未驗證理論贏得300萬美元！科學突破「特別」獎揭曉
作者 | 唐一塵
Peter van Nieuwenhuizen, Sergio Ferrara和Dan Freedman（從左至右，2016年攝） 圖片來源：CERN
當地時間8月6日，獎金高達300萬美元的基礎物理學特別突破獎宣布授予超引力理論提出者：歐洲粒子物理實驗室（CERN）的Sergio Ferrara、美國麻省理工學院的Daniel Freedman和紐約大學石溪分校的Peter van Nieuwenhuizen。
超引力理論是一種試圖統一所有自然力的理論，在提出40多年後，它能否真實地描述這個世界仍然懸而未決。
儘管如此，它還是為創始人贏得了科學史上最賺錢的獎項之一。
評選委員會主席Edward Witten表示：「超引力的提出是在描述時空動力學時引入量子變數的開始。引人注目的是，愛因斯坦方程可以被推廣成為所謂的超引力理論。」
此前的獲獎者包括霍金、7名CERN科學家（領導發現希格斯玻色子）以及LIGO團隊（探測到引力波）。
第四種力
1976年，Ferrara、Freedman和Van Nieuwenhuizen提出了超引力理論。該理論對普通引力的理解產生了影響，並支撐著物理學家最喜愛的「萬物理論」候選者之一 ——弦理論。
「在過去40年里，超引力在物理學的發展中發揮了超乎尋常的重要作用，在我們探索未知自然的過程中也是如此。」哈佛大學弦理論學家、諾貝爾物理學獎評審委員會成員Andrew Strominger說。
20世紀70年代初，物理學家已經建立了粒子物理學的標準模型。
其中，自然界的4種基本力中，有3種與它們自己的粒子有關：電磁力由光子「攜帶」，束縛原子核的強力是由膠子介導的，而支配放射性衰變的弱力與「W」和「Z」粒子有關。而且，所有這些粒子都已被實驗觀測到。
但是，標準模型並未包含第四種基本力——引力。即便如此，學界早已同意應當存在一種對應引力的玻色子，稱為引力子。
同一時期，多名研究者獨立提出，玻色子和費米子之間可能存在一種基本的對稱關係，即超對稱。
按照這種觀點，在宇宙之初大爆炸剛剛發生時，同一種粒子通過「對稱性破缺」過程分裂為兩個大家族。
也就是說，超對稱理論假設每個已知的粒子都有一個看不見的夥伴：費米子（比如夸克和輕子）都有一個玻色子的超對稱夥伴（比如超夸克和超輕子），以及玻色子（比如光子和膠子）都有費米子超對稱夥伴（比如光微子和超膠子）。超對稱夥伴粒子間的性質幾乎完全一樣，差別僅是自旋相反。
而Ferrara、Freedman和van Nieuwenhuizen從超對稱中獲得了靈感。
他們試圖將引力也納入其中，並為引力子提出一個超級孿生「兄弟」引力微子。
催生超弦理論
Van Nieuwenhuizen曾記得一天晚上，他看著計算機程序嘎吱嘎吱地進行超引力計算。
「一切都檢查過了，所有東西都不能再調整或修改了。有2000個係數都必須為零——它們都是整數，要麼是0，要麼是1或者2，反正不能有0.1、0.2之類的小數。」他回憶道，「如果這些參數裡面任意一個不為0，理論就失敗了，我們就將前功盡棄。」
甚至，因為擔心花銷太多，他們寫程序的時候盡量精簡，最後只用了三四十美元。
「我坐在那裡，越來越緊張。」他說。
但當程序成功地得出結論時，他確信超引力是真實存在的。
Peter van Nieuwenhuizen 圖片來源：紐約大學石溪分校
到20世紀80年代，超引力理論中的一些思想催生了超弦理論。這是弦理論的一個分支。弦理論認為，所有的粒子都能被表現為振動的一維的弦，而超弦理論在此基礎上結合了超對稱理論。
CERN粒子物理學家John Ellis說：「超對稱理論和超引力理論是這個雄心勃勃的理論中的兩個關鍵元素，這個理論的目的是用弦構建一個一致的引力量子理論。」
英國劍橋大學弦理論學家David Tong表示，超引力理論背後的創新是「驚人的」,因為那時粒子物理學家和引力研究人員很少交流。
「在沒有人用電腦做這類事情的時候，該團隊就已經將粒子物理技術應用到引力上，然後進行計算測試了。」Tong說。
「有生之年」可能無法驗證
但是幾十年來，粒子加速器，包括CERN的大型強子對撞機（LHC），都沒有發現任何超對稱粒子或引力微子的跡象，也沒有發現任何弦理論的證據。
而且，弦理論仍然無法提出任何目前能夠驗證的預言，因為它所需的能量太大了，現有的粒子對撞機實驗無法實現。
這就引發了弦理論到底能不能被認為是「真正的科學」的激烈爭論。
Tong說：「這些想法在我們有生之年可能無法驗證。」
儘管超引力理論仍然沒有實證表明是正確的，但是基礎物理學特別突破獎過去就常常頒發給這樣缺少實驗證據的理論，與只頒發給已驗證理論的諾貝爾獎形成了鮮明對比。
Strominger認為，缺乏證據也不應削弱超引力理論的成就。將超引力理論的數學機制引入廣義相對論，使物理學家能證明粒子不可能具有負質量和能量。
Strominger說：「無論自然界是否真的存在超引力，這些結果都是成立的。」
但是，德國法蘭克福高級研究所理論物理學家Sabine Hossenfelder警告說，LHC未能發現超對稱粒子，對超引力理論成為現實的可能性造成了近乎致命的打擊。
她說，獲獎者「在數學方面作出了巨大的貢獻，值得肯定」，「但也許這個獎應該頒給純數學，因為這不是物理學」。
意料之外的大獎
無論有多少爭論，40年後，對於遲來的獎項，3位獲獎者都很吃驚。
「這完全是一個驚喜。」Van Nieuwenhuizen說，「這麼多年，我們一直認為自己有希望獲得這個獎，但是每年都有真正優秀的人摘走它。我已經放棄了希望。」
得知獲獎消息時，Van Nieuwenhuizen剛從荷蘭回國。「當時我正坐在餐桌邊付賬單，電腦上彈出來一條消息，是Edward Witten發給我的。他問我什麼時候方便接電話，電話號碼是多少。」
當時，Van Nieuwenhuizen很擔心Witten會問自己很難的超引力方面的問題。「他很聰明的。我有點兒緊張，因為我可能回答不出來。」
結果，他說：「我是Edward Witten。祝賀你獲得了2020年基礎物理學特別突破獎。」
當時，甚至無言以對的Van Nieuwenhuizen，認為這通電話是自己人生中最短、含金量最高的電話。
一年一度的科學突破獎是目前全球獎金額最高的科學獎，由俄羅斯企業家Yuri Milner、谷歌聯合創始人Sergey Brin和Facebook的Mark Zuckerberg等人於2012年共同創立，中國騰訊公司董事會主席馬化騰之後加入。
中科院院士、中科院高能物理所研究員王貽芳，伯克利國家實驗室教授陸錦標以及大亞灣中微子實驗團隊曾獲2016年基礎物理學突破獎。這是中國科學家和以中國科學家為主的實驗團隊首次獲得該獎項。
兩個直徑5米、高5米、重110噸的中微子探測器被成功安裝在巨型水池中，水池則已逐步灌滿超純水。圖片來源：《中國科學報》
此外，從以前的突破獎獲得者中挑選出來的評選委員會成員還可以頒發特別獎表彰傑出研究。
例如，2013年，斯蒂芬·霍金以其黑洞會釋放輻射的理論——同樣還未經實驗驗證——獲得了基礎物理學特別突破獎，2019年該獎頒給了發現脈衝星的英國物理學家喬斯琳·伯內爾。
● 參考資料：
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02397-8
https://news.stonybrook.edu/facultystaff/qa-with-breakthrough-prize-winner-peter-van-nieuwenhuizen/
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