一個未被驗證的傑出科學思想：超引力理論

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整理 | 楊 梟

責編 | 陳曉雪

許多理論物理學研究很難得到實驗的驗證，因而也難以得到認可。不過，最近的基礎物理學突破獎證明，即使未被實驗驗證，傑出的科學思想一樣值得鼓勵。

8月6日，2019年的基礎物理學突破獎公布，獲獎者為超引力理論（Supergravity）的三位提出者——歐洲核子研究組織（CERN）的Sergio Ferrara、麻省理工學院（MIT）的 Daniel Freedman 和紐約州立大學石溪分校的Peter van Nieuwenhuizen。三人將共享 300 萬美元的獎金。

超引力理論是是一種結合了超對稱和廣義相對論原理的場論，誕生於1976年，儘管距今已四十餘年，但仍然沒有實證表明該理論是正確的。

「諾貝爾獎謹慎小心，必須要實驗驗證，但並不是說，還沒有得到實驗驗證的理論就沒有學術價值。科學突破獎很大程度上彌補了諾貝爾獎的不足。」 中國科學院高能物理所研究員曹俊看到此消息，在新浪微博上評論道。

中國科學院國家天文台研究員陳學雷也表示：「任何理論都需要經過實驗的檢驗。超引力理論仍有可能是錯誤的，但是現在科學發展的狀態，是在這個領域裡需要天才和大量的努力才能做出有意義的模型，而這種模型的最終實驗檢驗需要很多年。……對於那些由於工程和經濟可行性暫時難以驗證的基礎理論，如何給予支持和鼓勵？這更需要遠見卓識。」

依次為van Nieuwenhuizen， Ferrara， Freedman 圖源：CERN

超引力理論具有怎樣的意義和學術價值？為什麼它還沒有被驗證？這是否說明如今的物理學研究遇到了瓶頸？

帶著這些問題，《知識分子》邀請到了猶他大學（鹽湖城）物理天文系傑出教授、復旦大學特聘教授吳詠時，請他為我們一一解答。

知識分子：超引力理論具有怎樣的意義？

吳詠時：20世紀的基礎物理學有兩大進展，一是愛因斯坦的相對論，是物理世界時間空間和物質運動關係的基礎理論。另外一個就是量子力學理論，量子力學完全超出了經典力學的範疇，過去也被認為超出了廣義相對論的範疇。量子理論最初被認為是小尺度物理世界的一個基礎理論，即原子分子以及小於原子分子的空間尺度的物理。

多年以來，基礎物理學有一個基本問題，就是量子力學和廣義相對論是否相容。這個問題的研究歷史很長，1930-40年代就開始有人探討。

宇宙學的標準模型以廣義相對論為基礎，涉及引力相互作用；粒子物理的標準模型以量子理論為基礎，涉及電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用。所以這兩大標準模型涵蓋了四種基本相互作用。粒子物理的標準模型中沒有包含引力，因為之前一直認為沒有找到一個量子場論可以自洽地描述引力現象。

這次突破獎授予超引力理論，有非常重要的意義。最重要的就是，認可超引力理論作為有效場論能夠在量子理論的基礎上描述引力現象，認可它為兩大標準模型和四種相互作用的統一開闢道路所起的歷史作用。這個認可來的有點晚，一個重要原因是過去較長一段時間內，錯誤地認為超引力理論在考慮較低階的量子修正時就出現了不自洽。近些年來這個錯誤得到了糾正，恢復了超引力理論作為一個有效量子場論的應有地位，從而確認了它的歷史作用。

我們後面還會談到，超引力理論把超對稱性用於引力，如果被實驗證實，將深刻地改變人類對時空、幾何本身的觀念。

儘管超引力理論在數學上已經實現，但是物理上是否實現，還需要將來的檢驗。

知識分子：為什麼超引力理論在物理上還沒有實現？

吳詠時：超引力理論的實驗檢驗還需要進一步的深入研究。因為這個理論涉及的物理學的能量尺度相當高，它所涉及的空間距離的尺度卻非常小。

現在我們在實驗上能夠檢驗的是粒子物理的標準模型，比如希格斯粒子的發現，它的能量尺度恰好可以在歐洲 CERN 的大型強子加速器上被檢驗。超引力理論的能標要高很多倍，為10^19GeV；而大型強子加速器是1TeV（10^3GeV），兩者相差了10^16（即一億億）倍。從能標來看，這個驗證道路還很遙遠。

然而並不是完全沒有可能。有一個辦法，就是在早期的宇宙學或者在粒子天體物理的觀測里，看是否有可能性。因為最近幾年大家才開始認可超引力理論，所以做這方面理論和實驗結合的探討的人很少。我相信這次基礎物理學的突破獎發給超引力以後會掀起一個熱潮，來探索早期宇宙學和粒子天體物理學裡的超引力效應，將來也許還有可能得到實驗上的檢驗。

知識分子：為什麼說超引力理論的驗證來自於引力微子的發現？

吳詠時：另一個辦法是，尋找引力微子。

超引力理論的一個基礎是超對稱性。據此，基本粒子的種類應該有半整數自旋和鄰近整數自旋成對出現的這種特點。物理術語上，整數自旋的粒子叫玻色子，半整數自旋的叫費米子。比如中微子，它是半整數自旋1/2，和電子、質子、中子的自旋是一樣的。我們熟悉的其他粒子中，光子的自旋是1，膠子還有弱相互作用的中間玻色子，自旋也都是1；也就是說，在粒子物理的標準模型當中，傳遞相互作用的這些粒子都是自旋為1的玻色子。超對稱的特點是：每一種玻色子有一種費米子作為超（對稱）夥伴，每一種費米子有一種玻色子作為超夥伴。

將超對稱用於時空，除了普通的（玻色性的）維度外，時空還應該有費米性的維度。具體說來，在廣義相對論量子化之後，就要有引力子，它的自旋是2；引力子也應該有它相應的超夥伴，稱為引力微子，自旋應為3/2。目前實驗上我們還沒有找到引力微子。在歐洲 CERN 的大型強子加速器上也還沒找到粒子物理標準模型中的任何粒子的超夥伴。因此，整個超對稱性還沒有得到實驗的驗證。觀念上，引力微子屬於暗物質的範疇，是暗物質粒子的一個可能的候選者。如果在尋找暗物質粒子時發現了自旋3/2的引力微子，那將是對超引力理論的重大實驗驗證。

知識分子：中國提出的大型環形正負電子對撞機項目可以實現引力微子的驗證嗎？

吳詠時：我個人認為實現的機會太小了。因為超引力的能標太高了。

即使考慮到超對稱性破缺的能量尺度可能低一些，我還是覺得在近期可建成的任何加速器看到引力微子的機會都很小。我個人比較悲觀的原因就是能標相差太大。大型加速器發展周期長，2014年 CERN 大型強子加速器設備升級，但能量也只提高了一倍，也就是1變成2。達到超引力的能標需要增加現有加速器能量達10的16次方倍，即1後面16個0。這意味著要增加一億億倍。太難了。

但這不意味著粒子天文學實驗中一定看不到。其實太陽中微子穿過地球的數量還挺高的，但是因為它相互作用很微弱，所以不易測到。但是測不到，不代表它不存在。數量多了，就有機會測到。

知識分子：這能否說明，物理學的發展在某種程度上到達了一個瓶頸？

吳詠時：現在國內網上時而看到這種言論。我個人的看法是：對特定的子領域，可能暫時會有這種狀況；但從整個物理學來講，這種說法是不對的。

比如現代物理學在凝聚態物理的各個子領域，無論理論前沿和實驗探索都有許多重要的進展，發展前景可觀。特別是拓撲物態的發現及其相變的研究，在理論方面和應用方面都有可能帶來更多新的重要的突破，並對數學的發展有重大的促進作用。專業領域的研究人員對此看法都很樂觀,唱衰的言論大多來自非專業人士。

在國外的粒子物理學領域，特別是粒子天文學和粒子天體物理，年青一代對於超出標準模型的實驗，投入了很大精力去研究和探索。國內這方面工作的人原來比較少一些，但是近些年來也在不斷發展，引進了新的人才。比如錦屏極深地下暗物質實驗室，還有暗物質粒子探測衛星 「悟空」，都積極開展了相關方面的研究。

致謝：感謝張富春、祁曉亮對採訪給予的幫助，感謝金庄維對本文的修改意見。

參考文獻：

[1] https://breakthroughprize.org/Prize/1

製版編輯 | 皮皮魚

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