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超对称理论:对称与破缺的宇宙之美

嘉宾用饼图比喻解释超对称如何填充宇宙的四个象限,并分享1975年在麻省理工研究超对称的经历。讨论对称性在物理中的核心地位,以及从数学预测到实验验证的科学方法。

超对称对称性粒子物理科学方法
成长分 / 100 71 综合收获、行动、留存与影响

为什么值得读嘉宾用饼图比喻解释超对称如何填充宇宙的四个象限,并分享1975年在麻省理工研究超对称的经历

讨论对称性在物理中的核心地位,以及从数学预测到实验验证的科学方法

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Lex Fridman · 中文播客

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[0.120-6.621] SPEAKER_02: 您的工作涉及超对称和对称,很有趣。 总体来看。 首先,您能讲讲什么是超对称吗?

[6.921-15.477] SPEAKER_01: 啊,是的。 您还记得我之前讲的两个桶吗? 我说过宇宙中有两个桶。 现在想象一个分成四个象限的饼图。 所以请把这个饼切成四份。

[15.557-29.398] SPEAKER_01: 一个象限放我们讨论过的所有桶。 比如电子和夸克。 另一个象限放所有力的载体。 另外两个象限是空的。 现在给您看一张图,您会看到一个圆。 上象限里有一堆东西,其他象限也有。 然后问您一个问题。

[29.478-38.057] SPEAKER_01: 您觉得对称吗? 不。 不。 完全正确。 因为我们人类有个根深蒂固的系统。 有一种预设的对称感。 它是宇宙奥秘的一部分。 那你怎样让它对称呢?

[38.137-47.877] SPEAKER_01: 一种方法,那两个空的象限也有东西。 你这样做,那就是超对称。 这是1975年我在麻省理工读研时理解的,当时数学 这个理论才刚刚诞生。

[47.957-62.344] SPEAKER_01: 超对称其实诞生于60年代末的乌克兰。 当时有所谓的铁幕。 所以我们西方人对此一无所知。 但到70年代初,西方科学家独立重新发现了 超对称。 他们叫布鲁诺·泽米诺和朱利叶斯·维斯特。

[62.424-77.345] SPEAKER_01: 所以这大约发生在71或72年。 我73年开始读研究生。 所以在74、75年左右,我试图写论文,以便能成为 一名物理学家,度过余生。 我做了个... 我经历了一次伟大的冒险。 我导师詹姆斯·杨很棒,他教了我很多关于

[77.425-84.332] SPEAKER_01: 电子、弱力之类的东西。 但我想,要是我能最大化成功机会, 就该往没人研究的方向闯。

[84.412-94.036] SPEAKER_01: 于是,我关注了当时各种新想法,然后遇到 超对称理论。 它真的…… 它数学的美让我简直…… 让我倾倒。 其实我有两个本科学位。

[94.116-105.798] SPEAKER_01: 我第一个本科是数学,第二个是物理,尽管 我一直都想当物理学家。 A计划,就是拿好成绩,是数学。 我原来学数学,考虑读研。 但我的心在物理上。

[106.098-115.513] SPEAKER_02: 如果我们能稍微…… 稍微岔开话题。 在数学和物理的交叉领域,你见过最美的数学思想是啥? 那就是对称性。

[115.813-125.890] SPEAKER_01: 我们天生的对称感竟能和这么神奇的数学吻合, 真让人惊叹。 它在我眼里最美。 很奇怪但事实是,对称若完美,我们就不会存在。

[125.970-139.533] SPEAKER_01: 所以,尽管我们有这些非常强大的…… 某种程度上,宇宙平衡的强力想法,只有当你打破那些 平衡时,才会产生人类、行星、恒星这些物体。 所以,尽管支撑现实,但不是全部。

[139.613-144.744] SPEAKER_01: 所以我自然就被对称主导的科学与技术吸引。 主导作用。

[145.044-150.547] SPEAKER_02: 而且,不止你说的对称。 但是…… 打破对称,魔法就发生了。

[150.847-152.820] SPEAKER_01: 打破对称,魔法就发生了。

[153.120-166.125] SPEAKER_02: 好的。 直接深入,你提到了四个象限。 是的。 两个装满了我们可以…… 两个桶。 我们已经量过了。 对。 还有疯狂的数学,关于填充另外两个。 还有两个。 那些是啥?

[166.425-181.346] SPEAKER_01: 我之前讲那两个桶时,先讲了个故事:我们待在一个灰扑扑的房间里,有两把电筒。 对。 没错。 电筒,我会打开我的。 光束会互相穿过。 这些光束由叫光子的力载体组成。 它们携带电磁力。 它们直接穿过彼此。

[181.426-195.093] SPEAKER_01: 想象研究这种物体的数学,不用想——像我这样的人会做。 然后拿着那个数学,问自己一个问题。 你看,数学就像调色板。 就像作曲家能构建主题的变奏一样。 对。 是的。 物理学家手里的数学,能让我们构建变奏。

[195.173-206.205] SPEAKER_01: 物理学家手里的数学,能让我们构建变奏。 物理学家手里的数学,能让我们构建变奏。 变奏。 麦克斯韦的光理论告诉了我们怎么构建。 它的变体。 其中一个可建的变体是假设有个力载体。

[206.285-220.811] SPEAKER_01: 在电磁学里,行为像电子,会跟另一个。 发生碰撞。 这相当于改了方程里的一个数学项。 这么做,你就会得到个力载体。 那么你会说,首先,它属于力载体这类。 但它会像电子那样反弹。

[220.891-232.561] SPEAKER_01: 你会说,哎呀,等等,不对,这分类不对。 所以只好把它放到一个空的象限里。 这类东西,我们基本上给它们一个... 所以光子可以伴随一个光微子。 它是一种带力但会反弹的粒子。

[232.641-243.974] SPEAKER_01: 同样,可以从电子开始。 然后你说,好的,写下数学上的电子。 我知道怎么做。 狄拉克在20年代末30年代初告诉了我们怎么做。 所以用那套数学。 你说,让我看看这数学,找出它导致。

[244.054-256.943] SPEAKER_01: 就算关掉电荷,两个电子也会互相弹开。 所以我能做到。 现在我换个数学说法。 所以现在我有了带电的东西。 但如果你取两个…… 抱歉。 如果关掉电荷,它们就会互相穿过。 所以这就把东西放到另一个象限了。

[257.023-270.017] SPEAKER_01: 那些东西我们一般叫…… 我们在它们名字前加个S。 下面这个象限里是电子。 这个新填满的象限,是超电子。 这个象限里是夸克。 这里是超夸克。 现在我们有了一个平衡的饼图。

[270.097-281.756] SPEAKER_01: 这基本就是我1975年读研究生时的理解。 关于超对称。 它会用一种没人想过的方式填充饼图这两个象限。 之前。 所以我很惊讶,麻省理工没人觉得这想法有趣。

[281.836-295.782] SPEAKER_01: 所以我成了麻省理工第一个真正研究超对称的人。 那是1975、76、77年。 1977年,我写了物理系第一篇关于这想法的博士论文。 因为这种平衡吸引了我。 对称性吸引了我。 那什么...

[296.082-308.809] SPEAKER_02: 那意味着什么... 首先,这纯粹是数学概念吗? 有多少实验... 我们会有这么个主题。 这主题特别有意思。 探索微观世界时,新书里提到证明爱因斯坦

[308.889-318.432] SPEAKER_02: 是对的,还会聊到另一个主题:先从 数学里探索疯狂想法,再找实验方法 验证它们。 超对称在这个框架里是什么位置?

[318.732-332.991] SPEAKER_01: 它比弦理论更接近验证。 还没被验证。 你提到爱因斯坦,我们先聊聊他。 在《证明爱因斯坦是对的》里,我们确实谈了阿尔伯特·爱因斯坦。 1915年写了一套方程,和牛顿的很不一样,用来描述引力。

[333.071-350.558] SPEAKER_01: 描述引力。 这些方程做出的预测,和牛顿的不一样。 它确实做出了一些预测。 实际上它有三个不同的预测。 第一个不算是预测,而是事后解释,因为当时已经知道水星没有按牛顿说的那样绕太阳转。 水星并没有按照牛顿告诉你的方式绕太阳运行。

[350.638-366.674] SPEAKER_01: 爱因斯坦的理论正好描述了水星实际怎么运行,而不是牛顿说的那样。 而不是牛顿告诉你的方式。 所以那算是一个预测。 广义相对论的第二个预测,是爱因斯坦在1915年提出的:如果你… 1915年写的,是如果你...

[366.754-378.935] SPEAKER_01: 那我先描述一个实验,回头再说它。 假设我有一杯水,倒满,然后慢慢把杯子在你我脸之间来回移动。 在我们两个人的脸之间来回移动。 在我看,你的脸好像在动,其实你没动。

[379.015-395.561] SPEAKER_01: 其实这就是… 这是因为光线穿过玻璃时发生了弯曲,光从你的脸到我眼睛。 你的脸到我的眼睛。 好了。 所以爱因斯坦1915年... 没错。 嗯。 他1915年广义相对论发现,引力对光的影响跟那杯水一样。 它会让光束弯曲。

[395.641-405.196] SPEAKER_01: 牛顿也知道,但爱因斯坦预言光会弯曲两倍。 所以这里有个数学概念。 现在怎么实际证明它呢? 嗯,你得观察... 稍停一下,你说的语言。

[405.496-420.359] SPEAKER_02: 他发现... 可以说他做了个计算。 这是个非常有趣的概念,关于宇宙最... 宇宙最美好的事之一就是你能进行计算,并结合 物理学家那种神奇直觉,实际预测出... 什么可能通过实验验证。

[420.439-435.348] SPEAKER_02: 没错。 所以他发现,某种意义上,似乎存在某种东西,而且数学上... 没错。 所以他发现,某种意义上,这里似乎有某种东西,而且数学上也是如此。 它应该会弯... 重力应该让光线弯成这样。

[435.428-439.561] SPEAKER_02: 对。 所以这有潜力,然后设计实验。 能被验证。

[439.861-446.885] SPEAKER_01: 对。 这正是现代物理学的深层基础。 它是怎么运作的。 之前我们提到希格斯玻色子。 那我们为什么要去找它呢?

[446.965-452.828] SPEAKER_01: 答案是,60年代末70年代初,有人写了些方程,然后... 这些方程预测了它。

[453.128-454.660] SPEAKER_00: 然后我们就去找它。

[454.960-468.163] SPEAKER_02: 就是这样。 谢谢。 我被这些方程引导,这是个五字问题。 好的。 。 我也这么认为。 真是个好问题。 说实话,关于这事。 我就是... 我写的是十分钟前,不是十分钟? 。 嗯。 让我去看看。 不,谢谢。

[468.243-471.807] SPEAKER_02: 我马上就能说话了。 嗨,维什·迪斯·拉·弗拉德!