300 万美元的科学大奖，颁给了这个未被验证的物理学理论
2019 年基础物理特别突破奖，被授予超引力理论的三位提出者。超引力理论是统一自然界基本相互作用的一种理论，诞生于 20 世纪 70 年代，如今已深刻改变了粒子物理学的面貌。有人认为他们的获奖实至名归，但也有人对此提出了质疑，甚至理论提出者们自己也不太确信能否看到它被验证的那一天。
左起：物理学家 Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara、Daniel Freedman。三人因超引力理论方面的研究工作获得 2019 年基础物理特别突破奖。图片来源：CERN
来源 Scientific American
撰文 Philip Ball
翻译 戚译引
2019 年基础物理特别突破奖被授予超引力理论（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。
超引力理论诞生于 20 世纪 70 年代，尝试对自然界的四种基本相互作用进行统一，意图弥合物理学中两大最基本理论的分歧：描述原子、粒子的微观世界的量子力学，与描述引力及其在宇宙尺度上作用的广义相对论。
伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的 Michael Duff 从 20 世纪 70 年代起研究量子引力理论，他认为三人的获奖“实至名归”。尽管超引力理论提出四十年来，仍然没有实证表明该理论是正确的，但是基础物理特别突破奖过去常常颁发给这样缺少实验证据的理论，与诺贝尔奖形成了鲜明的对比——诺奖只颁发给已得到验证的理论。
玩转超对称
超引力理论的诞生是为了找到一种简单、一致的方式，以解释自然界存在的粒子和基本相互作用。目前所有的粒子都被纳入粒子物理标准模型的框架之中，随着 2012 年 CERN 的大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯玻色子，这个模型也得以完成。
标准模型中的三种基本相互作用——电磁相互作用，以及作用于原子核内部的强相互作用和弱相互作用，也已经被纳入量子力学的一个分支理论，即量子场论。根据量子场论，这三种基本相互作用表现为费米子之间玻色子的交换。所有的粒子都具备一个量子力学特征，称为自旋，玻色子的自旋为整数（0、1、2等等）。组成光、携带电磁力的光子，以及传递强相互作用的胶子都属于玻色子。而费米子包含电子和夸克（原子核中组成质子和中子的粒子），自旋为半整数（如 1/2、3/2 等等）。
粒子物理标准模型。图片来源：CERN
但标准模型并未包含第四种相互作用——引力。即便如此，学界早已同意应当存在一种对应引力的玻色子，称为引力子，其自旋为 2。Sergio Ferrara 指出，2015 年的引力波观测（同样获得了突破奖，还拿到了诺奖）基本证实了这一观点。
20 世纪 70 年代初，多名研究者独立提出，玻色子和费米子之间可能存在一种基本的对称关系，即超对称。按照这种观点，在宇宙之初大爆炸刚刚发生的时候，同一种粒子通过“对称性破缺”过程分裂为两个大家族，就像河流分出支流一样。超对称理论预言，每种已知的粒子都存在一种未被发现的超对称伴子，例如玻色子的伴子是“超玻色子”（bosino），而胶子对应“胶微子”（gluino）。
1975 年，Freedman 认识到，超对称理论能够进一步延伸，以将引力囊括其中。这意味着引力子也存在一个超对称伴子，名为引力微子（gravitino），理论预测它的自旋为 3/2。接下来，他和纽约州立大学石溪分校的 van Nieuwenhuizen 合作探索这一问题。而让这一理论初步成型的是一次学术拜访——Freedman 在巴黎遇到了当时就职于 CERN 的 Ferrara。Freedman 说，第二年回到美国的时候，“我以为接下来只要两个星期，我就能完成这项研究。然而事实并非如此。”
事实上，他和 van Nieuwenhuizen 又花了好几个月进行繁复的计算，有时还要使用布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的计算机。为了使理论成型，他们需要证明那些复杂的方程里大约 2000 个项都能被约化到零。Van Nieuwenhuizen 还记得布鲁克海文打电话告知他们结果的那个晚上——一个接一个，所有的项都变成了 0。他说：“我的人生在那天晚上彻底改变了。”接下来，Freedman、van Nieuwenhuizen 和 Ferrara 在 1976 年发表了这个理论。
在 80 年代，理论中的一些思想催生了超弦理论。这是弦论的一个分支，弦论认为所有的粒子都能被表现为振动的一维的弦，而超弦理论在此基础上结合了超对称理论。CERN 的粒子物理学家 John Ellis 说：“超对称理论和超引力理论是这个雄心勃勃的理论中的两个关键元素，这个理论的目的是用弦构建一个一致的引力量子理论。”
许多研究人员都会同意 Ellis 的观点：弦论是实现量子引力最有希望的理论。这无疑是突破奖先前奖励弦论研究工作的原因。但是，尽管科学家们进行了深入的探索，弦论仍然无法提出任何目前能够验证的预言，因为它所需的能量太大了，现有的粒子对撞机实验无法实现。这样的窘境引发了一场激烈的争论——弦论到底能不能被认为是“真正的科学”？
LHC 对撞机。图片来源：CERN
但是，如果超对称弦论是正确的，那么超引力理论也是正确的。Freedman 解释，后者正是前者在相对较低能量下的体现，就像牛顿力学和引力是爱因斯坦广义相对论在低能量的体现一样。
先前获得突破奖的一些研究进展就建立在超引力理论之上，例如已故物理学家 Stephen Hawking 对黑洞热力学的研究（获得 2013 年突破奖特别奖）；还有 AdS/CFT 对偶（anti–de Sitter/conformal field theory correspondence），这是普林斯顿高等研究院（Institute for Advanced Study in Princeton）物理学家 Juan Maldacena 于 1997 年提出的理论，将弦论和量子场论联系起来。超引力理论所预言的引力微子也被认为是暗物质的一种候选物质，宇宙中暗物质的量被认为是可见物质的 5 倍，而我们仍然对它知之甚少。“从70年代末到80年代初，每一个进展都与超引力有关，”前物理学家、作家 Graham Farmelo 说，他的书《宇宙用数字说话》（The Universe Speaks in Numbers）探索了弦论，于 2019 年出版。
等待突破
由于 LHC 没能找到它所预言的粒子的相关证据，超对称理论受到了抨击。但是 Duff 认为这样的失败没有在任何意义上表明理论的基本思想是错误的。他指出：“超对称究竟会发生在怎样的能量水平，弦论对此没有作出预测。”而这可能比目前实验所能达到的能量要高出许多。“超对称理论仍然充满活力，而超引力理论就是它的核心，”Duff 说。
并且，一些人觉得诺贝尔奖委员会对实验证据的要求已经越来越不合时宜。Farmelo 认为，突破奖的立场“在长期看来将是更明智的选择”。例如，一些研究人员认为诺奖委员会欠霍金一个奖项，霍金在 70 年代对黑洞的热力学进行了研究，如今他的理论已经被广泛认为是正确的。
曾经的突破奖得主 Andrei Linde 如今已经是颁奖委员会的一员，他表示委员会的目标是“表彰杰出的思想”。他补充说，“如果一个简洁有力的思想能让几千人得到启发”，那么这种影响力就值得被认可，无论它是否得到了实验的证明。为了证明这一立场，他指出，尽管超引力理论主要描述粒子物理，“但是我作为一个宇宙学家，我也在使用它”。
Ellis 说：“让不同的奖项奖励科学的不同方面，我认为这是很好的。我感觉，诺贝尔奖有时候表彰的是做实验的人，而不是那些提出了背后理论的人。”
突破奖基础物理学奖由发明家、慈善家 Yuri Milner 成立于 2012 年。与每年颁发的突破奖不同，这是一个“特别的”奖项，能够在任何时间“额外颁发”。突破奖也越来越被人们视为与诺奖平起平坐的奖项，不仅是因为它奖金数额更高（诺奖奖金约为 100 万美元），也因为它的声誉。Ferrara 说，突破奖委员会由世界知名的专家构成，这令该奖项“有了一些特别之处”，并使之成为“我的事业中最重要的奖项”。而对于 Freedman 而言，“这是无可比拟的，这次获奖是我漫长职业生涯的巅峰”。
Van Nieuwenhuizen 从突破奖委员会成员、2012 年获奖者之一的著名弦论物理学家 Ed Witten 那里得知了喜讯。他说：“当时我在家里，看到屏幕上跳出来一条来自 Ed 的信息。我很担心他会问我什么关于超引力的难题，让我答不上来。”但是当 Witten 打电话告诉他发信息的原因时，他简直说不出话来。后来他说：“我知道我们曾经在候选名单上，但是我已经完全放弃了获奖的希望。”
这个决策一个可能有争议的地方在于，超引力理论还有其他的独立提出者，那就是超对称研究先驱 Bruno Zumino，和布兰迪斯大学（Brandeis University）的 Stanley Deser。两人也在 1976 年发表了论文，这引发了一些优先权方面的争议。Zumino 已经于 2014 年去世，而 Duff 指出，Deser 并未获奖这点令人困惑，因为奖项没有限制获奖者的名额。
Linde 承认，除了这一问题之外，考虑到超引力的重要性，它的提出者们没有更早得奖也令人惊讶。但是让理论接受检验会怎么样呢？Farmelo 说，如果探测到任何一个超对称粒子，都能有力表明该理论是正确的，因为时空对称性是广义相对论中描述引力的基础，而超对称理论被认为是“延伸时空对称性唯一可能的方式，确保它是量子-机械的”。
决定性的证据将来自于引力微子的发现。“那将是了不起的进展，”Freedman 说，但他也承认实现起来极其困难，因为根据理论预言，引力微子与其他粒子之间的相互作用极其微弱。Ferrara 表示我们要有耐心，例如希格斯玻色子在理论预言提出五十年后才被发现。对于像引力微子那样的超对称粒子，“我们还需要几十年的时间”，才能确认理论的成熟。
中国规划中的对撞机将实现高于 LHC 的能量， Van Nieuwenhuizen 希望它能证实超对称粒子的存在。他打赌自己活着看到这件事的概率大约是 50%。不过对于理论的支持者而言，超对称和与之相伴的超引力理论不仅是很有希望的，甚至可以说是必然的。
而 Freedman 说：“我认为那个自旋 3/2 的粒子（引力微子）一定存在于大自然中。”但他也对《卫报》表示：“我们在经历一段非常艰难的时期。我并不乐观。我不再鼓励学生进入粒子理论物理学的领域，还好他们不听我的。”
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