶口:簽賬後我們會馬上繳付差不多的金額,因此信用卡戶口的結餘總是接近零。不幸的是這樣的主意正面臨很大的挑戰:時至今日,這些假設的「超對稱夥伴」還是一顆都沒有被找到。你對它們的存在有多大的信心?

「人擇原理」 看似詭辯

還有沒有其他可能的解釋?「人擇原理」(Anthropic Principle)是一個很富爭議性的建議,它的邏輯大致如下:為什麼有個數值(比方說宇宙常數)那麼小?因為倘若它不是那麼小,人類就無法出現。

例如太大的宇宙常數代表膨脹得很快的宇宙,物質還沒有足夠的時間聚集成太陽系就已經被分隔得太遙遠了。沒有人類,又怎麼會有人探索這個問題?

美國物理學家色斯金(Leonard Susskind)有一個很有趣的比喻:一群很有智慧的金魚,可能會在苦惱為什麼牠們身處的環境(水中)跟宇宙的其他地方很不一樣?當然了,如果牠們不是剛好處於水中,早就一命嗚呼啦!

小 結

這個「人擇原理」是否有點詭辯?筆者也是如是想。我們應該把它留作「終極武器」:倘若努力一番後其他令人滿意的解釋還是遍尋不果,我們才再想想它的「妙用」吧。 ■張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現於香港大學理學院任職講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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