超引力理論提出者獲300萬美元基礎物理學特別突破獎
2019年08月07日09:39

  來源:返樸 ID:fanpu2019

  當地時間2019年8月6日,獎金高達300萬美元的基礎物理學特別突破獎( Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics)宣佈授予超引力理論的提出者,物理學家Sergio Ferrara、Daniel Z。 Freedman和Peter Van Nieuwenhuizen。

  廣義相對論將引力相互作用視作物質對時空的彎曲作用,而基本粒子理論將相互作用視作物質對量子場的作用。這兩種矛盾的描述長久困擾著物理學家,而超引力理論將描寫空間彎曲的引力與描寫基本粒子的量子場結合了起來。我們知道時空的坐標一般都是用實數來描寫的。在超引力理論中,人們假設時空還有一種費米性,因此引入了反對易數,並利用實數和反對易數一起來描寫這種有費米性的時空。

  當地時間2019年8月6日,基礎物理學突破獎評選委員會(The Selection Committee of the Breakthrough Prize in Fundamental Physics)宣佈,獎金高達300萬美元的2020年基礎物理學特別突破獎授予超引力的提出者,物理學家Sergio Ferrara(CERN)、Daniel Z。 Freedman(MIT和斯坦福大學)和Peter van Nieuwenhuizen(紐約州立大學石溪分校)。這三位科學家因提出了超引力理論而獲此殊榮。在超引力理論中,描寫基本粒子量子變量成為描述時空幾何的一部分。

Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara和Daniel Z。 Freedman | 圖片來源:CERN
Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara和Daniel Z。 Freedman | 圖片來源:CERN

  此前該獎獲得者包括首次發現射電脈衝星的約瑟琳·貝爾·伯奈爾(Jocelyn Bell Burnell)、斯蒂芬·霍金、在發現希格斯玻色子的實驗中發揮主導作用的歐洲核子研究中心(CERN)的七名科學家,以及探測引力波的LIGO合作團隊。

  評選委員會主席愛德華·威滕(Edward Witten)說:“超引力的發現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。”

  突破獎的設立者之一Yuri Milner說:“當我們想到人類想像力的偉大作品時,我們通常指的是藝術、音樂和文學。但一些最為深刻而美麗的作品是科學家創造的。過去幾十年來,超引力一直激勵著物理學家,這個理論中可能蘊含著關於現實本質的深刻真理。”

  01 超引力

  Ferrara、Freedman和Van Nieuwenhuizen是超引力的構建者。超引力是1976年提出的一個極為有影響力的理論,它成功地將引力整合到一種特定的量子場論當中。量子場論是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。

  上世紀60年代和70年代初建立的標準模型是一種量子場論,至今仍是物理學中得到最精確驗證的理論,其成果包括預言希格斯玻色子的存在。然而,一個很明顯的事實是,標準模型並不完備。特別是它只描述了自然界的三種作用力:它沒有考慮引力,而引力屬於愛因斯坦廣義相對論的領域。此外還有許多謎題無法解答,比如一些粒子的質量比預期值低許多個數量級,也沒有任何粒子可以解釋暗物質這種遍佈整個宇宙的不可見物質。

  然後到了1973年,物理學家發展了“超對稱性”原理,它擴展了標準模型以包括新的粒子家族。超對稱性理論假設,每一個已知的粒子都有一個看不見的“夥伴”:費米子(構成物質的基本粒子,比如電子和夸克)有玻色子(攜帶作用力的粒子)作為夥伴;而玻色子(比如光子)則有對應的費米子作為夥伴。

  雖然這些“超玻色子(super-boson)”和“超費米子(super-fermion)”是否存在還有待實驗證實,但超對稱性因其強大的解釋能力而引人注目。它將費米子和玻色子的特徵聯繫起來,作為一種潛在對稱性的表現形式——就像不同的形狀可能是同一個物體在鏡子中的不同的反射一樣。它還為標準模型中一些令人困惑的謎題提供瞭解決方案,其中包括解釋粒子微小質量的機製,以及暗物質的自然候選者——暗物質就像是假設中的“超玻色子”一樣,質量大但不可見。

  但是要想用超對稱性來描述我們周圍所確實看到的現象,比如Apple落地,那就必須將超對稱性擴展到包括引力。這正是 Ferrara、Freedman 和Van Nieuwenhuizen 曾下定決心要實現的目標。他們三人的合作開始於Ferrara和Freedman 1975年在巴黎高等師範學校的多次討論,接著是與Van Nieuwenhuizen的合作,最終通過當時最先進的計算機上一系列冗長繁複的計算而完成:他們成功地構建了一個包括“引力微子(gravitino)”的超對稱理論,引力微子是引力子(攜帶引力的玻色子)的超對稱夥伴粒子,它是一種規範費米子。

  超引力理論不是廣義相對論的替代理論,而是廣義相對論的超對稱版本:這個理論中使用的代數包含了表示部分時空幾何的變量——在愛因斯坦的理論中構成引力的幾何。

  02 影響深遠的超引力理論

  自從超引力理論提出四十年來,它一直對理論物理學產生著巨大的影響。超引力理論表明,超對稱性能夠解釋我們在現實世界中所看到的所有現象,包括引力。它代表著我們目前對粒子物理學理解的完成,對“自然界的什麼理論同時與量子力學和狹義相對論這兩個基本原理相容?”這一問題給出了一個嚴格縝密的數學解答。它還為建立一個從基本層面上描述時空的完整的量子引力理論提供了基礎——人們現在依然為之奮鬥。

  1981年,威滕證明,這個理論可以用來為廣義相對論中一個極其複雜的定理給出一個相當簡單的證明。在那之後不久,超引力被整合到弦理論中——當描述低能量的相互作用時,弦理論實際上等價於超引力。這是1984年麥克爾·格林(Michael Green)和約翰·施瓦茨(John Schwarz)的證明的一個極為關鍵的組成部分,他們的證明使得超弦理論得以建立在穩固堅實的數學基礎上。超引力在庫姆倫·瓦法(Cumrun Vafa)和安德魯·斯特羅明格(Andrew Strominger)關於量子黑洞的研究,以及後來在胡安·馬爾達西納(Juan Maldacena)等人的“全息”引力理論的發展中也發揮了重要作用。

  03 超引力何時能被實驗驗證?

  超對稱和超引力的概念非常令人信服,物理學家至今仍在苦苦尋找實驗證據來證實他們的預測。Van Nieuwenhuizen表示:“超引力中最關鍵的問題就是超對稱粒子的發現,而這隻有實驗物理學家才能解決。“

  科學家希望,大型強子對撞機(LHC)的實驗中會出現這些粒子的證據。不過到目前為止,證據還沒有出現。如今,物理學家正在擴大他們的研究範圍,尋找新粒子的非傳統特徵,包括超對稱性和超引力預測的那些特徵。他們也在精確地測量那些已知的過程,觀察是否存在與標準模型的預測不一致的地方。

  Van Nieuwenhuizen說:“讓我們希望大自然會意識到我們的努力。通過解決那些長期存在的問題,這個美麗的數學模型已經為物理學做出了貢獻,而它在數學上的貢獻甚至更大。我希望它不僅僅是數學和物理中的工具,而是一種物理現實。”

  Freedman說,超引力的概念源於對攜帶力的粒子的認識,這些粒子與強、弱和電磁力有關,我們已經在自然界探測到了它們。“在我看來,大自然很有可能也知道超引力。”

  按照計劃,在本世紀20年代中期,大型強子對撞機將進行升級,這將為物理學家提供更多數據,以便繼續尋找可能存在的任何新粒子。

  Ferrara認為,超引力被實驗驗證只是時間問題而已。“在預測存在希格斯玻色子之後,我們花了將近60年的時間才發現它。對於超引力,我們也需要差不多同樣長的時間。”

  Peter van Nieuwenhuizen在得知自己獲獎後接受了採訪,下面是來自紐約州立大學石溪分校官網刊發的對話。

Peter van Nieuwenhuizen
Peter van Nieuwenhuizen

  Q:你是怎麼得知自己獲獎的?

  A:我剛從荷蘭回來。當時我正坐在餐桌邊付賬單,電腦上彈出來一條消息,是愛德華·威滕(Edward Witten)發給我的。他是個著名的物理學家,是突破獎甄選委員會主席。他發消息問我什麼時候方便接電話,電話號碼是多少。我回覆他說“現在就行”,把我的號碼給了他。然後我就接著付賬去了,但是並沒有電話打進來。

  大概20分鍾以後,我看了一下電腦,發現Edward又給我發了一條消息。他說:“我剛打給你,結果是馬薩諸塞州一個叫Johnny Johnson的傢伙接的。”暈,我給錯了區號!我又給他正確的號碼,跟他說“可能是因為我還在倒時差”。這下我馬上接到了他的電話。

  我當時很擔心他會問我很難的超引力方面的問題。他很聰明的。我有點兒緊張,因為我可能回答不出來。結果,我拿起電話,他對我說:“我是Edward Witten。祝賀你獲得了2020年基礎物理學特別突破獎。”

  對我來說這絕對是個驚喜。這麼多年來,我們一直渴望得獎,結果每次得獎的都是別人。當然,我們從來沒有懷疑過,他們都是極其優秀的物理學家。只是這麼多年下來,我早就不做指望了。所以Edward告訴我獲獎的時候,我真的是說不出話來。我跟他說:“呃,我不知道該說什麼,我早就放棄希望了。”他說:“不必多言。請不要告知任何人。”就是這樣。這是我人生中最短、含金量最高的電話。

  Q:關於超引力的發現,我們是不是還在等待“重大發現,確鑿證據”?

  A:證據就在那兒。理論已經有了,數學上一切都很清晰。這個獎是為了表彰我們做過的理論工作。但還不清楚這是不是真實描述自然的理論。只有找到超對稱粒子,我們的理論才能成為物理現實。我每次寫文章,結尾都要寫“希望大自然意識到我們的努力。”

  Q:你認為,我們今天的技術和資源是不是能夠找到超對稱粒子了?

  A:到目前為止,在芝加哥附近的費米實驗室、在日內瓦附近的歐洲核子研究中心,都沒有發現超對稱粒子。據說中國要建新的加速器,我們拭目以待。

  Q:你是怎麼會和Freedman、Ferrara一起研究起超引力概念的?

  A:當時Freedman在這兒(紐約州立大學石溪分校)教書,Ferrara在CERN。有次,Freedman在去巴黎的路上碰到了Ferrara,兩人討論了超引力的概念。Freedman回來後就把我叫上一塊兒研究,就在現在這間辦公室。我們全程通過打電話、寫信聯繫Ferrara。

  Q:給我們講講整個研究過程吧。有沒有“啊哈!”那樣的豁然開朗的時刻?

  A:有的。我們完成了非常非常複雜的計算。真的很複雜,我們算了好幾個月,覺得肯定搞不定。但我的導師,諾獎得主Veltman,他教我學會了用計算機,所以我決定用Brookhaven附近的CDC電子計算機來解決問題。我們在電話中來回討論結果。因為擔心花銷太多,我們寫程式的時候儘量精簡,最後用了30到40美元,今天看來,比起這個項目,這點錢算什麼。

  有天很晚了,我坐在辦公室的計算機旁,那時候我們已經走到最後一步了:一切都檢查過了,所有東西都不能再調整或修改了。有2000個係數都必須為零——它們都是整數,要麼是0,要麼是1或者2,反正不能有0.1、0.2之類的小數。所以計算機程式就不必使用高精度。如果這些參數裡面任意一個不為0,理論就失敗了,我們就將前功盡棄。

  第一批數據出來了,然後是第二批、第三批,依次往後。我們已經知道第一批數據中的係數都是零,因為在之前的運算中,它們都可以歸零。關鍵在於是不是所有其他係數也都能歸零。一批批的數據不斷從Brookhaven出來——1600、1700,還是零——1800、1900,終於到第2000個,所有的係數都為零!就在那個時刻,我知道理論成立了。

  我很累。我半夜給Freedman打電話,他當時在芝加哥開會,在旅館休息。我說:“Dan,都搞定了。”他說:“好極了。”然後打了個哈欠又睡過去了。

  大家都問我是不是興高采烈,歡欣鼓舞,但說實話,忙了好幾個月,我只感到十分疲憊。所以我回家睡覺了。直到好幾天后,我才意識到這是個重大發現。

  Q:學校里慶祝了嗎?

  A:一開始是沒獎勵的,我們只需要寫學術論文。我們在The Physical Review發了文章,論述了我們的發現。後來我們還給這篇論文加了個附錄,說明計算機計算表明表明我們的理論是成立的。

  至於我個人,我被升任為首席教授(Leading Professor),後來又成為傑出教授(Distinguished Professor)。有些機構邀請我去工作,但我決定留在這裏——我覺得這是一個明智的決定。

  Q:你從1975年起就待在紐約州立大學石溪分校了,剛才你還說留在這裏是個明智的決定,為什麼呢?

  A:最主要的原因是,我喜歡在這兒教高級研究生課程,學生對這些課特別著迷,他們一直激勵著我。能有這樣追隨你的聽眾,別無所求。

Peter van Nieuwenhuizen 在黑板前
Peter van Nieuwenhuizen 在黑板前

  Q:你同時也隸屬於楊振寧理論物理研究所?

  A:對。1975年楊振寧把我招進去的。他是我的研究所主任。他總是非常非常支援我,這也是我喜歡呆在這兒的另一個原因。

  當時我在波士頓,猶豫不決,因為有人告訴我紐約是個很危險的地方。我第一次來這兒的時候,走在老物理樓旁邊,看到一個年輕人狂奔,一個年齡大點的男的撲上去死死按住他。我看到那一幕,嚇壞了。後來才知道,那個年輕人是個學生,他冒充另一個學生,犯了詐騙罪;年齡大點的男人是個教授,要抓住那個學生。

  不管怎麼說,我跑回波士頓。但是楊振寧給我打電話,說我應該回石溪去。我就去做了個學術報告,一開始報告很順利,大家都在聽,但後來忽然所有人都離開我,跑去房間的另一頭,有個人從Brookhaven進來,拿著一張紙,上面有一個巨大的、意想不到的測量峰值。後來知道是粲夸克。我決定接受楊振寧的邀請,在這裏做助理教授。

  Q:你打算怎麼使用這筆獎金?

  A:這筆錢數額驚人,我還沒想過,因為我壓根兒沒想到我們會得獎。好在我不用立刻想出答案。

  後記

  超引力理論是數學物理的一個重大發現。它認為時空帶有一種費米性,並因此引入了一種反對易數。在超引力理論中,時空是有由對易的實數和新的反對易數來描寫的。用這一新觀念所建立的超引力理論,是一種非常特殊的量子場論,其帶有超對稱。這一類量子場論有許多非常奇妙的性質,它吸引了很多人在這一方向做研究,也取得了很多進展。但我們所生活的時空是否真有這種費米性,超引力理論是否真的能描寫我們的世界,還有待於實驗驗證。目前的高能加速器實驗沒有找到任何超對稱的跡象。

  《返樸》的一些文章(如“拓撲序:看世界的一種新視角 | 眾妙之門”)介紹了對時空的另一種不同的看法。我們認為,時空是由許許多多具有量子特性的量子比特來描寫的,而不是由對易的實數和新的反對易數來描寫的。當構成時空的量子比特海具有一種由弦網來描寫的量子糾纏時,弦的端點可以是費米子(其對應於電子夸克等費米子),而弦的密度波是描寫各種相互作用的規範場(其對應於光子膠子等傳播力的粒子)。這也是一種量子時空,而且是一種同時帶有費米性和規範性的量子時空。但這種量子時空沒有超對稱,也不被超引力理論來描寫。

  《返樸》,致力好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧聯袂擔任總編,與幾十位學者組成的編委會一起,與你共同求索。關注《返樸》(微信號:fanpu2019)參與更多討論。二次轉載或合作請聯繫fanpu2019@outlook.com。

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