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人类距离物理规律大统一只差一个超引力

作者:民族音乐
出处:www.lunrr.com
时间:2020-02-11

作者:胡定坤资料来源:科技日报发布时间:2019/8/22 10:25336043

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40多年后超重力理论的支持者获得了这个奖项

人类离物理定律的统一只有一个超重力?

近日,美国基础物理突破奖评选委员会宣布,2019年“基础物理特别突破奖”将授予超重力理论的三位支持者塞尔吉奥费拉拉(Sergio Ferrara)、丹尼尔弗里德曼(Daniel Friedman)和彼得范尼斯特鲁伊(Peter Van Strouty),他们将分享300万美元的奖金。

众所周知,相对论揭示了宇宙运动的规律,而量子力学阐述了微观世界的原理。 超重力理论的诞生正是为了弥合两者之间的差异,因此宇宙的浩瀚和微小粒子可以用统一的物理定律来解释。 中国科学院理论物理研究所研究员杨今敏对《科学日报》说:“物理定律是统一的,重力必须被“驯服”。全世界物理学家的最终梦想是拥有一个描述物理世界所有定律的“统一理论”。 “

2016年,研究员杨今敏和王飞教授在《科学通报》杂志上发表了一篇题为《爱因斯坦的未竞之梦:物理规律的大统一》的文章,梳理了几代物理学家为统一物理定律所做的努力。

牛顿实现了天地的统一 他提出了三个运动定律,发现了万有引力,描述了粒子的运动定律,并分别计算了地球上的抛物线运动和宇宙中行星的轨道。前者符合伽利略的观察,而后者符合开普勒定律。

在经典物理学的发展过程中,人们逐渐认识到电作用、磁作用、静电力和磁力的相似性。 直到麦克斯韦提出了电场和磁场的统一描述麦克斯韦方程,并预言光是电磁波 直到那时,人类才第一次实现电磁力的统一

在上个世纪初,科学家发现了将质子和中子结合在原子核中的强大力量和导致原子核衰变的微弱力量 20世纪60年代,哈佛物理学家萨拉姆等人提出弱电理论,通过量化实现电磁力和弱电的统一。

后来,科学家基于量子电动力学、弱电理论和量子色动力学建立了基本粒子的标准模型。尽管该模型存在粒子质量高于实际质量、暗物质无法解释等问题,但仍可视为电磁力、弱力和强力统一的基本规律的理论描述。

1978年,弗里德曼和范尼斯特鲁伊在《科学美国人》杂志上写道,宇宙中的粒子通过四种基本力相互作用:重力、电磁力、强力和弱力。物理学最雄心勃勃的目标是找到一个简单的基本定律,并统一四种基本力 历史表明,物理学正逐步走向统一。

但是在统一的趋势中,重力已经逐渐消失 如果物理学家想要得到“大统一理论”,他们必须驯服重力的不羁“野马”

在“超对称性”的东风下,超重力产生了。

“将重力纳入统一物理定律的方法是将其量化 ”杨今敏说,因为电磁力、弱力和强力可以通过量化形成标准模型的统一描述,所以重力也不例外。

杨今敏说爱因斯坦晚年花了20年时间试图统一物理定律,但他没有选择重力的量子化,相反,他寻求重力和电磁力的统一,最后以失败告终。 这也在一定程度上证明了重力的量子化是最有可能实现统一物理定律的途径。

既然路线已经确定,为什么仍然难以统一重力?那是因为这个重力不是牛顿的重力。 1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,1915年,他进一步建立了广义相对论,成为一种新的引力理论。 在广义相对论中,时间空因物质而弯曲,而量子力学用直线时间空来描述。时间空是不同的,所以两者的统一自然非常困难。

就在物理学家对广义相对论的量子化感到头痛的时候,超对称性理论带来了一剂良药。

科学家们一直试图改进标准模型,因为它存在漏洞。 1973年,物理学家朱利叶斯韦斯(Julius Weiss)和布鲁诺祖米诺(Bruno zumino)提出了时间空对称性理论的新概念“超对称性”。它认为每个基本粒子都有一个对应的“伙伴”,例如,每个玻色子都伴随着一个“超级费米子”,每个费米子都伴随着一个“超级玻色子” 令人惊讶的是,看似更复杂的超对称性理论有效地改善了标准模型的许多缺陷。

事实上,超对称性理论提出时并没有考虑重力,但它为费拉拉、弗里德曼和范尼斯特鲁伊提供了灵感 具体来说,一般来说,物理学家通过引入引力子的概念来量化重力。弗里德曼等人受到超对称性的启发,在引力子-引力子导数中增加了一个合作伙伴。正是这一创新直接产生了超重力理论 后来,他们通过计算机编程和计算验证了这一理论的科学性。 1976年,超对称性产生仅仅三年后,超对称性诞生了空震惊了整个理论物理界。

超重力仍然需要验证。大统一或依靠“超弦”

“引力量子化”曾被称为21世纪最大的科学问题。与“圆引力”等理论相比,超引力最有可能解决这个问题,这也是它获得这个奖项的原因。 杨今敏说,“可能”的原因是超重力理论还没有被实验物理学证实。

范尼uwenheim曾经说过证明超重力的关键是找到超对称粒子。 迄今为止,芝加哥的费米实验室和日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所都没有发现超对称粒子。 “据说中国将建造一个新的加速器,我们将拭目以待 “

许多人忍不住问如何通过高能加速器找到超对称粒子。

杨今敏说,事实上,由于缺乏能量,世界上现有的加速器很难直接产生超对称粒子,但是我们可以通过间接的方式验证超对称理论是否成立。 加速器通过粒子碰撞产生“希格斯粒子”,希格斯粒子与超对称性理论密切相关。 我们可以利用希格斯粒子工厂(Higgs particle factory)精确测量希格斯粒子的性质,判断它是否不同于标准模型,从而推断超对称性理论是否成立。 如果间接验证成功,人类可以建造更大的加速器,并努力直接撞击超对称粒子进行直接验证。

那么,科学家们有可能使用加速器来发现引力跟随者,并为超引力理论提供最直接的证据吗?

杨今敏说,在对撞机实验中,引力子微泡“失去了能量”并且是看不见的。 然而,如果加速器能够产生超对称粒子,这些粒子最终将衰变为质量最低的引力子,衰变过程将产生可见粒子,如希格斯粒子(Higgs particles)。我们也可以通过观察这些可见的粒子来推断重力奴才的存在。

超重力理论问世40多年后,人类在大统一理论方面取得了新的发展。 杨今敏告诉记者,目前,被称为“现代爱因斯坦”的美国物理学家威滕领导的“超弦理论”被认为是最有希望实现最终大统一的理论。 根据这一理论,自然界的基本单位不是粒子,而是非常小的“弦”,弦的不同振动模式产生不同种类的基本粒子。 Witten等人已经证明超重力理论是超弦理论的低能近似。换句话说,超弦理论统一了超重力理论。

”然而,“明日之星”的超弦理论也没有得到实验的证实,未来物理定律大统一的道路还需要进一步探索。 ”杨今敏说道

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