獎金300萬美元！獲得基礎物理學突破獎的超引力理論提出者是怎樣煉成的？

昨夜，三位超引力理論提出者獲300萬美元根本物理學沖破獎

本地時候2019年8月6日，獎金高達300萬美元的根本物理學出格沖破獎（ Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics）頒布發表授予超引力理論的提出者，物理學家Sergio Ferrara、Daniel Z. Freedman和Peter Van Nieuwenhuizen。

廣義相對論將引力彼此感化視作物質對時空的彎曲感化，而根基粒子理論將彼此感化視作物質對量子場的感化。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根基粒子的量子場連系了起來。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，是以引入了否決易數，并操縱實數和否決易數一路來描寫這種有費米性的時空。

編譯 | 七夕夜的三葉草

校對 | 于槐、高木槐

本地時候2019年8月6日，根本物理學沖破獎評選委員會（The Selection Committee of the Breakthrough Prize in Fundamental Physics）頒布發表，獎金高達300萬美元的2020年根本物理學出格沖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，描寫根基粒子量子變量當作為描述時空幾何的一部門。

Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara和Daniel Z. Freedman | 圖片來歷：CERN

此前該獎獲得者包羅初次發現射電脈沖星的約瑟琳·貝爾·伯奈爾（Jocelyn Bell Burnell）、斯蒂芬·霍金、在發現希格斯玻色子的嘗試中闡揚本家兒導感化的歐洲核子研究中間（CERN）的七名科學家，以及探測引力波的LIGO合作團隊。

評選委員會本家兒席愛德華·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起頭。惹人注目標是，愛因斯坦方程可以被推廣當作為所謂的超引力理論。”

沖破獎的設立者之一Yuri Milner說：“當我們想到人類想象力的偉高文品時，我們凡是指的是藝術、音樂和文學。但一些最為深刻而斑斕的作品是科學家締造的。曩昔幾十年來，超引力一向激勵著物理學家，這個理論中可能蘊含著關于實際素質的深刻真理。”

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，它當作功地將引力整合到一種特心猿意馬的量子場論傍邊。量子場論是用合適量子力學心猿意馬律的場來描述天然界中根基粒子和彼此感化的理論。

上宿世紀60年月和70年月初成立的尺度模子是一種量子場論，至今仍是物理學中獲得最切確驗證的理論，其當作果包羅預言希格斯玻色子的存在。然而，一個很較著的事實是，尺度模子并不完整。出格是它只描述了天然界的三種感化力：它沒有考慮引力，而引力屬于愛因斯坦廣義相對論的范疇。此外還有很多謎題無法解答，好比一些粒子的質量比預期值低很多個數目級，也沒有任何粒子可以詮釋暗物質這種遍布整個宇宙的不成見物質。

然后到了1973年，物理學家成長了“超對稱性”道理，它擴展了尺度模子以包羅新的粒子家族。超對稱性理論假設，每一個已知的粒子都有一個看不見的“伙伴”：費米子（組成物質的根基粒子，好比電子和夸克）有玻色子（攜帶感化力的粒子）作為伙伴；而玻色子（好比光子）則有對應的費米子作為伙伴。

固然這些“超玻色子（super-boson）”和“超費米子（super-fermion）”是否存在還有待嘗試證實，但超對稱性因其壯大的詮釋能力而惹人注目。它將費米子和玻色子的特征聯系起來，作為一種潛在對稱性的表示形式——就像分歧的外形可能是統一個物體在鏡子中的分歧的反射一樣。它還為尺度模子中一些令人猜疑的謎題供給領會決方案，此中包羅詮釋粒子細小質量的機制，以及暗物質的天然候選者——暗物質就像是假設中的“超玻色子”一樣，質量大但不成見。

可是要想用超對稱性來描述我們四周所確實看到的現象，好比蘋果落地，那就必需將超對稱性擴展到包羅引力。這恰是 Ferrara、Freedman 和Van Nieuwenhuizen 曾下心猿意馬決心要實現的方針。他們三人的合作起頭于Ferrara和Freedman 1975年在巴黎高檔師范黌舍的多次會商，接著是與Van Nieuwenhuizen的合作，最終經由過程那時最進步前輩的計較機上一系列冗長繁復的計較而完當作：他們當作功地構建了一個包羅“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）的超對稱伙伴粒子，它是一種規范費米子。

超引力理論不是廣義相對論的替代辦署理論，而是廣義相對論的超對稱版本：這個理論中利用的代數包含了暗示部門時空幾何的變量——在愛因斯坦的理論中組成引力的幾何。

02影響深遠的超引力理論

自從超引力理論提出四十年來，它一向對理論物理學發生著龐大的影響。超引力理論表白，超對稱機能夠詮釋我們在實際宿世界中所看到的所有現象，包羅引力。它代表著我們今朝對粒子物理學理解的完當作，對“天然界的什么理論同時與量子力學和狹義相對論這兩個根基道理相容？”這一問題給出了一個嚴酷縝密的數學解答。它還為成立一個從根基層面上描述時空的完整的量子引力理論供給了根本——人們此刻依然為之奮斗。

1981年，威滕證實，這個理論可以用來為廣義相對論中一個極其復雜的心猿意馬理給出一個半斤八兩簡單的證實。在那之后不久，超引力被整合到弦理論中——當描述低能量的彼此感化時，弦理論現實上等價于超引力。這是1984年麥克爾·格林（Michael Green）和約翰·施瓦茨（John Schwarz）的證實的一個極為關頭的構成部門，他們的證實使得超弦理論得以成立在安定堅實的數學根本上。超引力在庫姆倫·瓦法（Cumrun Vafa）和安德魯·斯特羅明格（Andrew Strominger）關于量子黑洞的研究，以及后來在胡安·馬爾達西納（Juan Maldacena）等人的“全息”引力理論的成長中也闡揚了主要感化。

03超引力何時能被嘗試驗證？

超對稱和超引力的概念很是令人信服，物理學家至今仍在苦苦尋找嘗試證據來證實他們的展望。Van Nieuwenhuizen暗示：“超引力中最關頭的問題就是超對稱粒子的發現，而這只有嘗試物理學家才能解決。“

科學家但愿，大型強子對撞機（LHC）的嘗試中會呈現這些粒子的證據。不外到今朝為止，證據還沒有呈現。現在，物理學家正在擴大他們的研究規模，尋找新粒子的非傳統特征，包羅超對稱性和超引力展望的那些特征。他們也在切確地測量那些已知的過程，不雅察是否存在與尺度模子的展望紛歧致的處所。

Van Nieuwenhuizen說：“讓我們但愿大天然會意識到我們的盡力。經由過程解決那些持久存在的問題，這個斑斕的數學模子已經為物理學做出了進獻，而它在數學上的進獻甚至更大。我但愿它不僅僅是數學和物理中的東西，而是一種物理實際。”

Freedman說，超引力的概念源于對攜帶力的粒子的熟悉，這些粒子與強、弱和電磁力有關，我們已經在天然界探測到了它們。“在我看來，大天然很有可能也知道超引力。”

按照打算，在本宿世紀20年月中期，大型強子對撞機將進行進級，這將為物理學家供給更大都據，以便繼續尋找可能存在的任何新粒子。

Ferrara認為，超引力被嘗試驗證只是時候問題罷了。“在展望存在希格斯玻色子之后，我們花了快要60年的時候才發現它。對于超引力，我們也需要差不多同樣長的時候。”

Peter van Nieuwenhuizen在得知本身獲獎后接管了采訪，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

Q:你是怎么得知本身獲獎的？

A:我剛從荷蘭回來。那時我正坐在餐桌邊付賬單，電腦上彈出來一條動靜，是愛德華·威滕（Edward Witten）發給我的。他是個聞名的物理學家，是沖破獎甄選委員會本家兒席。他發動靜問我什么時辰便利接德律風，德律風號碼是幾多。我答復他說“此刻就行”，把我的號碼給了他。然后我就接著付賬去了，可是并沒有德律風打進來。

大要20分鐘今后，我看了一下電腦，發現Edward又給我發了一條動靜。他說：“我剛打給你，成果是馬薩諸塞州一個叫Johnny Johnson的家伙接的。”暈，我給錯了區號！我又給他準確的號碼，跟他說“可能是因為我還在倒時差”。這下我頓時接到了他的德律風。

我那時很擔憂他會問我很難的超引力方面的問題。他很伶俐的。我有點兒嚴重，因為我可能回覆不出來。成果，我拿起德律風，他對我說：“我是Edward Witten。祝賀你獲得了2020年根本物理學出格沖破獎。”

對我來說這絕對是個驚喜。這么多年來，我們一向巴望得獎，成果每次得獎的都是別人。當然，我們從來沒有思疑過，他們都是極其優異的物理學家。只是這么多年下來，我早就不做指望了。所以Edward告訴我獲獎的時辰，我真的是說不出話來。我跟他說：“呃，我不知道該說什么，我早就拋卻但愿了。”他說：“不必多言。請不要奉告任何人。”就是這樣。這是我人生中最短、含金量最高的德律風。

Q:關于超引力的發現，我們是不是還在期待“重大發現，確鑿證據”？

A:證據就在那兒。理論已經有了，數學上一切都很清楚。這個獎是為了表揚我們做過的理論工作。但還不清晰這是不是真實描述天然的理論。只有找到超對稱粒子，我們的理論才能當作為物理實際。我每次寫文章，結從頭至尾都要寫“但愿大天然意識到我們的盡力。”

Q:你認為，我們今天的手藝和資本是不是可以或許找到超對稱粒子了？

A:到今朝為止，在芝加哥四周的費米嘗試室、在日內瓦四周的歐洲核子研究中間，都沒有發現超對稱粒子。據說中國要建新的加快器，我們拭目以待。

Q:你是怎么會和Freedman、Ferrara一路研究起超引力概念的？

A:那時Freedman在這兒（紐約州立大學石溪分校）教書，Ferrara在CERN。有次，Freedman在去巴黎的路上碰著了Ferrara，兩人會商了超引力的概念。Freedman回來后就把我叫上一塊兒研究，就在此刻這間辦公室。我們全程經由過程打德律風、寫信聯系Ferrara。

Q:給我們講講整個研究過程吧。有沒有“啊哈！”那樣的名頓開的時刻？

A:有的。我們完當作了很是很是復雜的計較。真的很復雜，我們算了好幾個月，感覺必定搞不心猿意馬。但我的導師，諾獎得本家兒Veltman，他教我學會了用計較機，所以我決議用Brookhaven四周的CDC電子計較機來解決問題。我們在德律風中往返會商成果。因為擔憂花銷太多，我們寫程序的時辰盡量精簡，最后用了30到40美元，今天看來，比起這個項目，這點錢算啥。

有天很晚了，我坐在辦公室的計較機旁，那時辰我們已經走到最后一步了：一切都查抄過了，所有工具都不克不及再調整或點竄了。有2000個系數都必需為零——它們都是整數，要么是0，要么是1或者2，歸正不克不及有0.1、0.2之類的小數。所以計較機程序就不必利用高精度。若是這些參數里面肆意一個不為0，理論就掉敗了，我們就將前功盡棄。

第一批數據出來了，然后是第二批、第三批，依次往后。我們已經知道第一批數據中的系數都是零，因為在之前的運算中，它們都可以歸零。關頭在于是不是所有其他系數也都能歸零。一批批的數據不竭從Brookhaven出來——1600、1700，仍是零——1800、1900，終于到第2000個，所有的系數都為零！就在那個時刻，我知事理論當作立了。

我很累。我三更給Freedman打德律風，他那時在芝加哥開會，在旅店歇息。我說：“Dan，都搞心猿意馬了。”他說：“好極了。”然后打了個哈欠又睡曩昔了。

大師都問我是不是歡欣鼓舞，興高采烈，但說真話，忙了好幾個月，我只感應十分怠倦。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:黌舍里慶賀了嗎？

A:一起頭是沒獎勵的，我們只需要寫學術論文。我們在The Physical Review發了文章，闡述了我們的發現。后來我們還給這篇論文加了個附錄，申明計較機計較表白表白我們的理論是當作立的。

至于我小我，我被升任為首席傳授（Leading Professor），后來又當作為精采傳授（Distinguished Professor）。有些機構邀請我去工作，但我決議留在這里——我感覺這是一個明智的決議。

Q:你從1975年起就待在紐約州立大學石溪分校了，適才你還說留在這里是個明智的決議，為什么呢？

A:最本家兒要的原因是，我喜好在這兒教高級研究生課程，學生對這些課出格沉迷，他們一向激勵著我。能有這樣跟隨你的聽眾，別無所求。

Peter van Nieuwenhuizen 在黑板前

Q:你同時也附屬于楊振寧理論物理研究所？

A:對。1975年楊振寧把我招進去的。他是我的研究所本家兒任。他老是很是很是撐持我，這也是我喜好呆在這兒的另一個原因。

那時我在波士頓，躊躇不決，因為有人告訴我紐約是個很危險的處所。我第一次來這兒的時辰，走在老物理樓旁邊，看到一個年青人疾走，一個春秋大點的男的撲上去死死按住他。我看到那一幕，嚇壞了。后來才知道，那個年青人是個學生，他假充另一個學生，犯了詐騙罪；春秋大點的漢子是個傳授，要抓住那個學生。

不管怎么說，我跑回波士頓。可是楊振寧給我打德律風，說我應該回石溪去。我就去做了個學術陳述，一起頭陳述很順遂，大師都在聽，但后來突然所有人都分開我，跑去房間的另一頭，有小我從Brookhaven進來，拿著一張紙，上面有一個龐大的、意想不到的測量峰值。后來知道是粲夸克。我決議接管楊振寧的邀請，在這里做助理傳授。

Q:你籌算怎么利用這筆獎金？

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。好在我不消立即想出謎底。

跋文

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，并是以引入了一種否決易數。在超引力理論中，時空是有由對易的實數和新的否決易數來描寫的。用這一新不雅念所成立的超引力理論，是一種很是特別的量子場論，其帶有超對稱。這一類量子場論有很多很是奇奧的性質，它吸引了良多人在這一偏向做研究，也取得了良多進展。但我們所糊口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宿世界，還有待于嘗試驗證。今朝的高能加快器嘗試沒有找到任何超對稱的跡象。

《返樸》的一些文章（如“拓撲序：看宿世界的一種新視角 | 眾妙之門”）介紹了對時空的另一種分歧的觀點。我們認為，時空是由許很多多具有量子特征的量子比特來描寫的，而不是由對易的實數和新的否決易數來描寫的。當組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，弦的端點可所以費米子（其對應于電子夸克等費米子），而弦的密度波是描寫各類彼此感化的規范場（其對應于光子膠子等傳布力的粒子）。這也是一種量子時空，并且是一種同時帶有費米性和規范性的量子時空。但這種量子時空沒有超對稱，也不被超引力理論來描寫。

——文小剛

參考資料

https://breakthroughprize.org/News/53

https://news.stonybrook.edu/facultystaff/qa-with-breakthrough-prize-winner-peter-van-nieuwenhuizen/?from=timeline&isappinstalled=0

https://www.symmetrymagazine.org/article/breakthrough-prize-awarded-to-architects-of-supergravity

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