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交流學術(shù)，偶爾風月

據(jù)悉，舊金山時間2019年8月6日，基礎物理突破獎評選委員會宣布，理論物理學家Sergio Ferrara，Daniel Z. Freedman和Peter van Nieuwenhuizen共同獲得獎勵金額高達300萬美元的基礎物理學特別突破獎。其中Sergio Ferrara來自歐洲核子研究組織（CERN），Daniel Z. Freedman來自于麻省理工和斯坦福，而Peter van Nieuwenhuizen則來自于石溪大學（Stony Brook University，SBU）。

左起依次為Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara和Daniel Z. Freedman

圖片來源：Breakthrough Prize Committee

對于遲來的獎項，三位獲獎者都很吃驚，Nieuwenhuizen接受訪問時說:“ 我完全，完全說不出話來。這么多年，我們一直認為我們有希望獲得這個獎，但是每年都有真正優(yōu)秀的人摘走它。我完全放棄了希望，但卻又獲得了它。這真是個驚喜。”

評選委員會主席Edward Witten評論道：“超引力的發(fā)現(xiàn)是在描述時空動力學時引入量子變量的開始。引人注目的是，愛因斯坦方程可以被推廣成為所謂的超引力理論?！?/span>獎項創(chuàng)始人之一、著名投資人Yuri Milner評論道：“當我們提到那些關(guān)于人類想象力的偉大作品時，常常指的是藝術(shù)、音樂和文學。但是，一些最深刻、最美麗的想象力作品卻是是科學家的創(chuàng)作。數(shù)十年來，超引力一直激勵著物理學家們，這里面可能包含著關(guān)于世界本質(zhì)的深刻真理。”

Ferrara，F(xiàn)reedman和Nieuwenhuizen是超引力理論的創(chuàng)始者，這個極具影響力的理論發(fā)表于1976年。它是一類將廣義相對論進行超對稱化的理論模型，它成功地將引力集成到一種特定的量子場理論中，是一種用符合量子力學定律的場來描述自然界中基本粒子和相互作用的理論。正因為這個特點，超引力理論有可能對物質(zhì)及其相互作用進行統(tǒng)一的理論描述，它也成為了萬物理論可能的一環(huán)。

在上個世紀六七十年代，學界致力于粒子物理標準模型的構(gòu)建，而量子場理論作為其數(shù)學基礎，已經(jīng)取得了杰出成就，大名鼎鼎的“上帝粒子”希格斯玻色子就是它預測的。但是，標準模型目前明顯還不完整。特別是，它只描述了自然界四個基本相互作用中的三個，而引力作用則被排除在外。此外，它也遺留了許多難題，比如：為何基本粒子的質(zhì)量比普朗克質(zhì)量小得多？為何沒有任何可以用于解釋暗物質(zhì)的粒子？為什么物質(zhì)遠遠多于反物質(zhì)，這種不對稱性緣何而來？

圖片來源：CERN

于是，在這樣的理論背景下，物理學家又于1976年發(fā)展出了一套超對稱理論，它將標準模型大大擴展了。超對稱理論假設每個已知的粒子都有一個看不見的伙伴：  所有的費米子（比如夸克和輕子）都有一個玻色子的超對稱伙伴（比如超夸克和超輕子），以及所有的玻色子（比如光子和膠子）都有費米子超對稱伙伴（比如光微子和超膠子）。超對稱伙伴的粒子間的性質(zhì)幾乎完全一樣，差別僅是自旋相反。

盡管，超對稱理論解決了標準模型中存在的相當一部分理論難題，但它所預言的許多粒子都尚未通過實驗證實。超引力中最關(guān)鍵的問題就是超對稱粒子的發(fā)現(xiàn)，而大型強子對撞機（LHC）的實驗中，并沒有發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)，這是不太正常的。但實驗上的失敗，并沒有妨礙科學家們追逐超對稱理論的熱情。如果說物理學也看顏值的話，那么這種超對稱的理論結(jié)構(gòu)，簡直就是美得不可方物了。因此，在這種偏愛的驅(qū)使下，科學家們?nèi)匀蛔巫尾痪氲赝七M著超對稱理論。

我們知道，如果想用超對稱性來描述我們?nèi)粘Ｉ钪心芤姷降默F(xiàn)象，比如蘋果掉在地上，那就必須將超對稱性擴展到包括引力。在上世紀70年代中期，物理學家們對超對稱的概念作了重要的推廣。他們發(fā)現(xiàn)，超對稱理論可以作為愛因斯坦廣義相對論的引力幾何理論基礎，這些相應的理論被稱為超引力理論。

大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）

在這方面，F(xiàn)errara、Freedman和Nieuwenhuizen做了杰出的工作。1975年，F(xiàn)errara與Freedman在巴黎高等師范學院進行了最初的討論。隨后他們與石溪大學的Nieuwenhuizen合作，并在當時最先進的計算機上進行了大量的計算。最終，他們成功地構(gòu)建出了一個超引力理論。該理論提出了“重力微子（gravitinos）” ，它是引力子的超對稱伙伴。這種超引力理論并非替代了廣義相對論，它只是后者的超對稱形式。

在超引力理論提出后的這43年里，它對理論物理學產(chǎn)生了深遠的影響。它的巨大意義在于，它表明超對稱理論能夠解釋我們在現(xiàn)實世界中看到的所有現(xiàn)象，包括引力。它填補上了量子場論的空缺，使超對稱理論離萬物理論又近一步。后來，超引力理論被整合到弦理論中。1984 年，在Michael Green和John Schwarz論證超弦理論的數(shù)學基礎時，它成為了十分關(guān)鍵的一環(huán)。此外，在Cumrun Vafa和Andrew Strominger關(guān)于量子黑洞的工作中、在Juan Maldacena等人的“全息”引力理論的發(fā)展中，也分別發(fā)揮了重要作用。如此的例子極多，在此就不一一例舉了。

Nieuwenhuizen稱，即使超對稱粒子沒有被發(fā)現(xiàn)，他覺得超引力理論仍然是數(shù)學的重要組成部分，是一個更好地理解理論數(shù)學的工具和框架。“我想，如果我可以這么說的話，這絕對是一件美麗的作品。它是愛因斯坦廣義相對論的完美延伸。未來將如何評估它，無論是工具意義上的還是物理現(xiàn)實意義上的，都有待觀察。”