引力与超对称:理论物理的新篇章

作者: 二宗主

来源: breakthroughprize.org, space.com, cerncourier.com

发布日期: 2019-08-07

本文详细介绍了超引力理论的发展历程及其在理论物理学中的重要性,包括其如何统一不同版本的弦理论和超引力理论,以及对标准模型的补充和扩展。文章还提到了超引力理论的提出者Sergio Ferrara、Daniel Freedman和Peter van Nieuwenhuizen获得基础物理学特别突破奖的情况,并讨论了超引力理论在现代物理学中的应用和挑战。

1995年,在国际弦理论大会上,菲尔兹奖得主、理论物理学家爱德华·威滕提出了M理论。他论证了,当时已知的5个不同版本的弦理论实际上是M理论的统一框架的一部分。不仅如此,同样被囊括到这个框架的还有超引力理论。弦理论告诉我们:所有的基本粒子都是由微小的、振动的弦构成的。在1995年之前,弦理论学家发展出了5个不同的版本。M理论将5个弦理论(以及11维的超引力)统一到一个数学框架中。

8月6日,科学突破奖宣布将最新的基础物理学特别突破奖授予超引力的提出者:Sergio Ferrara、Daniel Freedman和Peter van Nieuwenhuizen。

那是一个理论和实验齐头并进的年代,当时物理学家构建起了已知最精确的科学理论——标准模型,它描述了自然界中的基本粒子和四种已知基本力中的三种——电磁力、强核力、弱核力。多年来,标准模型取得了令人难以置信的成功。

例如,它成功预测了在2012年发现的希格斯玻色子。标准模型中包含了两种类型的粒子——玻色子和费米子。尽管标准模型非常的成功,但我们很清楚它并不完备,有许多问题是它没有解决的,比如:它无法将引力囊括到这个框架中,目前描述引力最完美的理论是爱因斯坦的广义相对论;许多粒子的实际质量远低于标准模型的预测质量;它也无法解释遍布在宇宙中的暗物质。

Julius Wess和Bruno Zumino揭示了一种新的时空对称性——“超对称”,它允许费米子可以被“旋转”为玻色子,反之亦然。也就是说,每一个基本粒子都有一个更重的超对称伙伴,比如所有的玻色子都有一个“超费米子”伙伴,而每个费米子又有一个“超玻色子”伙伴。然而,和标准模型一样,超对称性在最开始也不包括引力。

但很快,Ferrara、Freedman和van Nieuwenhuizen就改变了这一状况。他们三人的超引力研究始于1975年,Ferrara和Freedman首先在巴黎高等师范学院进行了讨论。很快,他们二人就向已在纽约石溪大学从事量子引力研究的van Nieuwenhuizen发出了“群聊邀请”。

他们编写了一个新的计算机程序来进行最后的计算,这是一项很难用手算完成的工作。

计算中包含了大约2000多项,若要使新的超引力理论成立,所有的这些项都必须为零。计算机在处理这些数字时,会分批次地每次100或200个吐出这些项。0在不断地产生,几个小时后,终于迎来最后一个批次,得到了所有的0。1976年6月,他们三人发表了这一新的研究。科学突破奖的评选委员会主席威滕在一份声明中说:“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。

令人震惊的是,爱因斯坦方程可以被推广成为所谓的超引力。”

需要记住的是,超引力并没有取代广义相对论,而是它的延伸。在过去的40多年里,超引力对理论物理学产生了深远的影响。例如,1981年,威滕在证明广义相对论的正能量定理时就加入了超引力理论,这项工作也使他在1990年获得了菲尔兹奖。之后,在M理论、推导量子黑洞的贝肯斯坦-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中的背景时空几何。

目前,我们无法确定引力微子是否真的存在,或者说任何其他的假想超粒子是否真的存在。在过去的几十年里,科学家在越来越高的能量下寻找超对称粒子,但至今一无所获。这可能从一个角度反映了粒子加速器的局限性:我们可能要建造比发现了希格斯玻色子的大型强子对撞机(LHC)还要更大、更强的加速器才行。

对于获奖消息,Ferrara和van Nieuwenhuizen表示这很令人震惊,因为获奖原因是他们三人在43年前就已经发展出的理论。Ferrara说:“我们真的很惊讶,因为这是项古老的工作。当然,我们很高兴能获得这个奖项,也很自豪能得到这个著名委员会的认可。”当突破奖的人打电话告诉Freedman这个消息时,他情绪激动,在接受space.com的采访中他说道:“当我放下电话时,我哭了。

我不知所措,对我的职业生涯来说,这是一个绝妙的高峰。”

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