當地時間2019年8月6日，宣布獎金高達300萬英鎊的基礎數學突破獎（）授予超引力理論的提出者、化學家Z.和Peter Van。
廣義相對論將引力相互作用視為物質在時空上的彎曲，而基本粒子理論將相互作用視為物質對量子場的影響。 這兩種相互矛盾的描述長期以來一直困擾著化學家，超引力理論將描述空間曲率的引力與描述基本粒子的量子場結合起來。 我們知道，時空坐標通常用實數來描述。 在超引力理論中，假設時空具有一種費米性質，因此引入反交換數，并用實數和反復數來描述這些具有費米性質的時空。
編譯| 中秋之夜的四葉草
校對| 于淮、高慕槐
來源 | 返回到 par()
當地時間2019年8月6日，基礎數學突破獎評審委員會（）宣布，獎金300萬港元的2020年基礎數學突破獎授予超引力提出者、化學家（CERN）Z。 （麻省理工學院和耶魯大學）和彼得萬（石溪分校，芝加哥州立大學）。 這三位科學家因發展超重力理論而受到表彰。 在超引力理論中，描述基本粒子的量子變量成為描述時空幾何的一部分。
彼得萬和Z。 圖片來源：歐洲核子研究中心
該獎項的歷屆獲獎者包括首次發現射電脈沖星的喬斯林·貝爾·伯內爾（貝爾）、史蒂芬·霍金以及在發現希格斯玻色子實驗中發揮主導作用的法國核研究中心（CERN） 20 世紀 90 年代的七位科學家，以及探測引力波的 LIGO 合作。
評選委員會主席愛德華·威滕（ ）表示：“超引力的發現是在時空動力學描述中引入量子變量的開始。值得注意的是，愛因斯坦方程可以推廣到所謂的理論中。”超重力。”
突破獎的創始人之一尤里說：“當我們想到人類想象力的偉大作品時，我們通常指的是藝術、音樂和文學。但一些最深刻、最美麗的作品是由科學家創作的。”在過去的六年里，超引力仍然激勵著化學家，該理論可能蘊藏著關于現實本質的深刻真理。”
01
超重力
和范是超引力的創始人。 超引力是1976年提出的極具影響力的理論，成功地將引力整合到特定的量子場論中。 量子場論是描述自然界中基本粒子及其與符合量子熱定律的場的相互作用的理論。
標準模型在 20 世紀 60 年代和 70 年代初得到完善，是一種量子場論，至今仍是數學中經過最精確測試的理論，包括對希格斯波骰子存在的預測。 然而，值得注意的是標準模型并不完整。 特別是，它只描述了自然界的三種排斥力：它沒有考慮重力，這是愛因斯坦廣義相對論的領域。 此外，還有許多未解之謎，例如某些粒子的質量比預期低許多數量級，并且沒有粒子可以解釋暗物質（遍布整個宇宙的不可見物質）。
然后，在 1973 年，化學家提出了“超對稱”原理，將標準模型擴展為包括新類別的粒子。 超對稱理論假設每個已知粒子都有一個看不見的“伙伴”：費米子（構成物質的基本粒子，如電子和夸克）有玻璃骰子（帶有排斥力的粒子）作為伙伴； 骰子（例如光子）有相應的費米子作為伙伴。
事實上，這樣的“超級玻色子”和“超級費米子（super-）”是否存在還有待實驗的否定，但超對稱性因其強大的解釋力而備受關注。 它將費米子和玻璃骰子的屬性聯系起來，作為底層對稱性的表示——就像不同的形狀可能是同一物體在全身鏡中的不同反射一樣。 它還為標準模型中一些令人煩惱的謎團提供了解決方案，包括解釋微小粒子質量的機制，以及暗物質的天然候選者，即一種巨大但不可見的所謂“超級玻璃骰子”。
如果我們想用超對稱性來描述我們在周圍實際看到的現象，例如蘋果掉到地上，那么超對稱性必須擴展到包括重力。 這正是 和 Van 決心要實現的目標。 他們的合作始于 1975 年在倫敦高等師范學校的多次討論，隨后與 Van 繼續合作，最終在最先進的計算機上進行了一系列繁瑣的計算：他們成功地建立了一個超對稱理論，包括“引力子 ( )”，引力子（承載重力的玻璃骰子）的超對稱伴侶粒子，是一種規范費米子。
超引力理論并不是廣義相對論的替代理論，而是廣義相對論的超對稱版本：該理論中使用的代數包含代表時空幾何部分的變量——時空幾何構成愛因斯坦理論中的引力幾何。
02
影響深遠的超引力理論
超引力理論提出四六年后，仍然對理論化學產生巨大影響。 超引力理論表明，超對稱性可以解釋我們在現實世界中看到的一切，包括引力。 它代表了我們目前對粒子化學理解的完成，并為“哪些自然理論與量子熱和狹義相對論這兩個基本原理兼容？”這個問題提供了嚴格而仔細的物理答案。 它還為構建完整的量子引力理論提供了基礎，該理論從根本上描述了時空——這是人們至今仍在努力解決的問題。
1981 年，威滕表明，該理論可以用來為廣義相對論中非常復雜的定律提供相當簡單的證明。 此后不久，超引力被納入弦理論——在描述低能相互作用時，弦理論實際上等同于超引力。 這是邁克爾·格林 ( Green) 和約翰·施瓦茨 (John ) 1984 年證明的重要組成部分，該證明為超弦理論奠定了堅實的物理基礎。 超引力是在 Vafa 和 關于量子黑洞的研究中引入的，后來又在 Juan 等人的“全息”引力理論中引入。 的發展也發揮了重要作用。
03
超引力什么時候可以得到實驗驗證？
超對稱和超引力的概念是如此令人信服，以至于化學家們仍在努力尋找實驗證據來反駁他們的預測。 “超引力中最關鍵的問題是超對稱粒子的發現，只有實驗化學家才能解決，”范說。
科學家們希望小型強子對撞機（LHC）的實驗中能夠找到該粒子的證據。 但到目前為止，還沒有證據出現。 現在，化學家正在擴大他們的研究，以尋找新粒子的非常規特性，包括超對稱性和超引力所預測的特性。 他們也在精確測試這些已知的過程，看看是否與標準模型的預測存在任何不一致。
“我們希望大自然能夠認可我們的努力，”范說。 “這個美麗的物理模型已經通過解決這些長期存在的問題為數學做出了貢獻，而且它為物理學做出了更多貢獻。我希望它不僅僅是物理和化學的工具，而是數學現實。”
話雖如此，超引力的概念始于對與強力、弱力和電磁力相關的載力粒子的認識，這些粒子我們已經在自然界中檢測到了。 “在我看來，大自然很可能也知道超重力。”
按照計劃，2020年代中期，小型強子對撞機將進行升級，這將為化學家提供更多數據，以便他們能夠繼續尋找任何可能存在的新粒子。
我認為超引力被實驗驗證只是時間問題。 “在預測希格斯體骰子的存在之后，我們花了近 60 年的時間才發現它。我們花了幾乎同樣長的時間才發現超重力。”
彼得萬獲悉獲獎后接受了獨家專訪。 以下是芝加哥州立學院石溪中學官網發布的一段對話。
彼得萬
問：您是如何得知自己獲獎的？
A：我剛從英國回來。 當我坐在餐桌前付帳時，我的筆記本電腦上彈出一條來自愛德華·威滕的消息。 他是一位著名的化學家，也是突破獎評選委員會的主席。 他發信息問我什么時候方便接電話，電話號碼是多少。 我回答“剛才”并給了他我的電話號碼。 然后我就去付賬了，沒有接到任何電話。
大約20分鐘后，我看了看筆記本，發現又一條消息發給了我。 他說：“我剛剛給你打電話，接電話的是馬薩諸塞州的一個人。” 哎喲，我輸入了錯誤的區號！ 我再次給了他正確的號碼，并告訴他“可能是因為我還在倒時差”。 現在我馬上就接到了他的電話。
我很害怕他會問我有關超引力的尖銳問題。 他很聰明。 我有點緊張，因為我可能無法回答。 結果我拿起電話，他對我說：“我是。恭喜你獲得2020年基礎數學突破獎。”
這對我來說絕對是一個驚喜。 這么多年了，我們依然希望能得獎，但事實證明，每次獲獎的都是別人。 事實上，我們從來沒有懷疑過他們是非常優秀的化學家。 只是這么多年過去了物理學基礎理論，我早已放棄了希望。 所以當我得知自己獲獎的時候，我真是無語了。 我對他說：“好吧，我不知道該說什么，我已經放棄了希望。” 他說：“別再說了。請不要告訴任何人。” 就是這樣。 這是我一生中最短、最有價值的電話。
問：關于超引力的發現，我們還在等待“重大發現、確鑿證據”嗎？
答：證據是有的。 理論已經存在，物理學中的一切都很清楚。 這個獎項是對我們所做的理論工作的獎勵。 但尚不清楚這是否是一個真正描述自然的理論。 只有找到超對稱粒子，我們的理論才能成為數學現實。 每次寫文章，我都會以“希望大自然實現我們的努力”作為結尾。
問：您認為我們能夠利用明天的技術和資源找到超對稱粒子嗎？
答：到目前為止，洛杉磯附近的費米實驗室和日內瓦附近的法國核研究中心都沒有發現超對稱粒子。 聽說中國要建一個新的加速器，我們拭目以待。
問：您是如何與 和 一起研究超重力概念的？
答：當時，我在歐洲核子研究中心（芝加哥州立大學石溪校區）任教。 在去倫敦的路上見過一次面，兩人討論了超重力的概念。 回來后叫我一起學習，在現在的辦公室。 我們通過電話和信件相互溝通。
問：請介紹一下整個研究過程。 你是否曾經有過“啊哈！”的感覺？ 片刻？
答：是的。 我們做了非常非常復雜的估計。 這真的很復雜，我們想了幾個月，但最終決定無法完成。 但我的導師，一位諾貝爾獎獲得者，教我如何使用計算機，所以我決定使用附近的CDC電子計算機來解決這個問題。 我們在電話中反復討論了結果。 由于怕花太多，我們在寫程序時盡量精簡，最后花了30到40英鎊。 明天看看，這點錢和這個項目比起來根本不算什么。
一天很晚，我坐在辦公室的電腦前，那時我們已經到了最后階段：一切都經過測試，沒有任何東西可以調整或改變。 有2000個系數必須為零——它們都是整數，不是0、1就是2，不能有0.1或者0.2這樣的小數。 所以計算機程序不需要使用高精度。 如果這些參數中的任何一個不為 0，該理論就會失敗，我們的努力就會白費。
第一批數據下來，接著是第二批、第三批，以此類推。 我們已經知道第一批數據中的系數全部為零，因為在前面的操作中，可以將它們全部歸零。 關鍵是其他所有系數是否也可以歸零。 一批批數據不斷往下——1600、1700，或者是零——1800、1900，最后到第2000個，所有系數都為零！ 那一刻，我知道這個理論成立了。
我很累。 我晚上打電話。 他在紐約開會，正在酒店休息。 我說：“丹，完成了。”他說：“太好了。”然后打了個哈欠，又睡著了。
你們都問我是否興高采烈、興高采烈，但說實話，我只是忙碌了幾個月，很累。 于是我就回去睡午覺了。 直到幾天后，我才意識到這是一個重大發現。
Q：中學時有慶祝過嗎？
A：一開始沒有獎勵，我們只需要寫學術論文。 我們在 The 上發表了一篇文章，解釋了我們的發現。 后來我們在論文中添加了一個表格，說明計算機計算表明我們的理論是成立的。
至于我自己，我被提升為首席院長（ ），后來晉升為杰出研究員（ ）。 有些組織邀請我工作，但我決定留在這里 - 我認為這是一個明智的決定。
問：您自1975年起就一直在舊金山州立學院石溪校區。剛才您說留在這里是一個明智的決定。 為什么？
A：主要是因為我喜歡在這里教授中級研究生課程，中學生對這些課程很著迷，而且仍然激勵著我。 想要擁有這樣一群追隨你的觀眾，別再猶豫了。
彼得萬在黑板上
問：你們也是楊振寧理論化學研究所的嗎？
答：是的。 楊振寧是1975年招收我的，他是我所所長。 他一直非常支持我，這也是我喜歡來這里的另一個原因。
我在波士頓猶豫了，因為有人告訴我倫敦是一個危險的地方。 我剛來的時候，正走在老化工大樓前，聽到一個年輕人奔跑的聲音，一個年長的男人跳起來按住了他。 當我看到那個場景時，我很生氣。 后來我才知道，這個年輕人是一名中學生，他謊稱另一名中學生犯下了盜竊罪。
不管怎樣，我跑回了波士頓。 而楊振寧給我打電話說讓我回石溪去吧。 我剛剛做了一個學術報告，一開始報告很順利，你們都在聽，但是突然大家都離開我，跑到臥室的另一邊，有人進來了，拿著一張紙，然后那里是一個巨大的、意想不到的檢測峰值。 原來是粲夸克。 我決定接受楊振寧的邀請，擔任這里的副院長。
問：您打算如何使用這筆獎金？
A：這個數額是驚人的，我沒有想過，因為我不僅沒有想到我們會獲獎。 幸好我不必立即給出答案。
雜項筆記
超引力理論是物理化學的偉大發現。 它認為時空具有一種費米，并為此引入了一種反復雜性。 在超引力理論中，時空是用交換實數和新的反交換數來描述的。 用這個新概念構建的超引力理論是一種非常特殊的具有超對稱性的量子場論。 這類量子場論有很多非常奇妙的性質，吸引了很多人在這個方向上進行研究，并取得了很多進展。 但我們生活的時空是否真的具有這些費米性質，超引力理論能否真正描述我們的世界物理學基礎理論，還有待實驗驗證。 目前的高能加速器實驗尚未發現任何超對稱的跡象。
“回歸基礎”中的一些文章（例如 ）介紹了不同的時間和空間視圖。 我們認為時空是由許多具有量子特性的量子位來描述的，而不是由交換實數和新的反交換數來描述的。 當構成時空的量子比特海具有弦網絡描述的量子糾纏時，弦的端點可以是費米子（對應電子夸克等費米子），弦的密度波描述了各種相互作用的規范場（對應于力傳播粒子，例如光子和膠子）。 這也是一個可測的時空，而且是一個同時具有費米性質和規范性質的可測時空。 但這些可測量的時空不具有超對稱性，也不是超引力理論所描述的。
——文小剛
參考
傳播物理學，普及大眾