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人类距离物理规律大统一只差一个超引力?

来源:科技日报2019-09-16 08:24
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  图片来源于网络

  近日,美国基础物理学突破奖遴选委员会宣布,将2019年“基础物理学特别突破奖”授予超引力理论的3位提出者塞尔吉奥·费拉拉、丹尼尔·弗里德曼,以及皮特·范尼乌文赫伊曾,3人将分享300万美元奖金。

  众所周知,相对论揭示了宇宙运动的规律,量子力学则阐述着微观世界的原理。可超引力理论的诞生,恰恰就是为了弥合这两者的分歧,使宇宙之浩渺与粒子之微小能用统一的物理规律解释。

  物理规律大统一,必须“驯服”引力

  中科院理论物理所研究员杨金民告诉科技日报记者:“全世界物理学家的终极梦想就是能有一个‘大统一理论’,描述物理世界的所有规律。”

  2016年,杨金民研究员和王飞教授在《科学通报》杂志上发表了题为《爱因斯坦的未竞之梦:物理规律的大统一》的文章,梳理了一代代物理学家为统一物理规律做出的努力。

  牛顿实现了天与地的统一。他提出了运动三定律,发现了万有引力,描述质点的运动规律,并且分别计算了地球上的抛物运动和宇宙中的行星轨道,前者符合伽利略的观察结果,后者与开普勒定律一致。

  在经典物理的发展过程中,人们逐渐认识到电作用、磁作用以及静电力和磁力的相似性。直至麦克斯韦提出关于电场、磁场的统一描述——麦克斯韦方程组,并预言光是一种电磁波。人类才首次实现了电磁力的统一。

  上世纪初,科学家发现了把质子、中子束缚在原子核中的强力以及引发原子核衰变的弱力。到了60年代,哈佛大学物理学家萨拉姆等人提出了电弱理论,通过量子化达成了电磁力和弱力的统一。

  后来,科学家们以量子电动力学、电弱理论和量子色动力学为基础构建了基本粒子的标准模型,虽然模型中存在粒子质量高于实际质量、无法解释暗物质等问题,但仍不失为对电磁力、弱力、强力统一的基本规律的一种理论描述。

  1978年,弗里德曼和范尼乌文赫伊曾在《科学美国人》杂志撰文写道,宇宙中的粒子通过引力、电磁力、强力和弱力4种基本力相互作用,物理学最雄心勃勃的目标就是找到一种简单的基本规律,统一四种基本力。历史表明,物理学正在逐渐向统一的方向发展。

  可在统一的趋势中,引力却一直游离之外。物理学家们要想得到“大统一理论”,必须驯服引力这匹桀骜的“野马”。

  乘“超对称”之东风,超引力应运而生

  “将引力纳入统一物理规律的方法,就是将其量子化。” 杨金民谈到,因为电磁力、弱力、强力正是通过量子化才能形成标准模型统一描述,所以引力应该也不例外。

  杨金民介绍,晚年的爱因斯坦用了20年试图统一物理规律,但他并未选择引力量子化,而是寻求引力与电磁力的统一,最后以失败告终。这也在一定程度上证明,引力量子化才是最可能实现统一物理规律的路线。

  既然路线已定,为什么统一引力依旧很难?那是因为这个引力,早已不是牛顿时代的引力。1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,1915年,进一步建立广义相对论,成为新的引力理论。广义相对论中时空会因物质弯曲,量子力学则是在平直时空中描述,时空不同,二者的统一自然十分艰难。

  就在物理学家们为量子化广义相对论头疼时,超对称理论送来一剂良药。

  由于标准模型存在漏洞,科学家们一直力图改进。1973年,物理学家朱利叶斯·韦斯和布鲁诺·祖米诺提出了一种新概念的时空对称理论——“超对称”,它认为每个基本粒子都有一个对应的“伙伴”,如每个玻色子都伴随一个“超费米子”,而每个费米子又都伴随一个“超玻色子”。神奇的是,看似更复杂的超对称理论却有效改进了标准模型的诸多不足之处。

  事实上,超对称理论在提出之时并未考虑引力因素,但却为费拉拉、弗里德曼、范尼乌文赫伊曾3人提供了灵感。具体而言,一般情况下,物理学家通过引入引力子的概念来量子化引力,弗里德曼等人受超对称的启发,为引力子增加了一个伙伴——引力微子,正是这一创新直接催生了超引力理论。随后,他们通过计算机编程计算检验了这一理论的科学性。1976年,超对称问世仅仅3年后,超引力横空出世,震惊整个理论物理学界。

  超引力仍需验证,大统一或靠“超弦”

  “引力量子化曾被称为21世纪最大的科学难题,相比‘圈引力’等理论,超引力最有可能解决这一难题,这也是其此次获奖的原因。”杨金民谈到,之所以是“可能”,原因在于超引力理论还没有得到实验物理学证实。

  范尼乌文赫伊曾说,证实超引力的关键是发现超对称粒子。到现在为止,芝加哥的费米实验室、日内瓦附近的欧洲核子研究中心都没有发现超对称粒子。“据说中国要建设新的加速器,我们拭目以待。”

  很多人不禁要问,怎样通过高能加速器发现超对称粒子呢?

  杨金民称,事实上,全球现有加速器因为能量不足很难直接打出超对称粒子,但我们可以通过间接手段验证超对称理论是否成立。加速器通过粒子对撞产生“希格斯粒子”,而希格斯粒子与超对称理论紧密相关。我们可以使用“希格斯粒子工厂”精确测量希格斯粒子的性质,判断其与标准模型是否有所差别,从而推断超对称理论是否成立。如果间接验证成功,人类可以建设更大规模的加速器,争取直接打出超对称粒子获得直接验证。

  那么,科学家有没有可能借助加速器发现引力微子,为超引力理论提供最直接的证明呢?

  杨金民介绍,在对撞机实验中,引力微子表现为“丢失的能量”,是不可见的。但如果加速器能够产生超对称粒子,这些粒子最终都会衰变成质量最低的引力微子,而衰变的过程会产生希格斯粒子等可见粒子,我们同样可以通过观察这些可见粒子推断引力微子是否真的存在。

  超引力理论问世40多年,人类在大统一理论上已经有了新的发展。杨金民告诉记者,现在,有着“现代爱因斯坦”之称的美国物理学家威滕领衔的“超弦理论”被认为最有希望成为终极大统一理论。该理论认为,自然界的基本单元不是粒子,而是很小很小的“弦”,弦的不同振动模式产生出各种不同的基本粒子。威滕等人已经证明超引力理论恰是超弦理论的低能近似,换句话说,超弦理论统一了超引力理论。

  “然而,‘明日之星’的超弦理论也同样未获得实验证实,未来物理规律的大统一之路还需继续探索。”杨金民说。胡定坤

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