物理规律大统一 只差一个超引力？

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。