2019 年基礎(chǔ)物理特別突破獎(jiǎng)，被授予超引力理論的三位提出者。超引力理論是統(tǒng)一自然界基本相互作用的一種理論，誕生于 20 世紀(jì) 70 年代，如今已深刻改變了粒子物理學(xué)的面貌。有人認(rèn)為他們的獲獎(jiǎng)實(shí)至名歸，但也有人對(duì)此提出了質(zhì)疑，甚至理論提出者們自己也不太確信能否看到它被驗(yàn)證的那一天。
左起：物理學(xué)家 Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara、Daniel Freedman。三人因超引力理論方面的研究工作獲得 2019 年基礎(chǔ)物理特別突破獎(jiǎng)。圖片來源：CERN
來源Scientific American
撰文 Philip Ball
翻譯 戚譯引
2019 年基礎(chǔ)物理特別突破獎(jiǎng)被授予超引力理論（supergravity）的三位提出者——?dú)W洲核子研究組織（CERN）的Sergio Ferrara、麻省理工學(xué)院（MIT）的Daniel Freedman和紐約大學(xué)石溪分校的Peter van Nieuwenhuizen，三人將共享 300 萬美元的獎(jiǎng)金。
超引力理論誕生于 20 世紀(jì) 70 年代，嘗試對(duì)自然界的四種基本相互作用進(jìn)行統(tǒng)一，意圖彌合物理學(xué)中兩大最基本理論的分歧：描述原子、粒子的微觀世界的量子力學(xué)，與描述引力及其在宇宙尺度上作用的廣義相對(duì)論。
倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College London）的 Michael Duff 從 20 世紀(jì) 70 年代起研究量子引力理論，他認(rèn)為三人的獲獎(jiǎng)“實(shí)至名歸”。盡管超引力理論提出四十年來，仍然沒有實(shí)證表明該理論是正確的，但是基礎(chǔ)物理特別突破獎(jiǎng)過去常常頒發(fā)給這樣缺少實(shí)驗(yàn)證據(jù)的理論，與諾貝爾獎(jiǎng)形成了鮮明的對(duì)比——諾獎(jiǎng)只頒發(fā)給已得到驗(yàn)證的理論。
玩轉(zhuǎn)超對(duì)稱
超引力理論的誕生是為了找到一種簡(jiǎn)單、一致的方式，以解釋自然界存在的粒子和基本相互作用。目前所有的粒子都被納入粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的框架之中，隨著 2012 年 CERN 的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這個(gè)模型也得以完成。
標(biāo)準(zhǔn)模型中的三種基本相互作用——電磁相互作用，以及作用于原子核內(nèi)部的強(qiáng)相互作用和弱相互作用，也已經(jīng)被納入量子力學(xué)的一個(gè)分支理論，即量子場(chǎng)論。根據(jù)量子場(chǎng)論，這三種基本相互作用表現(xiàn)為費(fèi)米子之間玻色子的交換。所有的粒子都具備一個(gè)量子力學(xué)特征，稱為自旋，玻色子的自旋為整數(shù)（0、1、2等等）。組成光、攜帶電磁力的光子，以及傳遞強(qiáng)相互作用的膠子都屬于玻色子。而費(fèi)米子包含電子和夸克（原子核中組成質(zhì)子和中子的粒子），自旋為半整數(shù)（如 1/2、3/2 等等）。
粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。圖片來源：CERN
但標(biāo)準(zhǔn)模型并未包含第四種相互作用——引力。即便如此，學(xué)界早已同意應(yīng)當(dāng)存在一種對(duì)應(yīng)引力的玻色子，稱為引力子，其自旋為 2。Sergio Ferrara 指出，2015 年的引力波觀測(cè)（同樣獲得了突破獎(jiǎng)，還拿到了諾獎(jiǎng)）基本證實(shí)了這一觀點(diǎn)。
20 世紀(jì) 70 年代初，多名研究者獨(dú)立提出，玻色子和費(fèi)米子之間可能存在一種基本的對(duì)稱關(guān)系，即超對(duì)稱。按照這種觀點(diǎn)，在宇宙之初大爆炸剛剛發(fā)生的時(shí)候，同一種粒子通過“對(duì)稱性破缺”過程分裂為兩個(gè)大家族，就像河流分出支流一樣。超對(duì)稱理論預(yù)言，每種已知的粒子都存在一種未被發(fā)現(xiàn)的超對(duì)稱伴子，例如玻色子的伴子是“超玻色子”（bosino），而膠子對(duì)應(yīng)“膠微子”（gluino）。
1975 年，F(xiàn)reedman 認(rèn)識(shí)到，超對(duì)稱理論能夠進(jìn)一步延伸，以將引力囊括其中。這意味著引力子也存在一個(gè)超對(duì)稱伴子，名為引力微子（gravitino），理論預(yù)測(cè)它的自旋為 3/2。接下來，他和紐約大學(xué)石溪分校的 van Nieuwenhuizen 合作探索這一問題。而讓這一理論初步成型的是一次學(xué)術(shù)拜訪——Freedman 在巴黎遇到了當(dāng)時(shí)就職于 CERN 的 Ferrara。Freedman 說，第二年回到美國(guó)的時(shí)候，“我以為接下來只要兩個(gè)星期，我就能完成這項(xiàng)研究。然而事實(shí)并非如此。”
事實(shí)上，他和 van Nieuwenhuizen 又花了好幾個(gè)月進(jìn)行繁復(fù)的計(jì)算，有時(shí)還要使用布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）的計(jì)算機(jī)。為了使理論成型，他們需要證明那些復(fù)雜的方程里大約 2000 個(gè)項(xiàng)都能被約化到零。Van Nieuwenhuizen 還記得布魯克海文打電話告知他們結(jié)果的那個(gè)晚上——一個(gè)接一個(gè)，所有的項(xiàng)都變成了 0。他說：“我的人生在那天晚上徹底改變了?！苯酉聛?，F(xiàn)reedman、van Nieuwenhuizen 和 Ferrara 在 1976 年發(fā)表了這個(gè)理論。
在 80 年代，理論中的一些思想催生了超弦理論。這是弦論的一個(gè)分支，弦論認(rèn)為所有的粒子都能被表現(xiàn)為振動(dòng)的一維的弦，而超弦理論在此基礎(chǔ)上結(jié)合了超對(duì)稱理論。CERN 的粒子物理學(xué)家 John Ellis 說：“超對(duì)稱理論和超引力理論是這個(gè)雄心勃勃的理論中的兩個(gè)關(guān)鍵元素，這個(gè)理論的目的是用弦構(gòu)建一個(gè)一致的引力量子理論?！?/p>
許多研究人員都會(huì)同意 Ellis 的觀點(diǎn)：弦論是實(shí)現(xiàn)量子引力最有希望的理論。這無疑是突破獎(jiǎng)先前獎(jiǎng)勵(lì)弦論研究工作的原因。但是，盡管科學(xué)家們進(jìn)行了深入的探索，弦論仍然無法提出任何目前能夠驗(yàn)證的預(yù)言，因?yàn)樗璧哪芰刻罅?，現(xiàn)有的粒子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)。這樣的窘境引發(fā)了一場(chǎng)激烈的爭(zhēng)論——弦論到底能不能被認(rèn)為是“真正的科學(xué)”？
LHC 對(duì)撞機(jī)。圖片來源：CERN
但是，如果超對(duì)稱弦論是正確的，那么超引力理論也是正確的。Freedman 解釋，后者正是前者在相對(duì)較低能量下的體現(xiàn)，就像牛頓力學(xué)和引力是愛因斯坦廣義相對(duì)論在低能量的體現(xiàn)一樣。
先前獲得突破獎(jiǎng)的一些研究進(jìn)展就建立在超引力理論之上，例如已故物理學(xué)家 Stephen Hawking 對(duì)黑洞熱力學(xué)的研究（獲得 2013 年突破獎(jiǎng)特別獎(jiǎng)）；還有 AdS/CFT 對(duì)偶（anti–de Sitter/conformal field theory correspondence），這是普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study in Princeton）物理學(xué)家 Juan Maldacena 于 1997 年提出的理論，將弦論和量子場(chǎng)論聯(lián)系起來。超引力理論所預(yù)言的引力微子也被認(rèn)為是暗物質(zhì)的一種候選物質(zhì)，宇宙中暗物質(zhì)的量被認(rèn)為是可見物質(zhì)的 5 倍，而我們?nèi)匀粚?duì)它知之甚少。“從70年代末到80年代初，每一個(gè)進(jìn)展都與超引力有關(guān)，”前物理學(xué)家、作家 Graham Farmelo 說，他的書《宇宙用數(shù)字說話》（The Universe Speaks in Numbers）探索了弦論，于 2019 年出版。
等待突破
由于 LHC 沒能找到它所預(yù)言的粒子的相關(guān)證據(jù)，超對(duì)稱理論受到了抨擊。但是 Duff 認(rèn)為這樣的失敗沒有在任何意義上表明理論的基本思想是錯(cuò)誤的。他指出：“超對(duì)稱究竟會(huì)發(fā)生在怎樣的能量水平，弦論對(duì)此沒有作出預(yù)測(cè)?！?/strong>而這可能比目前實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的能量要高出許多?！俺瑢?duì)稱理論仍然充滿活力，而超引力理論就是它的核心，”Duff 說。
并且，一些人覺得諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)證據(jù)的要求已經(jīng)越來越不合時(shí)宜。Farmelo 認(rèn)為，突破獎(jiǎng)的立場(chǎng)“在長(zhǎng)期看來將是更明智的選擇”。例如，一些研究人員認(rèn)為諾獎(jiǎng)委員會(huì)欠霍金一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，霍金在 70 年代對(duì)黑洞的熱力學(xué)進(jìn)行了研究，如今他的理論已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是正確的。
曾經(jīng)的突破獎(jiǎng)得主 Andrei Linde 如今已經(jīng)是頒獎(jiǎng)委員會(huì)的一員，他表示委員會(huì)的目標(biāo)是“表彰杰出的思想”。他補(bǔ)充說，“如果一個(gè)簡(jiǎn)潔有力的思想能讓幾千人得到啟發(fā)”，那么這種影響力就值得被認(rèn)可，無論它是否得到了實(shí)驗(yàn)的證明。為了證明這一立場(chǎng)，他指出，盡管超引力理論主要描述粒子物理，“但是我作為一個(gè)宇宙學(xué)家，我也在使用它”。
Ellis 說：“讓不同的獎(jiǎng)項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)科學(xué)的不同方面，我認(rèn)為這是很好的。我感覺，諾貝爾獎(jiǎng)有時(shí)候表彰的是做實(shí)驗(yàn)的人，而不是那些提出了背后理論的人。”
突破獎(jiǎng)基礎(chǔ)物理學(xué)獎(jiǎng)由發(fā)明家、慈善家 Yuri Milner 成立于 2012 年。與每年頒發(fā)的突破獎(jiǎng)不同，這是一個(gè)“特別的”獎(jiǎng)項(xiàng)，能夠在任何時(shí)間“額外頒發(fā)”。突破獎(jiǎng)也越來越被人們視為與諾獎(jiǎng)平起平坐的獎(jiǎng)項(xiàng)，不僅是因?yàn)樗?jiǎng)金數(shù)額更高（諾獎(jiǎng)獎(jiǎng)金約為 100 萬美元），也因?yàn)樗穆曌u(yù)。Ferrara 說，突破獎(jiǎng)委員會(huì)由世界知名的專家構(gòu)成，這令該獎(jiǎng)項(xiàng)“有了一些特別之處”，并使之成為“我的事業(yè)中最重要的獎(jiǎng)項(xiàng)”。而對(duì)于 Freedman 而言，“這是無可比擬的，這次獲獎(jiǎng)是我漫長(zhǎng)職業(yè)生涯的巔峰”。
Van Nieuwenhuizen 從突破獎(jiǎng)委員會(huì)成員、2012 年獲獎(jiǎng)?wù)咧坏闹艺撐锢韺W(xué)家 Ed Witten那里得知了喜訊。他說：“當(dāng)時(shí)我在家里，看到屏幕上跳出來一條來自 Ed 的信息。我很擔(dān)心他會(huì)問我什么關(guān)于超引力的難題，讓我答不上來?！钡钱?dāng) Witten 打電話告訴他發(fā)信息的原因時(shí)，他簡(jiǎn)直說不出話來。后來他說：“我知道我們?cè)?jīng)在候選名單上，但是我已經(jīng)完全放棄了獲獎(jiǎng)的希望?！?/p>
這個(gè)決策一個(gè)可能有爭(zhēng)議的地方在于，超引力理論還有其他的獨(dú)立提出者，那就是超對(duì)稱研究先驅(qū) Bruno Zumino，和布蘭迪斯大學(xué)（Brandeis University）的 Stanley Deser。兩人也在 1976 年發(fā)表了論文，這引發(fā)了一些優(yōu)先權(quán)方面的爭(zhēng)議。Zumino 已經(jīng)于 2014 年去世，而 Duff 指出，Deser 并未獲獎(jiǎng)這點(diǎn)令人困惑，因?yàn)楠?jiǎng)項(xiàng)沒有限制獲獎(jiǎng)?wù)叩拿~。
Linde 承認(rèn)，除了這一問題之外，考慮到超引力的重要性，它的提出者們沒有更早得獎(jiǎng)也令人驚訝。但是讓理論接受檢驗(yàn)會(huì)怎么樣呢？Farmelo 說，如果探測(cè)到任何一個(gè)超對(duì)稱粒子，都能有力表明該理論是正確的，因?yàn)闀r(shí)空對(duì)稱性是廣義相對(duì)論中描述引力的基礎(chǔ)，而超對(duì)稱理論被認(rèn)為是“延伸時(shí)空對(duì)稱性唯一可能的方式，確保它是量子-機(jī)械的”。
決定性的證據(jù)將來自于引力微子的發(fā)現(xiàn)。“那將是了不起的進(jìn)展，”Freedman 說，但他也承認(rèn)實(shí)現(xiàn)起來極其困難，因?yàn)楦鶕?jù)理論預(yù)言，引力微子與其他粒子之間的相互作用極其微弱。Ferrara 表示我們要有耐心，例如希格斯玻色子在理論預(yù)言提出五十年后才被發(fā)現(xiàn)。對(duì)于像引力微子那樣的超對(duì)稱粒子，“我們還需要幾十年的時(shí)間”，才能確認(rèn)理論的成熟。
中國(guó)規(guī)劃中的對(duì)撞機(jī)將實(shí)現(xiàn)高于 LHC 的能量，Van Nieuwenhuizen 希望它能證實(shí)超對(duì)稱粒子的存在。他打賭自己活著看到這件事的概率大約是 50%。不過對(duì)于理論的支持者而言，超對(duì)稱和與之相伴的超引力理論不僅是很有希望的，甚至可以說是必然的。
而 Freedman 說：“我認(rèn)為那個(gè)自旋 3/2 的粒子（引力微子）一定存在于大自然中?！钡矊?duì)《衛(wèi)報(bào)》表示：“我們?cè)诮?jīng)歷一段非常艱難的時(shí)期。我并不樂觀。我不再鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入粒子理論物理學(xué)的領(lǐng)域，還好他們不聽我的。”
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