實習記者 胡定坤
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近日，美國基礎物理學突破獎遴選委員會宣佈，將2019年“基礎物理學特別突破獎”授予超引力理論的3位提出者塞爾吉奧·費拉拉、丹尼爾·弗裡德曼，以及皮特·範尼烏文赫伊曾，3人將分享300萬美元獎金。
眾所周知，相對論揭示了宇宙運動的規律，量子力學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一的物理規律解釋。
物理規律大統一，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報記者：“全世界物理學家的終極夢想就是能有一個‘大統一理論’，描述物理世界的所有規律。”
2016年，楊金民研究員和王飛教授在《科學通報》雜誌上發表了題為《愛因斯坦的未競之夢：物理規律的大統一》的文章，梳理了一代代物理學家為統一物理規律做出的努力。
牛頓實現了天與地的統一。他提出了運動三定律，發現了萬有引力，描述質點的運動規律，並且分別計算了地球上的拋物運動和宇宙中的行星軌道，前者符合伽利略的觀察結果，後者與開普勒定律一致。
在經典物理的發展過程中，人們逐漸認識到電作用、磁作用以及靜電力和磁力的相似性。直至麥克斯韋提出關於電場、磁場的統一描述——麥克斯韋方程組，並預言光是一種電磁波。人類才首次實現了電磁力的統一。
上世紀初，科學家發現了把質子、中子束縛在原子核中的強力以及引發原子核衰變的弱力。到了60年代，哈佛大學物理學家薩拉姆等人提出了電弱理論，透過量子化達成了電磁力和弱力的統一。
後來，科學家們以量子電動力學、電弱理論和量子色動力學為基礎構建了基本粒子的標準模型，雖然模型中存在粒子質量高於實際質量、無法解釋暗物質等問題，但仍不失為對電磁力、弱力、強力統一的基本規律的一種理論描述。
1978年，弗裡德曼和範尼烏文赫伊曾在《科學美國人》雜誌撰文寫道，宇宙中的粒子透過引力、電磁力、強力和弱力4種基本力相互作用，物理學最雄心勃勃的目標就是找到一種簡單的基本規律，統一四種基本力。歷史表明，物理學正在逐漸向統一的方向發展。
可在統一的趨勢中，引力卻一直遊離之外。物理學家們要想得到“大統一理論”，必須馴服引力這匹桀驁的“野馬”。
乘“超對稱”之東風，超引力應運而生
“將引力納入統一物理規律的方法，就是將其量子化。” 楊金民談到，因為電磁力、弱力、強力正是透過量子化才能形成標準模型統一描述，所以引力應該也不例外。
楊金民介紹，晚年的愛因斯坦用了20年試圖統一物理規律，但他並未選擇引力量子化，而是尋求引力與電磁力的統一，最後以失敗告終。這也在一定程度上證明，引力量子化才是最可能實現統一物理規律的路線。
既然路線已定，為什麼統一引力依舊很難？那是因為這個引力，早已不是牛頓時代的引力。1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，1915年，進一步建立廣義相對論，成為新的引力理論。廣義相對論中時空會因物質彎曲，量子力學則是在平直時空中描述，時空不同，二者的統一自然十分艱難。
就在物理學家們為量子化廣義相對論頭疼時，超對稱理論送來一劑良藥。
由於標準模型存在漏洞，科學家們一直力圖改進。1973年，物理學家朱利葉斯·韋斯和布魯諾·祖米諾提出了一種新概念的時空對稱理論——“超對稱”，它認為每個基本粒子都有一個對應的“夥伴”，如每個玻色子都伴隨一個“超費米子”，而每個費米子又都伴隨一個“超玻色子”。神奇的是，看似更復雜的超對稱理論卻有效改進了標準模型的諸多不足之處。
事實上，超對稱理論在提出之時並未考慮引力因素，但卻為費拉拉、弗裡德曼、範尼烏文赫伊曾3人提供了靈感。具體而言，一般情況下，物理學家透過引入引力子的概念來量子化引力，弗裡德曼等人受超對稱的啟發，為引力子增加了一個夥伴——引力微子，正是這一創新直接催生了超引力理論。隨後，他們透過計算機程式設計計算檢驗了這一理論的科學性。1976年，超對稱問世僅僅3年後，超引力橫空出世，震驚整個理論物理學界。
超引力仍需驗證，大統一或靠“超弦”
“引力量子化曾被稱為21世紀最大的科學難題，相比‘圈引力’等理論，超引力最有可能解決這一難題，這也是其此次獲獎的原因。”楊金民談到，之所以是“可能”，原因在於超引力理論還沒有得到實驗物理學證實。
範尼烏文赫伊曾說，證實超引力的關鍵是發現超對稱粒子。到現在為止，芝加哥的費米實驗室、日內瓦附近的歐洲核子研究中心都沒有發現超對稱粒子。“據說中國要建設新的加速器，我們拭目以待。”
很多人不禁要問，怎樣透過高能加速器發現超對稱粒子呢？
楊金民稱，事實上，全球現有加速器因為能量不足很難直接打出超對稱粒子，但我們可以透過間接手段驗證超對稱理論是否成立。加速器透過粒子對撞產生“希格斯粒子”，而希格斯粒子與超對稱理論緊密相關。我們可以使用“希格斯粒子工廠”精確測量希格斯粒子的性質，判斷其與標準模型是否有所差別，從而推斷超對稱理論是否成立。如果間接驗證成功，人類可以建設更大規模的加速器，爭取直接打出超對稱粒子獲得直接驗證。
那麼，科學家有沒有可能借助加速器發現引力微子，為超引力理論提供最直接的證明呢？
楊金民介紹，在對撞機實驗中，引力微子表現為“丟失的能量”，是不可見的。但如果加速器能夠產生超對稱粒子，這些粒子最終都會衰變成質量最低的引力微子，而衰變的過程會產生希格斯粒子等可見粒子，我們同樣可以透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，人類在大統一理論上已經有了新的發展。楊金民告訴記者，現在，有著“現代愛因斯坦”之稱的美國物理學家威滕領銜的“超弦理論”被認為最有希望成為終極大統一理論。該理論認為，自然界的基本單元不是粒子，而是很小很小的“弦”，弦的不同振動模式產生出各種不同的基本粒子。威滕等人已經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驗證實，未來物理規律的大統一之路還需繼續探索。”楊金民說。
