超引力

理论模型

超引力（supergravity）是一类将广义相对论进行超对称化的理论模型。广义相对论是理论物理学用于描述万有引力的标准理论，从粒子物理的视角来看，广义相对论的理论模型中包含了一种自旋为2的玻色子，称为“引力子”（graviton）；超引力的理论模型里不仅包含引力子，还包含了一种自旋为3/2的费米子，称为gravitino。

简介

在1970年代，尽管统一电磁，弱和强作用的方案取得了令人鼓舞的进展，引力却仍然孤傲不群。然而，这期间引力学家们也决非无所事事。在70年代中期，他们对超对称的概念作了重要的推广。我们知道，超对称基本上是一类抽象的几何对称。而爱因斯坦的广义相对论当然是引力的一种几何理论。所以，有几位研究人员各自独立地发现，超对称几何也可以作为引力几何理论的基础，相应的理论就称为超引力。

主要特点

超引力带来的主要特点是，引力子已不再是传递引力的唯一媒介粒子。请回忆一下，超对称是在费米子与玻色子之间提供了某种联系。如果对自旋为2的引力子实施一个超对称操作（即包含从普通空间到额外的费米自由度作转动的数学运算），那么理论就描写一个自旋3/2的粒子。自然界中尚未发现自旋3/2的基本粒子，所以这是一种新粒子。这类新粒子称为引力量子，对于不同的模型，它们的种类数目是不同的，可以从1到8不等。引力量子如果存在，将同引力子一样具有极弱的耦合，因而很难在实验中测到。

理论描述

进一步的超对称操作可以产生更多的粒子,它们的自旋为1,2分之一和0

在一个人们比较赞同的超引力理论中，引力量子的超对偶粒子总数达172个，由于这一理论中有8种引力量子，人们称之为N=8的超引力理论。人们尝试把其中的一些超对偶粒子同高能物理中已经知道的粒子去一一对号入座，以便提供一种可能的超统一方案。在这种包罗万象的理论中，其他几种力的媒介粒子--光子，胶子，W和Z粒子--和引力子一起都将属于同一个巨大的超“族”，即通过超对称联系在一起的一个粒子多重态。于是，有可能把所有的力统一起来，原来的每一种力只代表某个单一的具有超对称的超力的一个侧面。但这还不是理论的全部内容。因为，超“族”中还包括有费米子，它们或许同组成物质的基本粒子--夸克和轻子有关。这样，有可能对物质以及相互作用进行统一的理论描述.

空想性

尽管这一宏大的理论结构有着如此诱人的魅力，但从已知粒子中寻找引力子的超对偶还仅仅是一种理想而已。不过许多理论家已经兴奋地宣称超引力可能就是人们长期以来梦寐以求的那个包罗万象的理论。剑桥大学的史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在他就职 Lucasian数学讲座教授的演说中提到，假使N=8的超引力大有希望，那么“理论物理的终结为期不远了。”人们为进一步优化理论以及探索它的细节作了巨大努力。为类比起见，发展了其他一些较引力而言容易分析的场论的超对称形式。其中重要的进展是，发现当理论在大于四维的时空中构造时，超引力的几何结构可以大大简化。对于N=8的超引力，最为有利的维数是11。

80年代初，当一部分理论家们忙于在11维时空中重新表述超引力理论时，与之并行地，另外一部分人则开始在克莱因－卡鲁扎理论框架下研究额外自由度的问题。他们的目的是要把原来只涉及引力与电磁作用的理论进行扩充，以便同样能够描述弱作用和强作用。这是可能做到的，因为温伯格和萨拉姆的理论以及量子色动力学为弱与强力提供了非常类似于电磁理论的规范场论描述。

在克莱因－卡鲁扎的原始理论中，电磁作用仅仅通过附加一维时空自由度（使得总维数为五）而引入的。这是同传递电磁作用只需一种光子这一事实相联系的。换句话说，是同电磁场的规范对称性为最简单的U（1）对称相联系的。而另一方面，弱和强作用则具有较复杂的规范对称（SU（2）和SU（3）），所以需要一个多重态的媒介粒子传递它们的相互作用。于是，在扩充的克莱因－卡鲁扎理论中它们各自要求的额外自由度均大于一维。汇总起来，时空的维数刚好也是11。

附属品

在11维的克莱因－卡鲁扎理论中，只存在一种力--引力。而电磁，弱和强力只不过是引力的附属品。所以，扩充的克莱因－卡鲁扎理论在一个统一的框架下对自然界所有的力给出一种完全几何的理论描述。这里，成功地描述一个量子场论所需要的那种至关重要的抽象规范对称性与更高维时空的几何对称性是一回事。

由超引力与克莱因－卡鲁扎理论同样得到11维自由度，这一巧合是颇具启发性的。于是，物理学家们开始认真谈论起同时具有超对称与高维自由度的包罗万象的理论了。人们逐渐认识到，那些一开始作为纯数学手段应用到超引力的额外自由度是真实的物理自由度，它们通过克莱因－卡鲁扎的原始理论中描述的方式卷缩到一个很小的尺度上。

弱点

不幸的是，这种11维的理论存在一个被证明是致命的弱点。弱作用的一个明显特征是它破坏左右镜象对称（也就是说，它是宇称不守恒的）。这意味着基本粒子必须具有一定的左右手标志--或称“手征性”。在日常生活中，我们认为左手与右手之间的差别是理所当然的，但手征性的存在实际上依赖于三维空间更深层的性质。研究表明，确定的手征性只存在于单数维的空间中。这就是说，空间的维数是奇数。因而时空的维数必定是偶数。否则自然界的规律中将没有手征性。

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