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一个未被验证的杰出科学思想:超引力理论

整理 | 杨 枭 责编 | 陈晓雪
许多理论物理学研究很难得到实验的验证,因而也难以得到认可。不过,最近的基础物理学突破奖证明,即使未被实验验证,杰出的科学思想一样值得鼓励。
 
8月6日,2019年的基础物理学突破奖公布,获奖者为超引力理论(Supergravity)的三位提出者——欧洲核子研究组织(CERN)的Sergio Ferrara、麻省理工学院(MIT)的 Daniel Freedman 和纽约州立大学石溪分校的Peter van Nieuwenhuizen。三人将共享 300 万美元的奖金。
 
超引力理论是是一种结合了超对称和广义相对论原理的场论,诞生于1976年,尽管距今已四十余年,但仍然没有实证表明该理论是正确的。
 
“诺贝尔奖谨慎小心,必须要实验验证,但并不是说,还没有得到实验验证的理论就没有学术价值。科学突破奖很大程度上弥补了诺贝尔奖的不足。” 中国科学院高能物理所研究员曹俊看到此消息,在新浪微博上评论道。
 
中国科学院国家天文台研究员陈学雷也表示:“任何理论都需要经过实验的检验。超引力理论仍有可能是错误的,但是现在科学发展的状态,是在这个领域里需要天才和大量的努力才能做出有意义的模型,而这种模型的最终实验检验需要很多年。……对于那些由于工程和经济可行性暂时难以验证的基础理论,如何给予支持和鼓励?这更需要远见卓识。”
 
 
超引力理论具有怎样的意义和学术价值?为什么它还没有被验证?这是否说明如今的物理学研究遇到了瓶颈?
 
带着这些问题,《知识分子》邀请到了犹他大学(盐湖城)物理天文系杰出教授、复旦大学特聘教授吴咏时,请他为我们一一解答。
 
知识分子:超引力理论具有怎样的意义?
 
吴咏时:20世纪的基础物理学有两大进展,一是爱因斯坦的相对论,是物理世界时间空间和物质运动关系的基础理论。另外一个就是量子力学理论,量子力学完全超出了经典力学的范畴,过去也被认为超出了广义相对论的范畴。量子理论最初被认为是小尺度物理世界的一个基础理论,即原子分子以及小于原子分子的空间尺度的物理。
 
多年以来,基础物理学有一个基本问题,就是量子力学和广义相对论是否相容。这个问题的研究历史很长,1930-40年代就开始有人探讨。
 
宇宙学的标准模型以广义相对论为基础,涉及引力相互作用;粒子物理的标准模型以量子理论为基础,涉及电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。所以这两大标准模型涵盖了四种基本相互作用。粒子物理的标准模型中没有包含引力,因为之前一直认为没有找到一个量子场论可以自洽地描述引力现象。
这次突破奖授予超引力理论,有非常重要的意义。最重要的就是,认可超引力理论作为有效场论能够在量子理论的基础上描述引力现象,认可它为两大标准模型和四种相互作用的统一开辟道路所起的历史作用。这个认可来的有点晚,一个重要原因是过去较长一段时间内,错误地认为超引力理论在考虑较低阶的量子修正时就出现了不自洽。近些年来这个错误得到了纠正,恢复了超引力理论作为一个有效量子场论的应有地位,从而确认了它的历史作用。
 
我们后面还会谈到,超引力理论把超对称性用于引力,如果被实验证实,将深刻地改变人类对时空、几何本身的观念。
 
尽管超引力理论在数学上已经实现,但是物理上是否实现,还需要将来的检验。
 
知识分子:为什么超引力理论在物理上还没有实现?
 
吴咏时:超引力理论的实验检验还需要进一步的深入研究。因为这个理论涉及的物理学的能量尺度相当高,它所涉及的空间距离的尺度却非常小。
 
现在我们在实验上能够检验的是粒子物理的标准模型,比如希格斯粒子的发现,它的能量尺度恰好可以在欧洲 CERN 的大型强子加速器上被检验。超引力理论的能标要高很多倍,为10^19GeV;而大型强子加速器是1TeV(10^3GeV),两者相差了10^16(即一亿亿)倍。从能标来看,这个验证道路还很遥远。
 
然而并不是完全没有可能。有一个办法,就是在早期的宇宙学或者在粒子天体物理的观测里,看是否有可能性。因为最近几年大家才开始认可超引力理论,所以做这方面理论和实验结合的探讨的人很少。我相信这次基础物理学的突破奖发给超引力以后会掀起一个热潮,来探索早期宇宙学和粒子天体物理学里的超引力效应,将来也许还有可能得到实验上的检验。
 
知识分子:为什么说超引力理论的验证来自于引力微子的发现?
 
吴咏时:另一个办法是,寻找引力微子。
 
超引力理论的一个基础是超对称性。据此,基本粒子的种类应该有半整数自旋和邻近整数自旋成对出现的这种特点。物理术语上,整数自旋的粒子叫玻色子,半整数自旋的叫费米子。比如中微子,它是半整数自旋1/2,和电子、质子、中子的自旋是一样的。我们熟悉的其他粒子中,光子的自旋是1,胶子还有弱相互作用的中间玻色子,自旋也都是1;也就是说,在粒子物理的标准模型当中,传递相互作用的这些粒子都是自旋为1的玻色子。超对称的特点是:每一种玻色子有一种费米子作为超(对称)伙伴,每一种费米子有一种玻色子作为超伙伴。
 
将超对称用于时空,除了普通的(玻色性的)维度外,时空还应该有费米性的维度。具体说来,在广义相对论量子化之后,就要有引力子,它的自旋是2;引力子也应该有它相应的超伙伴,称为引力微子,自旋应为3/2。目前实验上我们还没有找到引力微子。在欧洲 CERN 的大型强子加速器上也还没找到粒子物理标准模型中的任何粒子的超伙伴。因此,整个超对称性还没有得到实验的验证。观念上,引力微子属于暗物质的范畴,是暗物质粒子的一个可能的候选者。如果在寻找暗物质粒子时发现了自旋3/2的引力微子,那将是对超引力理论的重大实验验证。
 
知识分子:中国提出的大型环形正负电子对撞机项目可以实现引力微子的验证吗?
 
吴咏时:我个人认为实现的机会太小了。因为超引力的能标太高了。
 
即使考虑到超对称性破缺的能量尺度可能低一些,我还是觉得在近期可建成的任何加速器看到引力微子的机会都很小。我个人比较悲观的原因就是能标相差太大。大型加速器发展周期长,2014年 CERN 大型强子加速器设备升级,但能量也只提高了一倍,也就是1变成2。达到超引力的能标需要增加现有加速器能量达10的16次方倍,即1后面16个0。这意味着要增加一亿亿倍。太难了。
 
但这不意味着粒子天文学实验中一定看不到。其实太阳中微子穿过地球的数量还挺高的,但是因为它相互作用很微弱,所以不易测到。但是测不到,不代表它不存在。数量多了,就有机会测到。
 
知识分子:这能否说明,物理学的发展在某种程度上到达了一个瓶颈?
 
吴咏时:现在国内网上时而看到这种言论。我个人的看法是:对特定的子领域,可能暂时会有这种状况;但从整个物理学来讲,这种说法是不对的。
 
比如现代物理学在凝聚态物理的各个子领域,无论理论前沿和实验探索都有许多重要的进展,发展前景可观。特别是拓扑物态的发现及其相变的研究,在理论方面和应用方面都有可能带来更多新的重要的突破,并对数学的发展有重大的促进作用。专业领域的研究人员对此看法都很乐观,唱衰的言论大多来自非专业人士。
 
在国外的粒子物理学领域,特别是粒子天文学和粒子天体物理,年青一代对于超出标准模型的实验,投入了很大精力去研究和探索。国内这方面工作的人原来比较少一些,但是近些年来也在不断发展,引进了新的人才。比如锦屏极深地下暗物质实验室,还有暗物质粒子探测卫星 “悟空”,都积极开展了相关方面的研究。
 
致谢:感谢张富春、祁晓亮对采访给予的帮助,感谢金庄维对本文的修改意见。
 
参考文献:
 
[1] https://breakthroughprize.org/Prize/1
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