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近日，美國基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)遴選委員會(huì)宣布，將2019年“基礎(chǔ)物理學(xué)特別突破獎(jiǎng)”授予超引力理論的3位提出者塞爾吉奧·費(fèi)拉拉、丹尼爾·弗里德曼，以及皮特·范尼烏文赫伊曾，3人將分享300萬美元獎(jiǎng)金。

眾所周知，相對(duì)論揭示了宇宙運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，量子力學(xué)則闡述著微觀世界的原理。可超引力理論的誕生，恰恰就是為了彌合這兩者的分歧，使宇宙之浩渺與粒子之微小能用統(tǒng)一的物理規(guī)律解釋。

物理規(guī)律大統(tǒng)一，必須“馴服”引力

中科院理論物理所研究員楊金民告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“全世界物理學(xué)家的終極夢(mèng)想就是能有一個(gè)‘大統(tǒng)一理論’，描述物理世界的所有規(guī)律。”

2016年，楊金民研究員和王飛教授在《科學(xué)通報(bào)》雜志上發(fā)表了題為《愛因斯坦的未競(jìng)之夢(mèng)：物理規(guī)律的大統(tǒng)一》的文章，梳理了一代代物理學(xué)家為統(tǒng)一物理規(guī)律做出的努力。

牛頓實(shí)現(xiàn)了天與地的統(tǒng)一。他提出了運(yùn)動(dòng)三定律，發(fā)現(xiàn)了萬有引力，描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且分別計(jì)算了地球上的拋物運(yùn)動(dòng)和宇宙中的行星軌道，前者符合伽利略的觀察結(jié)果，后者與開普勒定律一致。

在經(jīng)典物理的發(fā)展過程中，人們逐漸認(rèn)識(shí)到電作用、磁作用以及靜電力和磁力的相似性。直至麥克斯韋提出關(guān)于電場(chǎng)、磁場(chǎng)的統(tǒng)一描述——麥克斯韋方程組，并預(yù)言光是一種電磁波。人類才首次實(shí)現(xiàn)了電磁力的統(tǒng)一。

上世紀(jì)初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了把質(zhì)子、中子束縛在原子核中的強(qiáng)力以及引發(fā)原子核衰變的弱力。到了60年代，哈佛大學(xué)物理學(xué)家薩拉姆等人提出了電弱理論，通過量子化達(dá)成了電磁力和弱力的統(tǒng)一。

后來，科學(xué)家們以量子電動(dòng)力學(xué)、電弱理論和量子色動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)構(gòu)建了基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型，雖然模型中存在粒子質(zhì)量高于實(shí)際質(zhì)量、無法解釋暗物質(zhì)等問題，但仍不失為對(duì)電磁力、弱力、強(qiáng)力統(tǒng)一的基本規(guī)律的一種理論描述。

1978年，弗里德曼和范尼烏文赫伊曾在《科學(xué)美國人》雜志撰文寫道，宇宙中的粒子通過引力、電磁力、強(qiáng)力和弱力4種基本力相互作用，物理學(xué)最雄心勃勃的目標(biāo)就是找到一種簡(jiǎn)單的基本規(guī)律，統(tǒng)一四種基本力。歷史表明，物理學(xué)正在逐漸向統(tǒng)一的方向發(fā)展。

可在統(tǒng)一的趨勢(shì)中，引力卻一直游離之外。物理學(xué)家們要想得到“大統(tǒng)一理論”，必須馴服引力這匹桀驁的“野馬”。

乘“超對(duì)稱”之東風(fēng)，超引力應(yīng)運(yùn)而生

“將引力納入統(tǒng)一物理規(guī)律的方法，就是將其量子化。” 楊金民談到，因?yàn)殡姶帕Α⑷趿Α?qiáng)力正是通過量子化才能形成標(biāo)準(zhǔn)模型統(tǒng)一描述，所以引力應(yīng)該也不例外。

楊金民介紹，晚年的愛因斯坦用了20年試圖統(tǒng)一物理規(guī)律，但他并未選擇引力量子化，而是尋求引力與電磁力的統(tǒng)一，最后以失敗告終。這也在一定程度上證明，引力量子化才是最可能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一物理規(guī)律的路線。

既然路線已定，為什么統(tǒng)一引力依舊很難?那是因?yàn)檫@個(gè)引力，早已不是牛頓時(shí)代的引力。1905年，愛因斯坦提出狹義相對(duì)論，1915年，進(jìn)一步建立廣義相對(duì)論，成為新的引力理論。廣義相對(duì)論中時(shí)空會(huì)因物質(zhì)彎曲，量子力學(xué)則是在平直時(shí)空中描述，時(shí)空不同，二者的統(tǒng)一自然十分艱難。

就在物理學(xué)家們?yōu)榱孔踊瘡V義相對(duì)論頭疼時(shí)，超對(duì)稱理論送來一劑良藥。

由于標(biāo)準(zhǔn)模型存在漏洞，科學(xué)家們一直力圖改進(jìn)。1973年，物理學(xué)家朱利葉斯·韋斯和布魯諾·祖米諾提出了一種新概念的時(shí)空對(duì)稱理論——“超對(duì)稱”，它認(rèn)為每個(gè)基本粒子都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的“伙伴”，如每個(gè)玻色子都伴隨一個(gè)“超費(fèi)米子”，而每個(gè)費(fèi)米子又都伴隨一個(gè)“超玻色子”。神奇的是，看似更復(fù)雜的超對(duì)稱理論卻有效改進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)模型的諸多不足之處。

事實(shí)上，超對(duì)稱理論在提出之時(shí)并未考慮引力因素，但卻為費(fèi)拉拉、弗里德曼、范尼烏文赫伊曾3人提供了靈感。具體而言，一般情況下，物理學(xué)家通過引入引力子的概念來量子化引力，弗里德曼等人受超對(duì)稱的啟發(fā)，為引力子增加了一個(gè)伙伴——引力微子，正是這一創(chuàng)新直接催生了超引力理論。隨后，他們通過計(jì)算機(jī)編程計(jì)算檢驗(yàn)了這一理論的科學(xué)性。1976年，超對(duì)稱問世僅僅3年后，超引力橫空出世，震驚整個(gè)理論物理學(xué)界。

超引力仍需驗(yàn)證，大統(tǒng)一或靠“超弦”

“引力量子化曾被稱為21世紀(jì)最大的科學(xué)難題，相比‘圈引力’等理論，超引力最有可能解決這一難題，這也是其此次獲獎(jiǎng)的原因。”楊金民談到，之所以是“可能”，原因在于超引力理論還沒有得到實(shí)驗(yàn)物理學(xué)證實(shí)。

范尼烏文赫伊曾說，證實(shí)超引力的關(guān)鍵是發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱粒子。到現(xiàn)在為止，芝加哥的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室、日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心都沒有發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱粒子。“據(jù)說中國要建設(shè)新的加速器，我們拭目以待。”

很多人不禁要問，怎樣通過高能加速器發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱粒子呢?

楊金民稱，事實(shí)上，全球現(xiàn)有加速器因?yàn)槟芰坎蛔愫茈y直接打出超對(duì)稱粒子，但我們可以通過間接手段驗(yàn)證超對(duì)稱理論是否成立。加速器通過粒子對(duì)撞產(chǎn)生“希格斯粒子”，而希格斯粒子與超對(duì)稱理論緊密相關(guān)。我們可以使用“希格斯粒子工廠”精確測(cè)量希格斯粒子的性質(zhì)，判斷其與標(biāo)準(zhǔn)模型是否有所差別，從而推斷超對(duì)稱理論是否成立。如果間接驗(yàn)證成功，人類可以建設(shè)更大規(guī)模的加速器，爭(zhēng)取直接打出超對(duì)稱粒子獲得直接驗(yàn)證。

那么，科學(xué)家有沒有可能借助加速器發(fā)現(xiàn)引力微子，為超引力理論提供最直接的證明呢?

楊金民介紹，在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中，引力微子表現(xiàn)為“丟失的能量”，是不可見的。但如果加速器能夠產(chǎn)生超對(duì)稱粒子，這些粒子最終都會(huì)衰變成質(zhì)量最低的引力微子，而衰變的過程會(huì)產(chǎn)生希格斯粒子等可見粒子，我們同樣可以通過觀察這些可見粒子推斷引力微子是否真的存在。

超引力理論問世40多年，人類在大統(tǒng)一理論上已經(jīng)有了新的發(fā)展。楊金民告訴記者，現(xiàn)在，有著“現(xiàn)代愛因斯坦”之稱的美國物理學(xué)家威滕領(lǐng)銜的“超弦理論”被認(rèn)為最有希望成為終極大統(tǒng)一理論。該理論認(rèn)為，自然界的基本單元不是粒子，而是很小很小的“弦”，弦的不同振動(dòng)模式產(chǎn)生出各種不同的基本粒子。威滕等人已經(jīng)證明超引力理論恰是超弦理論的低能近似，換句話說，超弦理論統(tǒng)一了超引力理論。

“然而，‘明日之星’的超弦理論也同樣未獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí)，未來物理規(guī)律的大統(tǒng)一之路還需繼續(xù)探索。”楊金民說。

標(biāo)簽： 物理規(guī)律大統(tǒng)一 超引力