1.
1995年，在國(guó)際弦理論大會(huì)上，菲爾茲獎(jiǎng)得主、理論物理學(xué)家愛德華·威滕（Edward Witten）提出了M理論。他論證了，當(dāng)時(shí)已知的5個(gè)不同版本的弦理論實(shí)際上是M理論的統(tǒng)一框架的一部分。不僅如此，同樣被囊括到這個(gè)框架的還有超引力理論。
8月6日，科學(xué)突破獎(jiǎng)宣布將最新的基礎(chǔ)物理學(xué)特別突破獎(jiǎng)授予超引力的提出者：Sergio Ferrara、Daniel Freedman和Peter van Nieuwenhuizen。
為什么要把這一獎(jiǎng)項(xiàng)授予這樣一個(gè)未被驗(yàn)證的理論？突破基金會(huì)的創(chuàng)始人Yuri Milner在幾年前就曾表示：“這一獎(jiǎng)項(xiàng)是對(duì)智力成果的一個(gè)肯定，有時(shí)候這可以是提出了一個(gè)開創(chuàng)性的問題，并不是只頒發(fā)給那些給出答案的人。這是和諾貝爾獎(jiǎng)的一個(gè)重要區(qū)別?！?/span>
為了了解什么是超引力，我們需要回到上個(gè)世紀(jì)60和70年代。
2.
那是一個(gè)理論和實(shí)驗(yàn)齊頭并進(jìn)的年代，當(dāng)時(shí)物理學(xué)家構(gòu)建起了已知最精確的科學(xué)理論——標(biāo)準(zhǔn)模型，它描述了自然界中的基本粒子和四種已知基本力中的三種——電磁力、強(qiáng)核力、弱核力。多年來，標(biāo)準(zhǔn)模型取得了令人難以置信的成功。例如，它成功預(yù)測(cè)了在2012年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。
○ 四種基本力。
標(biāo)準(zhǔn)模型中包含了兩種類型的粒子——玻色子和費(fèi)米子。這兩類粒子的區(qū)別在于它們有不同的“自旋”，或者說是角動(dòng)量?？淇?、輕子和所有的復(fù)合粒子都屬于費(fèi)米子，它們都具有半整數(shù)的自旋，如1/2、3/2。而希格斯粒子、膠子和其他玻色子則具有整數(shù)自旋，如0、1等等。這看起來似乎只是一個(gè)非常微小的區(qū)別，但其實(shí)它會(huì)導(dǎo)致兩種粒子在行為上出現(xiàn)巨大的差異。例如，費(fèi)米子是構(gòu)成普通物質(zhì)的粒子，而玻色子則是攜帶力的粒子（比如強(qiáng)核力就是由膠子傳遞的）。
○ 標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子，包括上夸克(u)、下夸克(d)、電子(e)、中微子(ν)、W和Z玻色子等。
盡管標(biāo)準(zhǔn)模型非常的成功，但我們很清楚它并不完備，有許多問題是它沒有解決的，比如：
它無法將引力囊括到這個(gè)框架中，目前描述引力最完美的理論是愛因斯坦的廣義相對(duì)論；
許多粒子的實(shí)際質(zhì)量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)質(zhì)量；
它也無法解釋遍布在宇宙中的暗物質(zhì)。
因此，物理學(xué)家一直在努力地想要改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型。其中一個(gè)絕妙的思想出現(xiàn)在1973年。當(dāng)時(shí)，Julius Wess和Bruno Zumino揭示了一種新的時(shí)空對(duì)稱性——“超對(duì)稱”，它允許費(fèi)米子可以被“旋轉(zhuǎn)”為玻色子，反之亦然。也就是說，每一個(gè)基本粒子都有一個(gè)更重的超對(duì)稱伙伴，比如所有的玻色子都有一個(gè)“超費(fèi)米子”伙伴，而每個(gè)費(fèi)米子又有一個(gè)“超玻色子”伙伴。
然而，和標(biāo)準(zhǔn)模型一樣，超對(duì)稱性在最開始也不包括引力。但很快，F(xiàn)errara、Freedman和van Nieuwenhuizen就改變了這一狀況。他們?nèi)说某ρ芯渴加?975年，F(xiàn)errara和Freedman首先在巴黎高等師范學(xué)院進(jìn)行了討論。很快，他們二人就向已在紐約石溪大學(xué)從事量子引力研究的van Nieuwenhuizen發(fā)出了“群聊邀請(qǐng)”。
于是，他們?nèi)斯餐岢隽顺碚摚?strong>將廣義相對(duì)論和超對(duì)稱結(jié)合在一起。在這個(gè)理論中，他們引入了引力微子（gravitino）。引力微子是一種自旋為3/2的假想粒子，它是引力子（graviton）的超對(duì)稱伙伴。引力子是一種用來傳遞引力的假想玻色子，就像電磁力是由光子傳遞的。
○ 物理學(xué)家的最終目標(biāo)是統(tǒng)一四種基本力。
他們編寫了一個(gè)新的計(jì)算機(jī)程序來進(jìn)行最后的計(jì)算，這是一項(xiàng)很難用手算完成的工作。計(jì)算中包含了大約2000多項(xiàng)，若要使新的超引力理論成立，所有的這些項(xiàng)都必須為零。計(jì)算機(jī)在處理這些數(shù)字時(shí)，會(huì)分批次地每次100或200個(gè)吐出這些項(xiàng)。0在不斷地產(chǎn)生，幾個(gè)小時(shí)后，終于迎來最后一個(gè)批次，得到了所有的0。
1976年6月，他們?nèi)税l(fā)表了這一新的研究?？茖W(xué)突破獎(jiǎng)的評(píng)選委員會(huì)主席威滕在一份聲明中說：“超引力的發(fā)現(xiàn)是在描述時(shí)空動(dòng)力學(xué)時(shí)引入量子變量的開始。令人震驚的是，愛因斯坦方程可以被推廣成為所謂的超引力。”
○ 從左到右：Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara 和 Dan Freedman。2016年，三人在CERN舉辦的慶祝超引力40周年的會(huì)議上留下合影。| 圖片來源：S Bennett/CERN
3.
需要記住的是，超引力并沒有取代廣義相對(duì)論，而是它的延伸。在過去的40多年里，超引力對(duì)理論物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。例如，1981年，威滕在證明廣義相對(duì)論的正能量定理時(shí)就加入了超引力理論，這項(xiàng)工作也使他在1990年獲得了菲爾茲獎(jiǎng)。之后，在M理論、推導(dǎo)量子黑洞的貝肯斯坦-霍金熵、Maldacena的AdS/CFT的研究中，超引力都起到了非常重要的作用。超引力的解提供了AdS/CFT中的背景時(shí)空幾何。
Milner說：“當(dāng)我們提到由人類的想象力創(chuàng)造的偉大作品時(shí)，我們通常會(huì)想到藝術(shù)、音樂和文學(xué)。但一些最深刻、最美麗的作品卻是由科學(xué)家所創(chuàng)造的。幾十年來，超引力一直激勵(lì)著物理學(xué)家們，它可能蘊(yùn)含著關(guān)于現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的深刻真理。”
目前，我們無法確定引力微子是否真的存在，或者說任何其他的假想超粒子是否真的存在。在過去的幾十年里，科學(xué)家在越來越高的能量下尋找超對(duì)稱粒子，但至今一無所獲。這可能從一個(gè)角度反映了粒子加速器的局限性：我們可能要建造比發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）還要更大、更強(qiáng)的加速器才行。
Ferrara在一篇文章中寫道：“對(duì)超引力中的超對(duì)稱性破缺擁有更深入的理論理解，在現(xiàn)如今看來顯得至關(guān)重要。在打破超對(duì)稱性的過程中，我們面臨著許多重要的概念上的挑戰(zhàn)：由此產(chǎn)生的真空會(huì)深受量子漲落的影響，因而也影響到那與暗能量和宇宙常數(shù)有關(guān)的這些舊難題上。甚至有跡象表明，這種類型的研究或許能有助于闡明弦理論的核心，而且超引力也可能與暗物質(zhì)有關(guān)，因?yàn)榘滴镔|(zhì)或許是由引力微子或其他超輕粒子伙伴組成的。我們相信，超引力將再次引領(lǐng)我們走得更遠(yuǎn)。”
對(duì)于獲獎(jiǎng)消息，F(xiàn)errara和van Nieuwenhuizen表示這很令人震驚，因?yàn)楂@獎(jiǎng)原因是他們?nèi)嗽?3年前就已經(jīng)發(fā)展出的理論。Ferrara說：“我們真的很驚訝，因?yàn)檫@是項(xiàng)古老的工作。當(dāng)然，我們很高興能獲得這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，也很自豪能得到這個(gè)著名委員會(huì)的認(rèn)可?！碑?dāng)突破獎(jiǎng)的人打電話告訴Freedman這個(gè)消息時(shí)，他情緒激動(dòng)，在接受space.com的采訪中他說道：“當(dāng)我放下電話時(shí)，我哭了。我不知所措，對(duì)我的職業(yè)生涯來說，這是一個(gè)絕妙的高峰?！?/span>
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