整理 | 楊 梟
責(zé)編 | 陳曉雪
許多理論物理學(xué)研究很難得到實驗的驗證，因而也難以得到認(rèn)可。不過，最近的基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎證明，即使未被實驗驗證，杰出的科學(xué)思想一樣值得鼓勵。
8月6日，2019年的基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎公布，獲獎?wù)邽槌碚摚⊿upergravity）的三位提出者——歐洲核子研究組織（CERN）的Sergio Ferrara、麻省理工學(xué)院（MIT）的 Daniel Freedman 和紐約州立大學(xué)石溪分校的Peter van Nieuwenhuizen。三人將共享 300 萬美元的獎金。
超引力理論是是一種結(jié)合了超對稱和廣義相對論原理的場論，誕生于1976年，盡管距今已四十余年，但仍然沒有實證表明該理論是正確的。
“諾貝爾獎謹(jǐn)慎小心，必須要實驗驗證，但并不是說，還沒有得到實驗驗證的理論就沒有學(xué)術(shù)價值?？茖W(xué)突破獎很大程度上彌補了諾貝爾獎的不足?！?中國科學(xué)院高能物理所研究員曹俊看到此消息，在新浪微博上評論道。
中國科學(xué)院國家天文臺研究員陳學(xué)雷也表示：“任何理論都需要經(jīng)過實驗的檢驗。超引力理論仍有可能是錯誤的，但是現(xiàn)在科學(xué)發(fā)展的狀態(tài)，是在這個領(lǐng)域里需要天才和大量的努力才能做出有意義的模型，而這種模型的最終實驗檢驗需要很多年?！瓕τ谀切┯捎诠こ毯徒?jīng)濟可行性暫時難以驗證的基礎(chǔ)理論，如何給予支持和鼓勵？這更需要遠(yuǎn)見卓識。”
依次為van Nieuwenhuizen， Ferrara， Freedman 圖源：CERN
超引力理論具有怎樣的意義和學(xué)術(shù)價值？為什么它還沒有被驗證？這是否說明如今的物理學(xué)研究遇到了瓶頸？
帶著這些問題，《知識分子》邀請到了猶他大學(xué)（鹽湖城）物理天文系杰出教授、復(fù)旦大學(xué)特聘教授吳詠時，請他為我們一一解答。
知識分子：超引力理論具有怎樣的意義？
吳詠時：20世紀(jì)的基礎(chǔ)物理學(xué)有兩大進(jìn)展，一是愛因斯坦的相對論，是物理世界時間空間和物質(zhì)運動關(guān)系的基礎(chǔ)理論。另外一個就是量子力學(xué)理論，量子力學(xué)完全超出了經(jīng)典力學(xué)的范疇，過去也被認(rèn)為超出了廣義相對論的范疇。量子理論最初被認(rèn)為是小尺度物理世界的一個基礎(chǔ)理論，即原子分子以及小于原子分子的空間尺度的物理。
多年以來，基礎(chǔ)物理學(xué)有一個基本問題，就是量子力學(xué)和廣義相對論是否相容。這個問題的研究歷史很長，1930-40年代就開始有人探討。
宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型以廣義相對論為基礎(chǔ)，涉及引力相互作用；粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型以量子理論為基礎(chǔ)，涉及電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用。所以這兩大標(biāo)準(zhǔn)模型涵蓋了四種基本相互作用。粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有包含引力，因為之前一直認(rèn)為沒有找到一個量子場論可以自洽地描述引力現(xiàn)象。
這次突破獎授予超引力理論，有非常重要的意義。最重要的就是，認(rèn)可超引力理論作為有效場論能夠在量子理論的基礎(chǔ)上描述引力現(xiàn)象，認(rèn)可它為兩大標(biāo)準(zhǔn)模型和四種相互作用的統(tǒng)一開辟道路所起的歷史作用。這個認(rèn)可來的有點晚，一個重要原因是過去較長一段時間內(nèi)，錯誤地認(rèn)為超引力理論在考慮較低階的量子修正時就出現(xiàn)了不自洽。近些年來這個錯誤得到了糾正，恢復(fù)了超引力理論作為一個有效量子場論的應(yīng)有地位，從而確認(rèn)了它的歷史作用。
我們后面還會談到，超引力理論把超對稱性用于引力，如果被實驗證實，將深刻地改變?nèi)祟悓r空、幾何本身的觀念。
盡管超引力理論在數(shù)學(xué)上已經(jīng)實現(xiàn)，但是物理上是否實現(xiàn)，還需要將來的檢驗。
知識分子：為什么超引力理論在物理上還沒有實現(xiàn)？
吳詠時：超引力理論的實驗檢驗還需要進(jìn)一步的深入研究。因為這個理論涉及的物理學(xué)的能量尺度相當(dāng)高，它所涉及的空間距離的尺度卻非常小。
現(xiàn)在我們在實驗上能夠檢驗的是粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，比如希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，它的能量尺度恰好可以在歐洲 CERN 的大型強子加速器上被檢驗。超引力理論的能標(biāo)要高很多倍，為10^19GeV；而大型強子加速器是1TeV（10^3GeV），兩者相差了10^16（即一億億）倍。從能標(biāo)來看，這個驗證道路還很遙遠(yuǎn)。
然而并不是完全沒有可能。有一個辦法，就是在早期的宇宙學(xué)或者在粒子天體物理的觀測里，看是否有可能性。因為最近幾年大家才開始認(rèn)可超引力理論，所以做這方面理論和實驗結(jié)合的探討的人很少。我相信這次基礎(chǔ)物理學(xué)的突破獎發(fā)給超引力以后會掀起一個熱潮，來探索早期宇宙學(xué)和粒子天體物理學(xué)里的超引力效應(yīng)，將來也許還有可能得到實驗上的檢驗。
知識分子：為什么說超引力理論的驗證來自于引力微子的發(fā)現(xiàn)？
吳詠時：另一個辦法是，尋找引力微子。
超引力理論的一個基礎(chǔ)是超對稱性。據(jù)此，基本粒子的種類應(yīng)該有半整數(shù)自旋和鄰近整數(shù)自旋成對出現(xiàn)的這種特點。物理術(shù)語上，整數(shù)自旋的粒子叫玻色子，半整數(shù)自旋的叫費米子。比如中微子，它是半整數(shù)自旋1/2，和電子、質(zhì)子、中子的自旋是一樣的。我們熟悉的其他粒子中，光子的自旋是1，膠子還有弱相互作用的中間玻色子，自旋也都是1；也就是說，在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型當(dāng)中，傳遞相互作用的這些粒子都是自旋為1的玻色子。超對稱的特點是：每一種玻色子有一種費米子作為超（對稱）伙伴，每一種費米子有一種玻色子作為超伙伴。
將超對稱用于時空，除了普通的（玻色性的）維度外，時空還應(yīng)該有費米性的維度。具體說來，在廣義相對論量子化之后，就要有引力子，它的自旋是2；引力子也應(yīng)該有它相應(yīng)的超伙伴，稱為引力微子，自旋應(yīng)為3/2。目前實驗上我們還沒有找到引力微子。在歐洲 CERN 的大型強子加速器上也還沒找到粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的任何粒子的超伙伴。因此，整個超對稱性還沒有得到實驗的驗證。觀念上，引力微子屬于暗物質(zhì)的范疇，是暗物質(zhì)粒子的一個可能的候選者。如果在尋找暗物質(zhì)粒子時發(fā)現(xiàn)了自旋3/2的引力微子，那將是對超引力理論的重大實驗驗證。
知識分子：中國提出的大型環(huán)形正負(fù)電子對撞機項目可以實現(xiàn)引力微子的驗證嗎？
吳詠時：我個人認(rèn)為實現(xiàn)的機會太小了。因為超引力的能標(biāo)太高了。
即使考慮到超對稱性破缺的能量尺度可能低一些，我還是覺得在近期可建成的任何加速器看到引力微子的機會都很小。我個人比較悲觀的原因就是能標(biāo)相差太大。大型加速器發(fā)展周期長，2014年 CERN 大型強子加速器設(shè)備升級，但能量也只提高了一倍，也就是1變成2。達(dá)到超引力的能標(biāo)需要增加現(xiàn)有加速器能量達(dá)10的16次方倍，即1后面16個0。這意味著要增加一億億倍。太難了。
但這不意味著粒子天文學(xué)實驗中一定看不到。其實太陽中微子穿過地球的數(shù)量還挺高的，但是因為它相互作用很微弱，所以不易測到。但是測不到，不代表它不存在。數(shù)量多了，就有機會測到。
知識分子：這能否說明，物理學(xué)的發(fā)展在某種程度上到達(dá)了一個瓶頸？
吳詠時：現(xiàn)在國內(nèi)網(wǎng)上時而看到這種言論。我個人的看法是：對特定的子領(lǐng)域，可能暫時會有這種狀況；但從整個物理學(xué)來講，這種說法是不對的。
比如現(xiàn)代物理學(xué)在凝聚態(tài)物理的各個子領(lǐng)域，無論理論前沿和實驗探索都有許多重要的進(jìn)展，發(fā)展前景可觀。特別是拓?fù)湮飸B(tài)的發(fā)現(xiàn)及其相變的研究，在理論方面和應(yīng)用方面都有可能帶來更多新的重要的突破，并對數(shù)學(xué)的發(fā)展有重大的促進(jìn)作用。專業(yè)領(lǐng)域的研究人員對此看法都很樂觀,唱衰的言論大多來自非專業(yè)人士。
在國外的粒子物理學(xué)領(lǐng)域，特別是粒子天文學(xué)和粒子天體物理，年青一代對于超出標(biāo)準(zhǔn)模型的實驗，投入了很大精力去研究和探索。國內(nèi)這方面工作的人原來比較少一些，但是近些年來也在不斷發(fā)展，引進(jìn)了新的人才。比如錦屏極深地下暗物質(zhì)實驗室，還有暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星 “悟空”，都積極開展了相關(guān)方面的研究。
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