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未验证理论赢得300万美元!科学突破“特别”奖揭晓

作者|唐一尘

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Peter van Nieuwenhuizen,Sergio Ferrara和Dan Freedman(从左到右,2016年拍摄)CERN

当地时间8月6日,宣布授予超重力理论300万美元的特殊物理突破奖:欧洲粒子物理实验室(CERN)的Sergio Ferrara,麻省理工学院的Daniel Freedman,以及纽约大学。 Stony Brook的Peter van Nieuwenhuizen。

超引力理论是一种试图统一所有自然力量的理论。经过40多年的提出,能否真正描述世界仍未得到解决。

尽管如此,它仍然赢得了创始人科学史上最赚钱的奖项之一。

选举委员会主席Edward Witten说:“超引力的引入是在时空动力学描述中引入量子变量的开始。令人吃惊的是,爱因斯坦方程可以推广到所谓的超重力理论。“

之前的获奖者包括霍金,七名CERN科学家(导致发现希格斯玻色子)和LIGO团队(探测引力波)。

第四力量

1976年,Ferrara,Freedman和Van Nieuwenhuizen提出了超引力理论。这个理论对普通引力的理解有影响,并支持物理学家最喜欢的“万全理论”候选人之一 - 弦理论。

“在过去的40年里,超重力在物理学的发展以及对未知性质的探索中发挥了非常重要的作用。”哈佛大学弦理论家,诺贝尔物理学奖得主安德鲁斯特罗明说。

在20世纪70年代早期,物理学家建立了粒子物理学的标准模型。

其中,自然界中四种基本力量中的三种与它们自己的粒子有关:电磁力由光子“携带”,束缚核的强度由胶子介导,而弱力则控制放射性衰变和“ W“”与“Z”粒子有关。此外,所有这些粒子都经过实验观察。

但是,标准模型不包含第四个基本力 - 重力。即便如此,学术界一直认为应该有一个与引力相对应的玻色子,称为引力。

在同一时期,一些研究人员独立地提出,玻色子和费米子之间可能存在基本的对称关系,即超对称性。

根据这种观点,在宇宙大爆炸开始时,同一种粒子通过“对称破裂”过程分裂成两大家族。

也就是说,超对称理论假设每个已知的粒子都有一个看不见的伙伴:费米子(如夸克和轻子)有一个玻色子的超对称伙伴(如超夸克和超轻型)。而玻色子(如光子和胶子)具有费米子超对称伙伴(如光中子和超凝胶)。超对称伙伴粒子之间的性质几乎相同,差异仅与自旋相反。

Ferrara,Freedman和van Nieuwenhuizen受到超对称的启发。

他们试图引入重力,并提出了一个超双胞胎“兄弟”引力中微子作为引力。

推广超弦理论

Van Nieuwenhuizen记得有一天晚上他看到计算机程序猛烈抨击引力计算。

“一切都已经过检查,一切都无法再调整或修改。有2000个系数必须为零 - 它们都是整数,0或1或2,不超过0.1,0.2等。小数,”他回忆说。 “如果这些参数中的任何一个都不为零,理论就会失败,我们将放弃工作。”

甚至,因为他们担心花费太多,他们试图尽可能地简化程序,最终只使用了三十或四十美元。

“我坐在那里,变得紧张,”他说。

但是当该计划成功结束时,他确信超重力是真实的。

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Peter van Nieuwenhuizen纽约大学石溪分校

到20世纪80年代,超重力理论中的一些观点产生了超弦理论。这是弦理论的一个分支。弦理论认为,所有粒子都可以表示为一维振动弦,而超弦理论在此基础上结合了超对称理论。

欧洲核子研究中心粒子物理学家约翰埃利斯说:“超对称理论和超重力理论是这个雄心勃勃的理论中的两个关键要素。这个理论的目的是用弦来构建一致的力传导理论。”

英国剑桥大学的弦理论家David Tong表示,超引力理论背后的创新是“惊人的”,因为粒子物理学家和引力研究人员当时很少沟通。

“当没有人用计算机做这种事情时,团队已经将粒子物理应用于重力,然后对其进行测试,”Tong说。

“生命年”可能无法验证

但几十年来,粒子加速器,包括欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC),都没有发现任何超对称粒子或引力中微子的迹象,也没有发现任何弦理论的证据。

而且,弦理论还不能提出目前可以验证的任何预言,因为它所需的能量太大,现有的粒子对撞机实验无法实现。

这引发了关于弦理论是否可以被视为“真正的科学”的激烈争论。

Tong说:“这些想法在我们的一生中可能无法得到验证。”

尽管超重力理论仍然没有经验证据证明是正确的,但基础物理学的基本突破奖通常被授予这样一种缺乏实验证据的理论,与仅被授予经过验证的理论的诺贝尔奖形成鲜明对比。

斯特罗明格认为,缺乏证据不应该破坏超重力理论的成就。将超重力理论的数学机制引入广义相对论允许物理学家证明粒子不能具有负质量和能量。

斯特罗明格说:“无论是否真的存在超重力,这些结果都是正确的。”

然而,法兰克福高级研究所的理论物理学家Sabine Hossenfelder警告说,LHC未能检测到超对称粒子,这对超重力理论成为现实的可能性造成了致命的打击。

她说,获奖者“已经为数学作出了巨大贡献,值得肯定”,“但也许这个奖项应该授予纯数学,因为它不是物理学。”

意外的大奖

无论有多少论点,40位获奖者都对40年后的奖项感到惊讶。

“这是一个完全的惊喜,”Van Nieuwenhuizen说。 “多年来,我们一直相信我们有希望赢得这个奖项,但每年都有很好的人才能获得这个奖项。我放弃了希望。“

当我听到奖项时,范被爱德华维滕送给我。他问我什么时候接听电话很方便,电话号码是多少。

当时,Van Nieuwenhuizen担心Witten会问自己关于超重力的难题。 “他非常聪明。我有点紧张,因为我可能不会回答。”

结果,他说:“我是Edward Witten。祝贺你赢得2020年基础物理学的特殊突破。”

当时甚至连无言以对的Van Nieuwenhuizen都认为这个电话是他生命中最短,最昂贵的电话。

年度科学突破奖是世界上最高的科学奖。它由俄罗斯企业家尤里米尔纳,谷歌联合创始人谢尔盖布林和Facebook的马克扎克伯格于2012年创立。继中国腾讯董事长之后,马化腾加入。

中国科学院院士,中国科学院高能物理研究所研究员王一芳,伯克利国家实验室教授陆金彪,大邑湾中微子实验组获得2016年基础物理突破奖。这是中国科学家和基于中国科学家的实验团队首次获此殊荣。

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《中国科学报》

此外,从以前的突破性获奖者中选出的评选委员会成员也可以为杰出的研究奖励特别奖。

例如,在2013年,斯蒂芬霍金因其黑洞会释放辐射的理论获得了基础物理学方面的特殊突破 - 也没有经过实验验证 - 并且在2019年授予发现脉冲星的英国物理学家。乔斯林伯内尔。

●参考文献:

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