价值 300 万美元的基础物理学特别突破奖已颁发给三位研究人员，他们在 1970 年代提出了一种名为超引力的理论，该理论试图统一自然界的四种基本力。丹尼尔·弗里德曼，现就职于麻省理工学院，塞尔吉奥·费拉拉，现就职于加州大学洛杉矶分校，以及石溪大学的彼得·范·尼乌文惠岑合作研究了这种方法，以解决物理学中两个最基本理论之间明显的冲突：量子力学（描述原子和粒子的微观世界）和广义相对论（描述引力及其对宇宙尺度的影响）。
伦敦帝国学院的迈克尔·达夫自 1970 年代以来一直从事量子引力研究，他对该奖项表示欢迎，并称三位获奖者“当之无愧”。在超引力被提出四十年后，仍然没有实验证据表明该理论是正确的。但基础物理学突破奖在奖励仍然缺乏实验验证的想法方面有着良好的记录，这与诺贝尔奖要求概念必须经观察证实的做法截然不同。
推进超引力研究
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
超引力诞生于寻求在自然界的粒子和力之间找到简洁性和统一性的努力。所有已知的粒子都包含在被称为粒子物理学标准模型的理论框架内，该模型于 2012 年随着希格斯玻色子的发现而在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上完成，欧洲核子研究中心是位于日内瓦附近的欧洲粒子物理中心。在被称为量子场论的量子力学公式中，标准模型的三种基本力——电磁力以及所谓的强力和弱力（作用于原子核内部）——由被称为玻色子的粒子在其他相互作用的被称为费米子的粒子之间交换来表示。所有粒子都具有称为自旋的量子力学性质，对于玻色子，自旋具有整数值（0、1、2 等等）。玻色子包括光子（光粒子和电磁力的力载体）和胶子（传递强力的粒子）。费米子包括电子和夸克，夸克是原子核中质子和中子的组成部分。费米子具有半整数自旋：1/2、3/2 等等。
但标准模型并未包含第四种基本力：引力。即便如此，长期以来人们一直认为引力应该有一种相应的玻色子，称为引力子，它将具有自旋为 2。费拉拉说，2015 年引力波的观测（也获得了突破奖和诺贝尔奖）基本上证实了这一图景。
在 1970 年代早期，几位研究人员独立提出，玻色子和费米子可能通过一种称为超对称性的基本对称性相互关联。在这种观点中，在我们宇宙开始的大爆炸之后非常早期，单一类型的粒子在“对称性破缺”过程中分裂成这两个族群，很像河流网络的 branching。超对称性预测，每个已知的粒子都有一个尚未被探测到的超对称伙伴：例如，玻色子有“玻西诺”兄弟姐妹，例如胶微子。
1975 年，弗里德曼意识到超对称性可以扩展到包括引力。这种包含意味着引力子有一个超对称伙伴，称为引力微子，该理论预测引力微子（唯一地）具有自旋 3/2。他和范·尼乌文惠岑在石溪大学工作，开始汇集他们的专业知识来思考这个问题。当弗里德曼在巴黎访问时遇到了当时在欧洲核子研究中心工作的费拉拉时，该理论真正开始兴起。弗里德曼说，当年晚些时候他回到美国时，“我以为我会在两周内找到剩下的部分。但事情并非如此。”
事实上，他和范·尼乌文惠岑花了几个月的时间进行费力的计算，其中一些计算是使用布鲁克海文国家实验室的计算机设备进行的。为了使该理论成立，他们需要证明他们复杂方程中大约 2,000 项都精确地抵消为零。范·尼乌文惠岑回忆起结果从布鲁克海文通过电话线传来的那个晚上——全部 2,000 个零，一次一个。“我的整个生命在那晚完全改变了，”他说。弗里德曼、范·尼乌文惠岑和费拉拉于 1976 年发表了他们的理论。
其中一些想法后来在 1980 年代被用于发展超弦理论，这是一种弦理论版本——其中粒子被表示为称为“弦”的振动一维物体——它包含了超对称性。“超对称性和超引力是使用弦来构建一致的量子引力理论的宏伟计划中的关键要素，”欧洲核子研究中心的粒子物理学家约翰·埃利斯说。
许多研究人员都同意埃利斯的观点，即弦理论现在是量子引力理论的最佳希望——毫无疑问，这也是突破奖此前奖励弦理论工作的原因。但是，尽管对该想法进行了深入发展，但弦理论一直未能提供任何可进行实验检验的预测，而目前的粒子对撞机——所需的能量极其巨大。这种情况引发了激烈的辩论，即弦理论是否可以被认为是“真正的科学”。
然而，如果超对称弦理论是正确的，那么超引力也是正确的：弗里德曼解释说，后者是在相对较低的能量下从该理论中涌现出来的，就像牛顿力学和引力代表爱因斯坦的狭义和广义相对论的低能量极限一样。超引力也支撑了先前突破奖奖励的其他几项进展，例如已故的斯蒂芬·霍金关于黑洞热力学的研究——该研究于 2013 年获得了特别突破奖——以及所谓的反德西特/共形场论对应，这是弦理论和量子场论之间的一种联系，由胡安·马尔达西那于 1997 年提出，他现在就职于新泽西州普林斯顿高等研究院。超引力预测的引力微子也被认为是神秘暗物质的候选者，据认为暗物质比宇宙可见物质重约五倍。“超引力是 1970 年代后期和 1980 年代早期所有行动的中心，”作家兼前物理学家格雷厄姆·法梅洛说，他的 2019 年著作《宇宙以数字说话》 探讨了弦理论。
等待突破
在大型强子对撞机未能找到其所需的新粒子的证据后，超对称性受到了抨击。但达夫表示，这种失败绝不意味着基本思想存在问题。“弦理论对于超对称性会显现出来的能量保持沉默，”他说——可能需要比目前可及的能量更高的能量。“超对称性仍然充满活力，而超引力是所有这些进展的核心，”达夫说。
此外，有些人认为诺贝尔委员会对实验证明的要求显得越来越过时。法梅洛说，突破奖的立场“从长远来看将被视为更明智的选择”。例如，一些研究人员批评诺贝尔奖拒绝授予霍金奖，霍金在 1970 年代对黑洞热力学的研究被广泛认为是自然的正确描述。
安德烈·林德是突破奖的先前获得者之一，现在是颁发该奖项的委员会成员，他说他们的目的是“奖励非凡的想法”。他补充说，“如果一个聪明的想法影响了成千上万的人”，那么它的影响就值得认可，无论它是否经过实验证明。作为对该立场的证明，他说，尽管超引力从根本上说是关于粒子物理学的，“我也在使用它，即使我是一名宇宙学家。”
“我认为拥有一个奖项范围来认可科学的不同方面是好事，”埃利斯说。“我的印象是，诺贝尔奖有时会颁发给实验学家，而不是提出基础理论的人。”
基础物理学突破奖由投资者兼慈善家尤里·米尔纳于 2012 年创立。与年度突破奖不同，“特别”奖可以在“特殊情况”下随时颁发。这些奖项越来越被视为与诺贝尔奖相当，不仅在金钱价值（诺贝尔奖价值约 100 万美元）方面，而且在声望方面也是如此。费拉拉说，由世界知名的专家委员会颁发，使得该奖项“非常特别”并且“是我职业生涯中最重要的奖项”。对于弗里德曼来说，“这个奖项是最棒的——它是我漫长职业生涯的顶峰。”
范·尼乌文惠岑从著名的弦理论家、2012 年首届突破奖得主之一、评选委员会成员艾德·威滕那里听说了这个奖项。“我当时坐在家里，在屏幕上看到了艾德发来的消息，”范·尼乌文惠岑说。“我非常担心他会问我一些关于超引力的难题，而我不知道答案。”但是，当威滕随后打电话告诉他消息的真正原因时，他 speechless 了。“我知道我们过去可能是候选人，”他说，“但我已经完全放弃了获得它的希望。”
该决定的一个潜在争议性方面是，超引力图景也是由超对称性的先驱布鲁诺·祖米诺和现就职于布兰迪斯大学的斯坦利·德塞独立提出的，他们也在 1976 年发表了他们的工作——引发了关于优先权的争议。祖米诺于 2014 年去世，但达夫说，鉴于对获奖者人数没有限制，将德塞排除在奖项之外似乎令人费解。
撇开这种情况不谈，林德承认，考虑到超引力的重要性，其缔造者没有更早获得奖励是令人惊讶的。但是，看到该理论付诸检验的前景如何呢？法梅洛说，探测到任何超对称粒子都将强烈暗示该理论是正确的，因为有论点认为超对称性是“扩展时空对称性（广义相对论中描述的引力的基本框架）以确保它是量子力学的唯一可能方式”。然而，确凿的证据将来自引力微子本身的探测。“那将是美妙的，”弗里德曼说。但他承认，这将极其难以实现，因为引力微子与任何其他粒子的相互作用都应该非常弱。费拉拉说，我们需要耐心，他指出，希格斯玻色子在首次预测后五十年才被观察到。他说，对于超对称粒子（如引力微子），“我们还需要几十年的时间”才能认为它逾期未至。
范·尼乌文惠岑希望中国计划建造的比大型强子对撞机能量更高的新型对撞机可能会看到超对称粒子。他估计在他有生之年发生这种情况的可能性为 50%。然而，对于超对称性及其伴随的超引力的拥护者来说，它们似乎不仅可能，而且几乎不可避免。“我认为自旋为 3/2 的粒子 [引力微子] 在自然界中实现是不可避免的，”弗里德曼说。“没有可比的理论，”费拉拉争辩道，“如果大自然没有使用这个理论，那将真是太可惜了。”