1.

　　1995 年，在國際弦理論大會上，菲爾茲獎得主、理論物理學家愛德華·威滕（Edward Witten）提出了M理論。他論證了，當時已知的 5 個不同版本的弦理論實際上是M理論的統一框架的一部分。不僅如此，同樣被囊括到這個框架的還有超引力理論。

弦理論告訴我們：所有的基本粒子都是由微小的、振動的弦構成的。在 1995 年之前，弦理論學家發展出了 5 個不同的版本。M理論將 5 個弦理論（以及 11 維的超引力）統一到一個數學框架中。

　　8 月 6 日，科學突破獎宣布將最新的基礎物理學特別突破獎授予超引力的提出者：Sergio Ferrara、Daniel Freedman和Peter van Nieuwenhuizen。

　　為什么要把這一獎項授予這樣一個未被驗證的理論？突破基金會的創始人Yuri Milner在幾年前就曾表示：“這一獎項是對智力成果的一個肯定，有時候這可以是提出了一個開創性的問題，并不是只頒發給那些給出答案的人。這是和諾貝爾獎的一個重要區別。”

　　為了了解什么是超引力，我們需要回到上個世紀 60 和 70 年代。

　　2.

　　那是一個理論和實驗齊頭并進的年代，當時物理學家構建起了已知最精確的科學理論——標準模型，它描述了自然界中的基本粒子和四種已知基本力中的三種——電磁力、強核力、弱核力。多年來，標準模型取得了令人難以置信的成功。例如，它成功預測了在 2012 年發現的希格斯玻色子。

四種基本力

　　標準模型中包含了兩種類型的粒子——玻色子和費米子。這兩類粒子的區別在于它們有不同的“自旋”，或者說是角動量。夸克、輕子和所有的復合粒子都屬于費米子，它們都具有半整數的自旋，如1/2、3/2。而希格斯粒子、膠子和其他玻色子則具有整數自旋，如0、1 等等。這看起來似乎只是一個非常微小的區別，但其實它會導致兩種粒子在行為上出現巨大的差異。例如，費米子是構成普通物質的粒子，而玻色子則是攜帶力的粒子（比如強核力就是由膠子傳遞的）。

標準模型中的基本粒子，包括上夸克(u)、下夸克(d)、電子(e)、中微子(ν)、W和Z玻色子等

　　盡管標準模型非常的成功，但我們很清楚它并不完備，有許多問題是它沒有解決的，比如：

• 它無法將引力囊括到這個框架中，目前描述引力最完美的理論是愛因斯坦的廣義相對論；
• 許多粒子的實際質量遠低于標準模型的預測質量；
• 它也無法解釋遍布在宇宙中的暗物質。

　　因此，物理學家一直在努力地想要改進標準模型。其中一個絕妙的思想出現在 1973 年。當時，Julius Wess和Bruno Zumino揭示了一種新的時空對稱性——“超對稱”，它允許費米子可以被“旋轉”為玻色子，反之亦然。也就是說，每一個基本粒子都有一個更重的超對稱伙伴，比如所有的玻色子都有一個“超費米子”伙伴，而每個費米子又有一個“超玻色子”伙伴。

　　然而，和標準模型一樣，超對稱性在最開始也不包括引力。但很快，Ferrara、Freedman 和 van Nieuwenhuizen 就改變了這一狀況。他們三人的超引力研究始于 1975 年，Ferrara 和 Freedman 首先在巴黎高等師范學院進行了討論。很快，他們二人就向已在紐約石溪大學從事量子引力研究的 van Nieuwenhuizen 發出了“群聊邀請”。

　　于是，他們三人共同提出了超引力理論，將廣義相對論和超對稱結合在一起。在這個理論中，他們引入了引力微子（gravitino）。引力微子是一種自旋為3/2 的假想粒子，它是引力子（graviton）的超對稱伙伴。引力子是一種用來傳遞引力的假想玻色子，就像電磁力是由光子傳遞的。

物理學家的最終目標是統一四種基本力

　　他們編寫了一個新的計算機程序來進行最后的計算，這是一項很難用手算完成的工作。計算中包含了大約 2000 多項，若要使新的超引力理論成立，所有的這些項都必須為零。計算機在處理這些數字時，會分批次地每次 100 或 200 個吐出這些項。0 在不斷地產生，幾個小時后，終于迎來最后一個批次，得到了所有的0。

　　1976 年 6 月，他們三人發表了這一新的研究。科學突破獎的評選委員會主席威滕在一份聲明中說：“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。令人震驚的是，愛因斯坦方程可以被推廣成為所謂的超引力。”

從左到右：Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara 和 Dan Freedman。2016 年，三人在 CERN 舉辦的慶祝超引力 40 周年的會議上留下合影。 圖片來源：S Bennett/CERN

　　3.

　　需要記住的是，超引力并沒有取代廣義相對論，而是它的延伸。在過去的 40 多年里，超引力對理論物理學產生了深遠的影響。例如，1981 年，威滕在證明廣義相對論的正能量定理時就加入了超引力理論，這項工作也使他在 1990 年獲得了菲爾茲獎。之后，在M理論、推導量子黑洞的貝肯斯坦-霍金熵、Maldacena 的 AdS/CFT 的研究中，超引力都起到了非常重要的作用。超引力的解提供了 AdS/CFT 中的背景時空幾何。

　　Milner 說：“當我們提到由人類的想象力創造的偉大作品時，我們通常會想到藝術、音樂和文學。但一些最深刻、最美麗的作品卻是由科學家所創造的。幾十年來，超引力一直激勵著物理學家們，它可能蘊含著關于現實本質的深刻真理。”

　　目前，我們無法確定引力微子是否真的存在，或者說任何其他的假想超粒子是否真的存在。在過去的幾十年里，科學家在越來越高的能量下尋找超對稱粒子，但至今一無所獲。這可能從一個角度反映了粒子加速器的局限性：我們可能要建造比發現了希格斯玻色子的大型強子對撞機（LHC）還要更大、更強的加速器才行。

　　Ferrara 在一篇文章中寫道：“對超引力中的超對稱性破缺擁有更深入的理論理解，在現如今看來顯得至關重要。在打破超對稱性的過程中，我們面臨著許多重要的概念上的挑戰：由此產生的真空會深受量子漲落的影響，因而也影響到那與暗能量和宇宙常數有關的這些舊難題上。甚至有跡象表明，這種類型的研究或許能有助于闡明弦理論的核心，而且超引力也可能與暗物質有關，因為暗物質或許是由引力微子或其他超輕粒子伙伴組成的。我們相信，超引力將再次引領我們走得更遠。”

　　對于獲獎消息，Ferrara 和 van Nieuwenhuizen 表示這很令人震驚，因為獲獎原因是他們三人在 43 年前就已經發展出的理論。Ferrara 說：“我們真的很驚訝，因為這是項古老的工作。當然，我們很高興能獲得這個獎項，也很自豪能得到這個著名委員會的認可。”當突破獎的人打電話告訴 Freedman 這個消息時，他情緒激動，在接受 space.com 的采訪中他說道：“當我放下電話時，我哭了。我不知所措，對我的職業生涯來說，這是一個絕妙的高峰。”

總結

以上是生活随笔為你收集整理的引力 + 超对称 = ？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。