超引力理论提出者获300万美元基础物理学特别突破奖

超引力理论提出者获300万美元基础物理学特别突破奖
2019年08月07日 09:39 新浪科技综合

  来源:返朴       ID:fanpu2019

  当地时间2019年8月6日,奖金高达300万美元的基础物理学特别突破奖(  Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics)宣布授予超引力理论的提出者,物理学家Sergio Ferrara、Daniel Z。 Freedman和Peter Van Nieuwenhuizen。

  广义相对论将引力相互作用视作物质对时空的弯曲作用,而基本粒子理论将相互作用视作物质对量子场的作用。这两种矛盾的描述长久困扰着物理学家,而超引力理论将描写空间弯曲的引力与描写基本粒子的量子场结合了起来。我们知道时空的坐标一般都是用实数来描写的。在超引力理论中,人们假设时空还有一种费米性,因此引入了反对易数,并利用实数和反对易数一起来描写这种有费米性的时空。

  当地时间2019年8月6日,基础物理学突破奖评选委员会(The Selection Committee of the Breakthrough Prize in Fundamental Physics)宣布,奖金高达300万美元的2020年基础物理学特别突破奖授予超引力的提出者,物理学家Sergio Ferrara(CERN)、Daniel Z。 Freedman(MIT和斯坦福大学)和Peter van Nieuwenhuizen(纽约州立大学石溪分校)。这三位科学家因提出了超引力理论而获此殊荣。在超引力理论中,描写基本粒子量子变量成为描述时空几何的一部分。

Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara和Daniel Z。 Freedman | 图片来源:CERNPeter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara和Daniel Z。 Freedman | 图片来源:CERN

  此前该奖获得者包括首次发现射电脉冲星的约瑟琳·贝尔·伯奈尔(Jocelyn Bell Burnell)、斯蒂芬·霍金、在发现希格斯玻色子的实验中发挥主导作用的欧洲核子研究中心(CERN)的七名科学家,以及探测引力波的LIGO合作团队。

  评选委员会主席爱德华·威滕(Edward Witten)说:“超引力的发现是在描述时空动力学时引入量子变量的开始。引人注目的是,爱因斯坦方程可以被推广成为所谓的超引力理论。”

  突破奖的设立者之一Yuri Milner说:“当我们想到人类想象力的伟大作品时,我们通常指的是艺术、音乐和文学。但一些最为深刻而美丽的作品是科学家创造的。过去几十年来,超引力一直激励着物理学家,这个理论中可能蕴含着关于现实本质的深刻真理。”

  01  超引力

  Ferrara、Freedman和Van Nieuwenhuizen是超引力的构建者。超引力是1976年提出的一个极为有影响力的理论,它成功地将引力整合到一种特定的量子场论当中。量子场论是用符合量子力学定律的场来描述自然界中基本粒子和相互作用的理论。

  上世纪60年代和70年代初建立的标准模型是一种量子场论,至今仍是物理学中得到最精确验证的理论,其成果包括预言希格斯玻色子的存在。然而,一个很明显的事实是,标准模型并不完备。特别是它只描述了自然界的三种作用力:它没有考虑引力,而引力属于爱因斯坦广义相对论的领域。此外还有许多谜题无法解答,比如一些粒子的质量比预期值低许多个数量级,也没有任何粒子可以解释暗物质这种遍布整个宇宙的不可见物质。

  然后到了1973年,物理学家发展了“超对称性”原理,它扩展了标准模型以包括新的粒子家族。超对称性理论假设,每一个已知的粒子都有一个看不见的“伙伴”:费米子(构成物质的基本粒子,比如电子和夸克)有玻色子(携带作用力的粒子)作为伙伴;而玻色子(比如光子)则有对应的费米子作为伙伴。

  虽然这些“超玻色子(super-boson)”和“超费米子(super-fermion)”是否存在还有待实验证实,但超对称性因其强大的解释能力而引人注目。它将费米子和玻色子的特征联系起来,作为一种潜在对称性的表现形式——就像不同的形状可能是同一个物体在镜子中的不同的反射一样。它还为标准模型中一些令人困惑的谜题提供了解决方案,其中包括解释粒子微小质量的机制,以及暗物质的自然候选者——暗物质就像是假设中的“超玻色子”一样,质量大但不可见。

  但是要想用超对称性来描述我们周围所确实看到的现象,比如苹果落地,那就必须将超对称性扩展到包括引力。这正是 Ferrara、Freedman 和Van Nieuwenhuizen 曾下定决心要实现的目标。他们三人的合作开始于Ferrara和Freedman 1975年在巴黎高等师范学校的多次讨论,接着是与Van Nieuwenhuizen的合作,最终通过当时最先进的计算机上一系列冗长繁复的计算而完成:他们成功地构建了一个包括“引力微子(gravitino)”的超对称理论,引力微子是引力子(携带引力的玻色子)的超对称伙伴粒子,它是一种规范费米子。

  超引力理论不是广义相对论的替代理论,而是广义相对论的超对称版本:这个理论中使用的代数包含了表示部分时空几何的变量——在爱因斯坦的理论中构成引力的几何。

  02  影响深远的超引力理论

  自从超引力理论提出四十年来,它一直对理论物理学产生着巨大的影响。超引力理论表明,超对称性能够解释我们在现实世界中所看到的所有现象,包括引力。它代表着我们目前对粒子物理学理解的完成,对“自然界的什么理论同时与量子力学和狭义相对论这两个基本原理相容?”这一问题给出了一个严格缜密的数学解答。它还为建立一个从基本层面上描述时空的完整的量子引力理论提供了基础——人们现在依然为之奋斗。

  1981年,威滕证明,这个理论可以用来为广义相对论中一个极其复杂的定理给出一个相当简单的证明。在那之后不久,超引力被整合到弦理论中——当描述低能量的相互作用时,弦理论实际上等价于超引力。这是1984年麦克尔·格林(Michael Green)和约翰·施瓦茨(John Schwarz)的证明的一个极为关键的组成部分,他们的证明使得超弦理论得以建立在稳固坚实的数学基础上。超引力在库姆伦·瓦法(Cumrun Vafa)和安德鲁·斯特罗明格(Andrew Strominger)关于量子黑洞的研究,以及后来在胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)等人的“全息”引力理论的发展中也发挥了重要作用。

  03  超引力何时能被实验验证?

  超对称和超引力的概念非常令人信服,物理学家至今仍在苦苦寻找实验证据来证实他们的预测。Van Nieuwenhuizen表示:“超引力中最关键的问题就是超对称粒子的发现,而这只有实验物理学家才能解决。“

  科学家希望,大型强子对撞机(LHC)的实验中会出现这些粒子的证据。不过到目前为止,证据还没有出现。如今,物理学家正在扩大他们的研究范围,寻找新粒子的非传统特征,包括超对称性和超引力预测的那些特征。他们也在精确地测量那些已知的过程,观察是否存在与标准模型的预测不一致的地方。

  Van Nieuwenhuizen说:“让我们希望大自然会意识到我们的努力。通过解决那些长期存在的问题,这个美丽的数学模型已经为物理学做出了贡献,而它在数学上的贡献甚至更大。我希望它不仅仅是数学和物理中的工具,而是一种物理现实。”

  Freedman说,超引力的概念源于对携带力的粒子的认识,这些粒子与强、弱和电磁力有关,我们已经在自然界探测到了它们。“在我看来,大自然很有可能也知道超引力。”

  按照计划,在本世纪20年代中期,大型强子对撞机将进行升级,这将为物理学家提供更多数据,以便继续寻找可能存在的任何新粒子。

  Ferrara认为,超引力被实验验证只是时间问题而已。“在预测存在希格斯玻色子之后,我们花了将近60年的时间才发现它。对于超引力,我们也需要差不多同样长的时间。”

  Peter van Nieuwenhuizen在得知自己获奖后接受了采访,下面是来自纽约州立大学石溪分校官网刊发的对话。

Peter van NieuwenhuizenPeter van Nieuwenhuizen

  Q:你是怎么得知自己获奖的?

  A:我刚从荷兰回来。当时我正坐在餐桌边付账单,电脑上弹出来一条消息,是爱德华·威滕(Edward Witten)发给我的。他是个著名的物理学家,是突破奖甄选委员会主席。他发消息问我什么时候方便接电话,电话号码是多少。我回复他说“现在就行”,把我的号码给了他。然后我就接着付账去了,但是并没有电话打进来。

  大概20分钟以后,我看了一下电脑,发现Edward又给我发了一条消息。他说:“我刚打给你,结果是马萨诸塞州一个叫Johnny Johnson的家伙接的。”晕,我给错了区号!我又给他正确的号码,跟他说“可能是因为我还在倒时差”。这下我马上接到了他的电话。

  我当时很担心他会问我很难的超引力方面的问题。他很聪明的。我有点儿紧张,因为我可能回答不出来。结果,我拿起电话,他对我说:“我是Edward Witten。祝贺你获得了2020年基础物理学特别突破奖。”

  对我来说这绝对是个惊喜。这么多年来,我们一直渴望得奖,结果每次得奖的都是别人。当然,我们从来没有怀疑过,他们都是极其优秀的物理学家。只是这么多年下来,我早就不做指望了。所以Edward告诉我获奖的时候,我真的是说不出话来。我跟他说:“呃,我不知道该说什么,我早就放弃希望了。”他说:“不必多言。请不要告知任何人。”就是这样。这是我人生中最短、含金量最高的电话。

  Q:关于超引力的发现,我们是不是还在等待“重大发现,确凿证据”?

  A:证据就在那儿。理论已经有了,数学上一切都很清晰。这个奖是为了表彰我们做过的理论工作。但还不清楚这是不是真实描述自然的理论。只有找到超对称粒子,我们的理论才能成为物理现实。我每次写文章,结尾都要写“希望大自然意识到我们的努力。”

  Q:你认为,我们今天的技术和资源是不是能够找到超对称粒子了?

  A:到目前为止,在芝加哥附近的费米实验室、在日内瓦附近的欧洲核子研究中心,都没有发现超对称粒子。据说中国要建新的加速器,我们拭目以待。

  Q:你是怎么会和Freedman、Ferrara一起研究起超引力概念的?

  A:当时Freedman在这儿(纽约州立大学石溪分校)教书,Ferrara在CERN。有次,Freedman在去巴黎的路上碰到了Ferrara,两人讨论了超引力的概念。Freedman回来后就把我叫上一块儿研究,就在现在这间办公室。我们全程通过打电话、写信联系Ferrara。

  Q:给我们讲讲整个研究过程吧。有没有“啊哈!”那样的豁然开朗的时刻?

  A:有的。我们完成了非常非常复杂的计算。真的很复杂,我们算了好几个月,觉得肯定搞不定。但我的导师,诺奖得主Veltman,他教我学会了用计算机,所以我决定用Brookhaven附近的CDC电子计算机来解决问题。我们在电话中来回讨论结果。因为担心花销太多,我们写程序的时候尽量精简,最后用了30到40美元,今天看来,比起这个项目,这点钱算啥。

  有天很晚了,我坐在办公室的计算机旁,那时候我们已经走到最后一步了:一切都检查过了,所有东西都不能再调整或修改了。有2000个系数都必须为零——它们都是整数,要么是0,要么是1或者2,反正不能有0.1、0.2之类的小数。所以计算机程序就不必使用高精度。如果这些参数里面任意一个不为0,理论就失败了,我们就将前功尽弃。

  第一批数据出来了,然后是第二批、第三批,依次往后。我们已经知道第一批数据中的系数都是零,因为在之前的运算中,它们都可以归零。关键在于是不是所有其他系数也都能归零。一批批的数据不断从Brookhaven出来——1600、1700,还是零——1800、1900,终于到第2000个,所有的系数都为零!就在那个时刻,我知道理论成立了。

  我很累。我半夜给Freedman打电话,他当时在芝加哥开会,在旅馆休息。我说:“Dan,都搞定了。”他说:“好极了。”然后打了个哈欠又睡过去了。

  大家都问我是不是兴高采烈,欢欣鼓舞,但说实话,忙了好几个月,我只感到十分疲惫。所以我回家睡觉了。直到好几天后,我才意识到这是个重大发现。

  Q:学校里庆祝了吗?

  A:一开始是没奖励的,我们只需要写学术论文。我们在The Physical Review发了文章,论述了我们的发现。后来我们还给这篇论文加了个附录,说明计算机计算表明表明我们的理论是成立的。

  至于我个人,我被升任为首席教授(Leading Professor),后来又成为杰出教授(Distinguished Professor)。有些机构邀请我去工作,但我决定留在这里——我觉得这是一个明智的决定。

  Q:你从1975年起就待在纽约州立大学石溪分校了,刚才你还说留在这里是个明智的决定,为什么呢?

  A:最主要的原因是,我喜欢在这儿教高级研究生课程,学生对这些课特别着迷,他们一直激励着我。能有这样追随你的听众,别无所求。

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

  Q:你同时也隶属于杨振宁理论物理研究所?

  A:对。1975年杨振宁把我招进去的。他是我的研究所主任。他总是非常非常支持我,这也是我喜欢呆在这儿的另一个原因。

  当时我在波士顿,犹豫不决,因为有人告诉我纽约是个很危险的地方。我第一次来这儿的时候,走在老物理楼旁边,看到一个年轻人狂奔,一个年龄大点的男的扑上去死死按住他。我看到那一幕,吓坏了。后来才知道,那个年轻人是个学生,他冒充另一个学生,犯了诈骗罪;年龄大点的男人是个教授,要抓住那个学生。

  不管怎么说,我跑回波士顿。但是杨振宁给我打电话,说我应该回石溪去。我就去做了个学术报告,一开始报告很顺利,大家都在听,但后来忽然所有人都离开我,跑去房间的另一头,有个人从Brookhaven进来,拿着一张纸,上面有一个巨大的、意想不到的测量峰值。后来知道是粲夸克。我决定接受杨振宁的邀请,在这里做助理教授。

  Q:你打算怎么使用这笔奖金?

  A:这笔钱数额惊人,我还没想过,因为我压根儿没想到我们会得奖。好在我不用立刻想出答案。

  后记

  超引力理论是数学物理的一个重大发现。它认为时空带有一种费米性,并因此引入了一种反对易数。在超引力理论中,时空是有由对易的实数和新的反对易数来描写的。用这一新观念所建立的超引力理论,是一种非常特殊的量子场论,其带有超对称。这一类量子场论有许多非常奇妙的性质,它吸引了很多人在这一方向做研究,也取得了很多进展。但我们所生活的时空是否真有这种费米性,超引力理论是否真的能描写我们的世界,还有待于实验验证。目前的高能加速器实验没有找到任何超对称的迹象。

  《返朴》的一些文章(如“拓扑序:看世界的一种新视角 | 众妙之门”)介绍了对时空的另一种不同的看法。我们认为,时空是由许许多多具有量子特性的量子比特来描写的,而不是由对易的实数和新的反对易数来描写的。当构成时空的量子比特海具有一种由弦网来描写的量子纠缠时,弦的端点可以是费米子(其对应于电子夸克等费米子),而弦的密度波是描写各种相互作用的规范场(其对应于光子胶子等传播力的粒子)。这也是一种量子时空,而且是一种同时带有费米性和规范性的量子时空。但这种量子时空没有超对称,也不被超引力理论来描写。

  《返朴》,致力好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁联袂担任总编,与几十位学者组成的编委会一起,与你共同求索。关注《返朴》(微信号:fanpu2019)参与更多讨论。二次转载或合作请联系fanpu2019@outlook.com。

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