对称与统一的美

物理学作为所有科学中最基本的学科，它研究自然的本质，研究物质最基本的构成，研究世界上所有的运动。小到最基本的粒子，大到无垠的宇宙，我们很容易从物理学中感受到美。例如，物理学总是有着对称之美：粒子与反粒子，正电荷与负电荷，电生磁与磁生电，动能转化为势能与势能转化为动能等。从物质存在形式，物理过程再到物理规律，这些“有序”“均衡”“重复”的东西，因为空间上的和谐布局和时间上的节律协和，总是能让我们感受到美。

想必物理学家也一定是爱美的，不然他们不会由正物质的存在，就推测出反物质一定存在，虽然反物质至今还没有被彻底研究明白。

物理学家们会根据三个美丽的标准选择理论：简单、自然和优雅。在两个效果相同的理论中，物理学家倾向于选择更简单的，甚至是绝对简单的。当理论还不够简单的时候，他们就会通过统一几种力或者假设新的对称来让理论变简单。第二个标准是自然，自然是一种试图摆脱人为因素的尝试。这一准则通常适用于没有单位的常数值，例如基本粒子质量比，自然要求这样的数字应该接近1。如果不是这样，就会有理论解释它为什么不是1。美丽标准的第三个方面——优雅是最难理解的，它是简单和惊喜的结合，是事情步入正轨的那一瞬间，它要我们去揭示事物之间新的联系。

物理学一定要优美对称？

物理学家认为，根据这三个标准，如果一个理论是美丽的，那么这个理论就是有希望的、可信的。这使物理学家做出质子应该能够衰变的预测。粒子物理学表明，如果某粒子的衰变方式不违背任何物理学守恒定律，那么该衰变方式就可以自发地进行。比如，中子是粒子中质量比较大的，它可以很自然地衰变为更轻的质子、电子以及反中微子，这早已被物理学实验所证实。那么，比较轻的质子呢？虽然物理学实验一直没能证实质子衰变的存在，但质子衰变的理论不违背任何守恒定律，所以科学家相信它肯定存在。

根据三个美丽标准，物理学家还预测，我们应该能够探测到暗物质粒子，比如轴子和弱相互作用的大质量粒子。许多的实验被实行来寻找这种理论上可能存在于宇宙中的不可见物质，但到目前为止，还没有发现任何假设中的粒子。

20世纪70年代，为了统一强力、弱力和电磁力这三种基本力，物理学家建立了一个标准模型。“标准模型”非常成功，很好地统一了三大基本作用力。但根据三个美丽标准，它又很丑陋——它像个大杂烩，把多达61种基本粒子全部装进去，既不简单、也不自然，更谈不上优雅。因此，物理学家一直希望寻找一种更简洁有力的理论来改造标准模型。

因此，超对称理论登上了粒子物理学的舞台。超对称理论描述了费米子（自旋为半整数的粒子，包括轻子、中子、质子等）和玻色子（自旋为整数的粒子，包括介子、光子、胶子等）之间的对称性，认为每种费米子都应有一种玻色子与之配对，它们被包括进来是为了弥补“标准模型”理论的审美缺陷。

超对称理论虽然很漂亮，但不是必须的。即使没有超对称，现在的标准模型理论在数学上也是说得通的，只是不是特别漂亮。粒子物理学家利用超对称性来弥补这一不足，从而使这个理论更加美丽。然而，费米子和玻色子之间的对称性至今在自然界中尚未被观测到。

抛弃美的桎梏

有科学家认为，过度追求物理学理论的对称与优美，会让我们对物理学的探索误入歧途。

如果我们仔细阅读科学史，我们应该能学到：美不能作为理论发展的向导。许多美好的假设都是错误的，比如约翰尼斯·开普勒的观点，行星轨道堆积在规则的多面体中；还有20世纪40年代一些学者提出的稳恒态宇宙模型，即宇宙处于“稳定状态”而不是在膨胀。这些理论看起来都很优美，但却都是错误的。

一些曾经被认为是丑陋的理论也经受住了时间的考验。当开普勒认为行星是沿着椭圆而不是圆运动时，同时代的人都觉得这太丑了，不可能是真的。保罗·狄拉克指责更新后的麦克斯韦理论很难看，因为它需要复杂的数学运算公式。然而，那些被认为是丑陋的想法是正确的，它们至今仍在被使用，我们不再觉得它们丑陋。

实际上，很多物理学理论的进步、突破是为了解决数学上的矛盾。例如，爱因斯坦废除了绝对时间观念，因为这个观念在数学上与麦克斯韦的电磁学理论相矛盾，从而创造了狭义相对论。然后他解决了狭义相对论和牛顿引力之间的矛盾。狄拉克后来消除了狭义相对论和量子力学之间的分歧，这导致了量子场论的发展，今天我们仍然在粒子物理学中使用量子场论。很多成功的预测和推论是建立在坚实的数学推理基础之上的。

因此，当物理学家试图追寻纯粹美丽的理论时，他们可能会把时间浪费在那些不是真正问题的问题上。一味要求宇宙规律符合人类对美的理想是没有意义的，相反可能还会有害，把物理学研究带进没有未来的死胡同。我们应该让扎实的实验证据引导我们走向新的自然法则，“美”会在那里等着我们。