1.
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（Edward Witten）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。
为什么要把这一奖项授予这样一个未被验证的理论？突破基金会的创始人Yuri Milner在几年前就曾表示：“这一奖项是对智力成果的一个肯定，有时候这可以是提出了一个开创性的问题，并不是只颁发给那些给出答案的人。这是和诺贝尔奖的一个重要区别。”
为了了解什么是超引力，我们需要回到上个世纪60和70年代。
2.
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。
○ 四种基本力。
标准模型中包含了两种类型的粒子——玻色子和费米子。这两类粒子的区别在于它们有不同的“自旋”，或者说是角动量。夸克、轻子和所有的复合粒子都属于费米子，它们都具有半整数的自旋，如1/2、3/2。而希格斯粒子、胶子和其他玻色子则具有整数自旋，如0、1等等。这看起来似乎只是一个非常微小的区别，但其实它会导致两种粒子在行为上出现巨大的差异。例如，费米子是构成普通物质的粒子，而玻色子则是携带力的粒子（比如强核力就是由胶子传递的）。
○ 标准模型中的基本粒子，包括上夸克(u)、下夸克(d)、电子(e)、中微子(ν)、W和Z玻色子等。
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：
因此，物理学家一直在努力地想要改进标准模型。其中一个绝妙的思想出现在1973年。当时，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”。
于是，他们三人共同提出了超引力理论，将广义相对论和超对称结合在一起。在这个理论中，他们引入了引力微子（gravitino）。引力微子是一种自旋为3/2的假想粒子，它是引力子（graviton）的超对称伙伴。引力子是一种用来传递引力的假想玻色子，就像电磁力是由光子传递的。
○ 物理学家的最终目标是统一四种基本力。
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。”
○ 从左到右：Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara 和 Dan Freedman。2016年，三人在CERN举办的庆祝超引力40周年的会议上留下合影。| 图片来源：S Bennett/CERN
3.
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。
Milner说：“当我们提到由人类的想象力创造的伟大作品时，我们通常会想到艺术、音乐和文学。但一些最深刻、最美丽的作品却是由科学家所创造的。几十年来，超引力一直激励着物理学家们，它可能蕴含着关于现实本质的深刻真理。”
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。
Ferrara在一篇文章中写道：“对超引力中的超对称性破缺拥有更深入的理论理解，在现如今看来显得至关重要。在打破超对称性的过程中，我们面临着许多重要的概念上的挑战：由此产生的真空会深受量子涨落的影响，因而也影响到那与暗能量和宇宙常数有关的这些旧难题上。甚至有迹象表明，这种类型的研究或许能有助于阐明弦理论的核心，而且超引力也可能与暗物质有关，因为暗物质或许是由引力微子或其他超轻粒子伙伴组成的。我们相信，超引力将再次引领我们走得更远。”
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。”
参考来源：
https://breakthroughprize.org/News/53
https://www.space.com/supergravity-discovery-physics-breakthrough-prize.html
https://cerncourier.com/a/supergravity-pioneers-share-dollar-3m-breakthrough-prize/
发表于 2019-8-11 00:52
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