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交流學(xué)術(shù)，偶爾風(fēng)月

據(jù)悉，舊金山時間2019年8月6日，基礎(chǔ)物理突破獎評選委員會宣布，理論物理學(xué)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(chǔ)物理學(xué)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(xué)（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?wù)叨己艹泽@，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(xué)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(dāng)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(xué)。但是，一些最深刻、最美麗的想象力作品卻是是科學(xué)家的創(chuàng)作。數(shù)十年來，超引力一直激勵著物理學(xué)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(xué)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(xué)界致力于粒子物理標(biāo)準模型的構(gòu)建，而量子場理論作為其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，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(yù)測的。但是，標(biāo)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(xué)家又于1976年發(fā)展出了一套超對稱理論，它將標(biāo)準模型大大擴展了。超對稱理論假設(shè)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(biāo)準模型中存在的相當(dāng)一部分理論難題，但它所預(yù)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(xué)家們追逐超對稱理論的熱情。如果說物理學(xué)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(xué)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(xué)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(chǔ)，這些相應(yīng)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(xué)院進行了最初的討論。隨后他們與石溪大學(xué)的Nieuwenhuizen合作，并在當(dāng)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(xué)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(xué)基礎(chǔ)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(xué)的重要組成部分，是一個更好地理解理論數(shù)學(xué)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。”