 從左至右分別為Nieuwenhuizen、Ferrara和Freedman。（圖片來源：CERN） 2019年8月6日，美國“科學突破獎”遴選委員會宣布，本年度的“基礎物理學特別突破獎”授予超引力理論的三位提出者，他們分別是歐洲核子研究中心的Sergio Ferrara、美國麻省理工學院和斯坦福大學的Daniel Z. Freedman，以及美國紐約州立大學石溪分校的Peter van Nieuwenhuizen，三位得獎者將分享300萬美元獎金，以表彰他們“將量子變量引入對時空幾何的描述中”。這篇文章將詳細解讀三位科學家提出的超引力理論，以及該理論在宇宙學與數(shù)學中的作用。 撰文 | 張華 從超對稱到超引力 要理解超引力理論，首先要理解超對稱，因為超引力是將超對稱應用到引力中產生的。而在理解超對稱之前，我們先從物理學家所謂的“對稱”說起。 從數(shù)學角度來說，對稱性往往組成一個群。比如，把一個正方形放在二維平面內，那么我們可以繞著正方形的中心旋轉90度。旋轉前后，正方形是重合的。所以，這種操作就構成了正方形的一個對稱操作。把所有這樣的對稱操作（比如繞中心轉180度也是一個對稱操作）看成一個集合，那么這個集合就構成了正方形的對稱群。 超對稱也是一種對稱性，它其實是物理上的場之間的對稱性。如果把兩個物理場分別看成是“正方形”與“圓”，那么，存在一個超對稱變換，它可以把“正方形”變成“圓”，也可以把“圓”變成“正方形”，但在這種變換下，整個物理系統(tǒng)的基本性質保持不變。 多年來一直從事超對稱研究的鄭州大學物理與工程學院教授王飛告訴《環(huán)球科學》：“超對稱一開始是由Gervais和Sakita提出來的，當時考慮的是弦的世界面上的超對稱，還不是時空中的超對稱?！彼^的世界面是一個二維曲面，它是一根一維的弦在時空中掃出的軌跡。 對于世界面上的超對稱，哈佛大學數(shù)學系博士后谷偉在接受采訪時表示：“世界面上可以存在標量場與費米子，從而可以定義超對稱，當然也有可能是其他的物理場。這取決于你研究的問題。世界面上的超對稱只是提供最簡單的模型。” 所以，超對稱一開始是沒有與弦論聯(lián)系在一起的。弦論是一個著名的量子引力理論，只不過在超對稱剛出現(xiàn)的時候，弦論也剛剛起步，兩者之間的聯(lián)系還很不清晰。后來超對稱與弦論完全結合起來，就變成了“超弦”理論。 1973年，Yuri Golfand等人把弦的世界面上的超對稱思想應用到四維時空的量子場論中，超對稱理論也正式從二維走向了四維。這些物理學家發(fā)現(xiàn)超對稱可以交換玻色子和費米子，因為玻色子是傳遞力的，而費米子是組成物質世界的粒子，“所以超對稱把力與粒子放在了平等的位置上。”中國科學院理論物理所的楊金民研究員說。 超對稱性一開始并不包括引力。Ferrara、Freedman和van Nieuwenhuizen在1975年開始試圖把超對稱與引力結合起來。Ferrara和Freedman首先在巴黎高等師范學院開展研究。后來，二人向紐約大學石溪分校的van Nieuwenhuizen發(fā)出了邀請，三個人開始一起研究超引力。他們三人共同提出了超引力理論，將廣義相對論和超對稱結合在一起。 引力微子 從牛頓到愛因斯坦，科學家一直在探究引力的本質?？茖W家一直試圖了解引力的量子側面。因為在實驗中，引力子還沒有被探測到，所以引力到底可不可以量子化一直是一個謎。 20世紀70年代，物理學家分為兩派。其中一派繼承了愛因斯坦的觀點，認為引力是一種純幾何效應，沒有對應的粒子。而另外一派則認為，引力可以解釋為平坦時空上自旋為2的量子粒子的傳播，這種自旋為2的粒子，就被稱為引力子。 但是，沒有人知道引力子的量子理論應該是怎樣的。因為對引力的量子化過程中存在難以克服的無窮大，這成了一個很大的難題。 為了克服這個困難，物理學家開始尋找新的路徑。他們將引力子的點粒子模型進行了推廣，得到了所謂的弦論。但弦論只在26維中成立，并且有很多理論困難，于是物理學家將超對稱與弦論完全結合起來，形成“超弦”理論。在超弦中，如果把弦的長度的取極限趨向于零，就可以得到一個引力子的量子理論，這時的量子引力理論，就沒有無窮大了。 因為超弦理論本身是超對稱的，所以超弦理論的低能有限引力理論就是超引力。在超引力理論中，F(xiàn)errara等人認為引力是由平坦時空上的自旋為2的粒子傳遞的，這就是引力子，這是一種玻色子。存在一種超對稱變換，把這個自旋為2的玻色子變成自旋等于3/2的費米子——這個費米子被稱為引力子的超對稱伴侶，取名叫“引力微子”。 如果超對稱是嚴格未破缺的，那么這種“引力微子”應該與引力子一樣，都是無質量的粒子。 王飛說：“引力微子可以吃掉超對稱破缺產生的哥德斯通微子（Goldstino），從而獲得質量。” 因此，目前看來，超對稱作為一種對稱性肯定是破缺的，“引力微子”不可能是零質量的，它可能具有很大的質量，甚至大于希格斯粒子的質量。因為在巨型對撞機里已經找到了希格斯粒子，但沒有找到引力微子，那么其中一種可能是因為引力微子的質量極大——根據愛因斯坦的相對論質能公式，質量等價于能量，所以找到質量越大的粒子，需要越高能量的對撞機。 超引力與宇宙學 那么，超引力作為一種引力理論，對宇宙學的發(fā)展又有什么啟示呢？ 宇宙的演化是受到引力的控制的。在超引力理論誕生之前，愛因斯坦把自己的引力理論與宇宙學結合起來，他引進了宇宙學常數(shù)。目前的天文觀測表明，我們的宇宙具有正的宇宙學常數(shù)，這個正的常數(shù)驅動了宇宙的加速膨脹。 但是，天津大學物理系教授吳俊寶告訴《環(huán)球科學》：“嚴格超對稱的超引力給出非正的宇宙學常數(shù)。”這意味著什么？嚴格的超對稱肯定在宇宙尺度上破缺了。換句話說，如果超對稱是嚴格成立，那么我們的宇宙不應該是加速膨脹的。 所以，從宇宙學的意義上來說，超對稱是破缺的，因此超引力在宇宙學上就可能是不對的。這也給超引力理論涂上了“不夠現(xiàn)實”的色彩。 一種可能的理論是，大爆炸時的宇宙可能是超對稱的。此后，隨著宇宙溫度的降低，超對稱破缺了，現(xiàn)在的暗物質可能就是超對稱破缺以后的殘余產物。例如，一種名為“中性微子”的暗物質候選者，可能就是引力微子。 超引力理論看起來有點像是一個物理上的空中樓閣，當然如果把它當作一個數(shù)學理論，它可以解決很多數(shù)學問題。 超引力限制時空維度 超引力作為一個偏數(shù)學的理論，它可以在任意時空維度中存在嗎？ 吳俊寶說：“超引力在不超過十一維時都可以存在，但在超過十一維的閔氏時空中，超對稱必然導致自旋大于2的無質量粒子，這會造成平直時空的不自洽?！?/span> 所以，超引力理論對時空的維度提出了限制。如果超引力是對的，那么我們的時空肯定在11維以下。11維的超引力理論是威騰提出的M理論的一部分，在M理論中，時空就是11維的。  M理論包含了不同版本的弦論，以及11維的超引力理論。 超引力看起來是一個數(shù)學理論，但它在物理學的發(fā)展中曾經起到過一些作用，威騰在1981年證明廣義相對論的正質量猜想的時候，就曾經用到了超引力理論作為工具。所以，超引力理論得到“基礎物理學特別突破獎”，也說明這一理論雖然沒有實驗檢驗，但其理論價值不可低估。 《環(huán)球科學》8月新刊現(xiàn)已上市 |
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