人类距离物理规律大统一只差一个超引力?

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  近日,美国基础物理学突破奖遴选委员会公布 ,将2019年“基础物理学有点痛 突破奖”授予超引力理论的3位提出者塞尔吉奥·费拉拉、丹尼尔·弗里德曼,以及皮特·范尼乌文赫伊曾,3人将分享500万美元奖金。

  众所周知,相对论揭示了宇宙运动的规律,量子力学则阐述着微观世界的原理。可超引力理论的诞生,恰恰只要为了弥合这两者的分歧,使宇宙之浩渺与粒子之微小能用统一的物理规律解释。

  物理规律大统一,并能 “驯服”引力

  中科院理论物理所研究员杨金民告诉科技日报记者:“全世界物理学家的终极梦想只并能另另有另三个小 多‘大统一理论’,描述物理世界的所有规律。”

  2016年,杨金民研究员和王飞教授在《科学通报》杂志上发表了题为《爱因斯坦的未竞之梦:物理规律的大统一》的文章,梳理了一代代物理学家为统一物理规律做出的努力。

  牛顿实现了天与地的统一。他提出了运动三定律,发现了万有引力,描述质点的运动规律,只要分别计算了地球上的抛物运动和宇宙中的行星轨道,前者符合伽利略的观察结果,后者与开普勒定律一致。

  在经典物理的发展过程中,亲戚亲戚亲戚朋友 逐渐认识到电作用、磁作用以及静电力和磁力的这类 性。直至麦克斯韦提出关于电场、磁场的统一描述——麦克斯韦方程组,并预言光是并全部都是电磁波。人类才首次实现了电磁力的统一。

  上世纪初,科学家发现了把质子、中子束缚在原子核中的强力以及引发原子核衰变的弱力。到了500年代,哈佛大学物理学家萨拉姆等人提出了电弱理论,通过量子化达成了电磁力和弱力的统一。

  很久,科学家们以量子电动力学、电弱理论和量子色动力学为基础构建了基本粒子的标准模型,着实模型中发生粒子质量高于实际质量、无法解释暗物质等难题,但仍不失为对电磁力、弱力、强力统一的基本规律的并全部都是理论描述。

  1978年,弗里德曼和范尼乌文赫伊曾在《科学美国人》杂志撰文写道,宇宙中的粒子通过引力、电磁力、强力和弱力4种基本力相互作用,物理学最雄心勃勃的目标只要找到并全部都是简单的基本规律,统一并全部都是基本力。历史表明,物理学正在逐渐向统一的方向发展。

  可在统一的趋势中,引力却时不时游离之外。物理学家们要想得到“大统一理论”,并能 驯服引力这匹桀骜的“野马”。

  乘“超对称”之东风,超引力应运而生

  “将引力纳入统一物理规律的依据,只要将其量子化。” 杨金民谈到,可能电磁力、弱力、强力正是通过量子化并能形成标准模型统一描述,好多好多 引力应该只要例外。

  杨金民介绍,晚年的爱因斯坦用了20年试图统一物理规律,但他并未取舍 引力量子化,只要寻求引力与电磁力的统一,最后以失败告终。这也在一定程度上证明,引力量子化才是最可能实现统一物理规律的路线。

  既然路线已定,为哪几种统一引力依旧比较慢?那是可能许多引力,早已全部都是牛顿时代的引力。1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,1915年,进一步建立广义相对论,成为新的引力理论。广义相对论中年华会因物质弯曲,量子力学则是在平直年华中描述,年华不同,二者的统一自然十分艰难。

  就在物理学家们为量子化广义相对论头疼时,超对称理论送来一剂良药。

  可能标准模型发生漏洞,科学家们时不时力图改进。1973年,物理学家朱利叶斯·韦斯和布鲁诺·祖米诺提出了并全部都是新概念的年华对称理论——“超对称”,它认为每个基本粒子都另另有另三个小 多对应的“伙伴”,如每个玻色子都伴随另另有另三个小 “超费米子”,而每个费米子又都伴随另另有另三个小 “超玻色子”。神奇的是,看似更错综复杂的超对称理论却有效改进了标准模型的诸多发生问题之处。

  事实上,超对称理论在提出之时并未考虑引力因素,但却为费拉拉、弗里德曼、范尼乌文赫伊曾3人提供了灵感。具体而言,一般情況下,物理学家通过引入引力子的概念来量子化引力,弗里德曼等人受超对称的启发,为引力子增加了另另有另三个小 伙伴——引力微子,正是许多创新直接催生了超引力理论。很久,亲戚亲戚朋友 通过计算机编程计算检验了许多理论的科学性。1976年,超对称问世仅仅3年后,超引力横空出世,震惊整个理论物理学界。

  超引力仍需验证,大统一或靠“超弦”

  “引力量子化曾被称为21世纪最大的科学难题,相比‘圈引力’等理论,超引力最有可能处置许多难题,这也是其此次获奖的原应。”杨金民谈到,并不一定是“可能”,原应在于超引力理论还只有 得到实验物理学证实。

  范尼乌文赫伊曾说,证实超引力的关键是发现超对称粒子。到现在为止,芝加哥的费米实验室、日内瓦周边的欧洲核子研究中心都只有 发现超对称粒子。“据说中国要建设新的加速器,亲戚亲戚亲戚朋友 拭目以待。”

  好多好多 人不禁要问,咋样通发生问题能加速器发现超对称粒子呢?

  杨金民称,事实上,全球现有加速器可都可以量发生问题比较慢直接打出超对称粒子,但亲戚亲戚亲戚朋友 都可以通过间接手段验证超对称理论是是否成立。加速器通过粒子对撞产生“希格斯粒子”,而希格斯粒子与超对称理论紧密相关。亲戚亲戚亲戚朋友 都可以使用“希格斯粒子工厂”精确测量希格斯粒子的性质,判断其与标准模型是是是否所差别,从而推断超对称理论是是否成立。可能间接验证成功,人类都可以建设更大规模的加速器,争取直接打出超对称粒子获得直接验证。

  只有 ,科学家有只有 可能借助加速器发现引力微子,为超引力理论提供最直接的证明呢?

  杨金民介绍,在对撞机实验中,引力微子表现为“丢失的能量”,是不可见的。但可能加速器并能产生超对称粒子,哪几种粒子最终前会 衰变成质量最低的引力微子,而衰变的过程会产生希格斯粒子等可见粒子,亲戚亲戚亲戚朋友 同样都可以通过观察哪几种可见粒子推断引力微子是是否真的发生。

  超引力理论问世40多年,人类在大统一理论上可能有了新的发展。杨金民告诉记者,现在,有着“现代爱因斯坦”之称的美国物理学家威滕领衔的“超弦理论”被认为最有希望成为终极大统一理论。该理论认为,自然界的基本单元全部都是粒子,只要很小很小的“弦”,弦的不同振动模式产生出各种不同的基本粒子。威滕等人可能证明超引力理论恰是超弦理论的低能近似,换句话说,超弦理论统一了超引力理论。

  “然而,‘明日之星’的超弦理论也同样未获得实验证实,未来物理规律的大统一之路还需继续探索。”杨金民说。(实习记者 胡定坤)