引力 + 超对称 = ？

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 。

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：

• 它无法将引力囊括到这个框架中，目前描述引力最完美的理论是爱因斯坦的 广义相对论 ；

• 许多粒子的实际质量远低于标准模型的预测质量；

• 它也无法解释遍布在宇宙中的 暗物质 。

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。