在自然界千姿百态的外表后面，经常隐藏着一种基础的对称，例如在晶体和分子的结构内。现在有一些物理学家正在探求一种“超对称”，它将使量子物理的亚原子世界和万有引力统一起来。
考察一片雪花。它的美部分在于它的几何规律性和对称的外表。为了使已发现的各种奇形怪状的“基本”粒子的动物园有意义，一些理论物理学家正在寻求一种像雪花一样完美的理论。他们正在尝试着写出具有高度数学对称的一些方程式，希望它们会反映自然界的基础规律。这个探讨在简化对自然界的描述方面已经取得了一些成功，但是有一些物理学家还有更大的野心：用迫使他们的方程接受“超对称”的方法，以期在一个美妙的数学理论中无所不包地描述所有的基本粒子及其所有的相互作用——包括引力在内。
如果我雪花围绕它的中心旋转60°或60°的任意倍数，则它的初始状态和最后状态是不能区别的：雪花具有旋转对称。根据类似的方法，那些描述物理过程的方程也可能表现对称：它在数学变换之前和之后的起初形式和最后形式能描述同一过程。1918年，古廷根大学的埃米 · 诺瑟（Emmy Noether，她是本世纪主要的数学家之_）发表了一个论述对称的数学运算和现实物理世界的关系的定理。 · 诺瑟的定理说，在基础的数学描述中的各种对称对应于物理世界中一些不变量，物理学家能在实验中观测到它们。它们是“守恒的”，正如雪花在旋转之后保持同样的外表一样，所以不变量的数值经过物理的相互作用之后也不会改变。例如电荷守恒是关系到描述带电粒子相互作用的方程的数学对称的；而数学的旋转不变性在物理世界中是通过角动量守恒体现出来的。
诺瑟的定理允许物理学家根据在现实世界中观测到的粒子相互作用的模式来构造他们的数学理论，J · C · 麦克斯韦于十九世纪六十年代开创了一个包括电、磁和可见光这些显然不同现象的单一的理论，他的方法成为后世的典范，物理学家也作出了电磁力在量子理论水平上成功的相容的解释。这个理论，即量子电动力学，也许是迄今设计出来的最成功的物理理论。
在麦克斯韦的研究一个世纪之后，A · 萨拉姆，S · 温伯格和S · 格拉肖开创了一种将电磁力和弱力（引起放射性衰变的那种力）交织在一起的理论。为此，他们三人共享1979年诺贝尔物理学奖。物理学家们认为这种电弱理论是在统一所有基本自然力的方向上更进了一步。至于强核力，也就是将夸克束缚在质子和中子（它们又构成原子核）中的力，物理学家也创造了一种独立的理论，称作量子色动力学。
这些理论都属于量子场论，在这些理论中各种物质粒子是借助于中介粒子相互作用的；事实上，就是依靠这些中介粒子，将力从一个粒子“带到”另一个粒子上去。这种交换机制是量子场论的主要标志之一，这种理论至今已经描述了四种基本自然力中的三种。尽管作了巨大的努力，物理学家们要在量子场论的框架内系统论述一个相容的引力理论的企图还是失败了。
物理学家运用量子场论描述亚微观世界，高速粒子，因为它们是自然界相互作用的参与者。因此这个理论必须具备几种特定性质：它必须与描述微观世界低速运动的量子力学相容；它也必须与描述高速运动的力学系统狭义相对论相容。这些要求义具有它们自己的对称条件：例如，诺瑟的定理指定，在量子场论中，动量守恒被表示为方程在空间变换下的一个对称，而能量守恒则为在时间变换下的一个对称。
用迫使他们的方程服从更进一步的对称的方法，物理学家们希望仿造出基本粒子相互作用的动力学。根据一些深奥费解的理由，我们将组成自然界的所有粒子分成两大类。它们称作费米粒子和玻色粒子，是按照粒子的自旋来区分的：质子、中子和电子具有半个单位自旋（自然单位），属于费米粒子一类；而光子具有一个单位自旋，是玻色粒子的一个实例。基本粒子的自旋是一个量子力学效应；正是这个角动量的不可化简量是粒子所带有的，它和电荷或其他量子数一样，是粒子的一个固有特性。
这个明显的专断的分类就是对具有基本不同行为的粒子贴上标记。费米粒子服从梅利不相容原理，这个原理禁止两个相同的费米粒子占有同一个量子态。原子结构就是这个不相容原理起作用的一个实例：如果不是泡利不相容原理，则围绕原子核的电子壳层的全部结构将向原子核坍缩。如果不是这个不相容原理，则化学过程——以至生命，正像我们知道的那样——将是不可能的事。每一个费米粒子具有一个质量相等、但电荷和自旋相反的相伴的反粒子。例如带负电的电子的反粒子是质量完全相同的带正电的正电子。当粒子与反粒子相遇时，它们会湮灭并转化为迸发的能量。玻色粒子则完全不同了，无论多少个相同的玻色粒子可以处于同一量子态；对于玻色粒子无所谓不相容原理。玻色粒子也没有相伴的反粒子。
在近代理论中，物质的组成成分都是费米粒子：因此构成质子和中子的夸克，质子和中子本身，以及绕原子核轨道运行的电子，都具有半个单位的自旋。另一方面，玻色粒子是携带力的中介粒子：光子使电子和原子核束缚在一起，在电弱理论中，费米粒子，例如电子和中微子是通过交换光子，或W和Z粒子相互作用的，这些中介粒子都具有一个单位的自旋。费米粒子和玻色粒子的作用和本质是完全不同的。
超对称是一个新的对称原理，它将费米粒子和玻色粒子以与量子场论相容的方式结合起来。多年以来，这个发展似乎不可能有结果，但是在1974年有了转机，这是由于西德卡尔斯鲁厄大学的尤利乌斯 · 韦斯（Julius Wess）和欧洲核子研究中心的布鲁诺 · 苏米诺（Bruno Zumino）的研究。他们构造出一个密切结合费米粒子和玻色粒子的变换。这个新对称变换意味着每个费米粒子应该有一个质量相等的配偶玻色粒子，反过来亦然。诺瑟的定理告诉我们，这个结合玻色 - 费米配偶的对称必须对应于一个不变量。出于历史的原因，物理学家称这个不变量为“自旋荷”（spinorial charge）。超对称联系这两种显然不同的现象，正与一百年前麦克斯韦理论结合电磁和光的做法一样。
超对称的一个诱人之处是它提出了将粒子归成一类的新方法。以往我们通过这类方法作出了预见并增进了理解；超对称也有这样的作用吗？可以推测，如果超对称量子场论最后也能产生我们今天所理解的弱力和强力的理论，则超对称意味着这些“静通”粒子的配偶粒子存在、它们的一部分列在下面的图表中：
超对称还有一个令人振奋的特征。如果将这种使费米粒子转变为玻色粒子的变换应用第二次，其结果可预言是一个费米粒子。令人惊奇的是它不复处于原来的费米粒子的空间位置。超对称变换不可避免地要联系到空间中的位移，它也是将粒子的内在性质（例如自旋）与它们的空间位置这一外部性质关联起来的唯一对称。
我们能探求玻色 - 费米对称和空间位移之间的关联，以至发展出一种引力理论（见附二）。因为我们是从量子物理的领域开始的，所以能预期我们的引力理论在这一部分，也就是通常的引力理论破缺之处成立。这一类“超引力”理论最简单的例子是于1976年由丹尼尔 · 弗里德曼（Daniel Freedman），彼得 · 范 · 尼尤温赫曾（Peter Van Nieuwenhuizen）和塞乔 · 费拉拉（Sergio Ferrara）系统地阐述的。
超引力立即显示出一项重要成功，是因为这个理论预言存在一种新粒子，即引力微子，它是引力“量子”即引力子的超对称配偶粒子。在旧的量子引力理论中，力的传送仅借助于引力子，而计算必定会产生无穷大（见附一“无穷大问题”）。在超引力中，新的引力微子也传送引力，并且物理学家把它用于计算时，最后能得到有限的结果，因为引力微子消去了旧引力理论中最为难的无穷大。因此超对称可能是密切包罗所有基本粒子的合理的引力理论的雏形。这个预期必然大大地充实了物理学家们的信心，超对称量子场论或许是统一四种自然力的关键。
附一 无限大问题
在粒子物理中反复出现的一个问题是，计算经常产生无限大的解答，至少初看起来是这样。对于一个基本粒子的近代描述允许有这种可能性：在一个飞逝的瞬间，一个粒子可以变成别的粒子的粒子对，它们随后又合并成原来的粒子。如图所示，一个光子能立即变成一个电子正电子对。诸如电荷和动量等不变量在粒子交叉点上是守恒的。
成问题的正是动量。环内的动量流仅受在交叉点动相守恒的限制，所以只要这个守恒条件能够满足，并没有任何理由说它不可以取零到无限大之间的任何数值。物理学家在进行计算时不得不考虑整个环内的动量值，因此无限动量的可能性给本应为有明确定义的有限量提供了无限的解答。
四十年代期间，朱利安 · 施温格尔（Julian Schwinger），理查德 · 费受（Richard Feynman）与朝永振一郎（Sin-Itiro Tomanaga）等人开拓了一种去掉这些无限大的技巧，是通过对它们的物理意义作精巧的重新解释取得的。这个方法称为‘重正化’，它主要表现了它的预见的成功更多于一个严格的数学原理。可重正化性现在已成为‘合理的’物理理论的一个必要条件。在亚微观世界水平上的引力理论（所谓量子引力）是不能重正化的，因此多年以来阻碍了对引力的理解。
附二 超对称和超引力
对称变换可以分成两类：即整体的和局部的。在前者，变换是同时应用于所有的点，这可以用圆盘的每一点围绕圆盘中心作相等的旋转图示出来。局部对称变换允许不同的点有不同的变换。在我们的圆盘的例子中，圆形形状由于对称得以完全保持，但是圆盘上每一点以不同的方式被变换了。
超对称是一个联系粒子的自旋性质和空间位移的整体对称变换。如果超对称仅限于是局部的，则不同的点以不同的方式变换，这相当于在不同点之间有了一种加速度。正如爱因斯坦所指出的，加速度等价于引力，因此局部超对称变换建立了它与引力的联系。引起局部超对称的理论称为超引力。
一共可能有八种不同的超引力类型，它们被标上八种不变的“自旋荷”。如果自旋荷多于八种，这种理论就要允许它的粒子有大于两个单位的自旋，我们认为这是不合物理意义的。
需要澄清的是超对称和其他粒子物理理论的关系、超对称还不是一个明确的理论；它更是理论所应该满足的一个条件，这些理论也应该以同样方式满足其他对称，例如空间位移的对称。超对称在量子场论中设置了新条件。至于电弱力和强力的理论在新的超对称量子场论中将会是什么样子呢？这是一个未解决的问题，至今仍然没有一个令人完全满意的电弱力和强力的超对称理论。
超对称在它能联系于实验粒子物理的基础之前，它不会高出推测性的水平。至今还没有能观测到任何一个超对称配偶粒子。如果超对称是精确的，就应该有一个自旋为零与电子相配偶的粒子。但是还没有希望找到它。为了解释这一点，一些理论家于是提出超对称是有些“破缺”或“隐蔽”的。我们可以把这类粒子失踪问题看作为在粒子物理中反复出现的一个问题：质量问题的另一个例子。它们总是该这样偏不是这样的！虽然这类问题已不再被认为是粒子物理理论的致命伤，它们考验这些理论的维护者的才智和耐心。更重要的是，由于对付粒子意外的质量值问题，或预期粒子的失踪问题，产生了一定程度的不确定性，否则这种不确定是不会有的。
物理学家期望在哪里找到超对称在实验上的证据？设在美国加利福尼亚的斯坦福直线加速中心（SLAC）和设在西德汉堡的电子同步加速器研究所（DESY）已经鉴定出在它们那里不用去找了。在SLAC和DESY实行的这类实验，通常是用电子和正电子相碰撞的方法的，但有时宁愿采用碰撞质子的方法，因为它的结果较少受不需要的信息的干扰。这些中心的实验家也许有希望看到所谓超对称的“标量轻子”ê和μ-，即电子和粒子μ的玻色配偶产生的证据。这也许要等到一种较大的更有力的加速器，例如由欧洲核子研究中心负责建造，将于八十年代晚期完成的大型正负电子对撞机（LEP）建成之后。也有可能，欧洲核子研究中心现存的一种大型正负质子对撞加速器能够产生另一种重要的粒子：胶微子。它是胶子（自旋为1，传递强力的玻色粒子）的配偶费米粒子。然而这种研究还是遇到了障碍，因为理论家不能足够精确地算出这些粒子的性质，而加速器似乎总是不够格！
最近在粒子物理统一理论方面的尝试，不仅有超对称，还有另一种在某种意义上是相补充的途径，是试图将构成电弱理论的基础的那些技巧加以推广。这些理论被加上庄严的标题“大统一理论”，这是一类理论，这些理论试图将已知的基本粒子分成叫做代（generation）的族类，并将粒子之间各种各样的力统一起来。每一个代包含四个费米粒子，例如一个电子配上一个中微子和两个不同的夸克。
大统一理论试图将我们从自然界寻常观测到的过多的不同常数联系在一起。至今它们的成功是极小的。另一方面，超对称本来就不会遇到这个问题，但是超对称仍然未能联系到现实世界，反之大统一理论运用电弱和强力理论作为一个起点，完全忽视了引力。但是超对称又包含一个与引力的自然的连环，并具有一个至今尚未认识到的接纳其他力的潜在可能性。超对称和大统一理论这两者在未来都有可能起各自的作用。特别值得提出的是，在大统一理论中有一个熟知的规范等级（hierarchy）问题，如果要使它得到有限的结果，必须将两个参数精确地算至大约第24位小数使之互相抵消。而超对称提供了一个更自然的解决方法，以漂亮得多的方式将它们抵消了。
[New Scientist，1984年3月]