当地时间2019年8月6日，宣布奖金高达300万英镑的基础数学突破奖（）授予超引力理论的提出者、化学家Z.和Peter Van。
广义相对论将引力相互作用视为物质在时空上的弯曲，而基本粒子理论将相互作用视为物质对量子场的影响。 这两种相互矛盾的描述长期以来一直困扰着化学家，超引力理论将描述空间曲率的引力与描述基本粒子的量子场结合起来。 我们知道，时空坐标通常用实数来描述。 在超引力理论中，假设时空具有一种费米性质，因此引入反交换数，并用实数和反复数来描述这些具有费米性质的时空。
编译| 中秋之夜的四叶草
校对| 于淮、高慕槐
来源 | 返回到 par()
当地时间2019年8月6日，基础数学突破奖评审委员会（）宣布，奖金300万港元的2020年基础数学突破奖授予超引力提出者、化学家（CERN）Z。 （麻省理工学院和耶鲁大学）和彼得万（石溪分校，芝加哥州立大学）。 这三位科学家因发展超重力理论而受到表彰。 在超引力理论中，描述基本粒子的量子变量成为描述时空几何的一部分。
彼得万和Z。 图片来源：欧洲核子研究中心
该奖项的历届获奖者包括首次发现射电脉冲星的乔斯林·贝尔·伯内尔（贝尔）、史蒂芬·霍金以及在发现希格斯玻色子实验中发挥主导作用的法国核研究中心（CERN） 20 世纪 90 年代的七位科学家，以及探测引力波的 LIGO 合作。
评选委员会主席爱德华·威滕（ ）表示：“超引力的发现是在时空动力学描述中引入量子变量的开始。值得注意的是，爱因斯坦方程可以推广到所谓的理论中。”超重力。”
突破奖的创始人之一尤里说：“当我们想到人类想象力的伟大作品时，我们通常指的是艺术、音乐和文学。但一些最深刻、最美丽的作品是由科学家创作的。”在过去的六年里，超引力仍然激励着化学家，该理论可能蕴藏着关于现实本质的深刻真理。”
01
超重力
和范是超引力的创始人。 超引力是1976年提出的极具影响力的理论，成功地将引力整合到特定的量子场论中。 量子场论是描述自然界中基本粒子及其与符合量子热定律的场的相互作用的理论。
标准模型在 20 世纪 60 年代和 70 年代初得到完善，是一种量子场论，至今仍是数学中经过最精确测试的理论，包括对希格斯波骰子存在的预测。 然而，值得注意的是标准模型并不完整。 特别是，它只描述了自然界的三种排斥力：它没有考虑重力，这是爱因斯坦广义相对论的领域。 此外，还有许多未解之谜，例如某些粒子的质量比预期低许多数量级，并且没有粒子可以解释暗物质（遍布整个宇宙的不可见物质）。
然后，在 1973 年，化学家提出了“超对称”原理，将标准模型扩展为包括新类别的粒子。 超对称理论假设每个已知粒子都有一个看不见的“伙伴”：费米子（构成物质的基本粒子，如电子和夸克）有玻璃骰子（带有排斥力的粒子）作为伙伴； 骰子（例如光子）有相应的费米子作为伙伴。
事实上，这样的“超级玻色子”和“超级费米子（super-）”是否存在还有待实验的否定，但超对称性因其强大的解释力而备受关注。 它将费米子和玻璃骰子的属性联系起来，作为底层对称性的表示——就像不同的形状可能是同一物体在全身镜中的不同反射一样。 它还为标准模型中一些令人烦恼的谜团提供了解决方案，包括解释微小粒子质量的机制，以及暗物质的天然候选者，即一种巨大但不可见的所谓“超级玻璃骰子”。
如果我们想用超对称性来描述我们在周围实际看到的现象，例如苹果掉到地上，那么超对称性必须扩展到包括重力。 这正是 和 Van 决心要实现的目标。 他们的合作始于 1975 年在伦敦高等师范学校的多次讨论，随后与 Van 继续合作，最终在最先进的计算机上进行了一系列繁琐的计算：他们成功地建立了一个超对称理论，包括“引力子 ( )”，引力子（承载重力的玻璃骰子）的超对称伴侣粒子，是一种规范费米子。
超引力理论并不是广义相对论的替代理论，而是广义相对论的超对称版本：该理论中使用的代数包含代表时空几何部分的变量——时空几何构成爱因斯坦理论中的引力几何。
02
影响深远的超引力理论
超引力理论提出四六年后，仍然对理论化学产生巨大影响。 超引力理论表明，超对称性可以解释我们在现实世界中看到的一切，包括引力。 它代表了我们目前对粒子化学理解的完成，并为“哪些自然理论与量子热和狭义相对论这两个基本原理兼容？”这个问题提供了严格而仔细的物理答案。 它还为构建完整的量子引力理论提供了基础，该理论从根本上描述了时空——这是人们至今仍在努力解决的问题。
1981 年，威滕表明，该理论可以用来为广义相对论中非常复杂的定律提供相当简单的证明。 此后不久，超引力被纳入弦理论——在描述低能相互作用时，弦理论实际上等同于超引力。 这是迈克尔·格林 ( Green) 和约翰·施瓦茨 (John ) 1984 年证明的重要组成部分，该证明为超弦理论奠定了坚实的物理基础。 超引力是在 Vafa 和 关于量子黑洞的研究中引入的，后来又在 Juan 等人的“全息”引力理论中引入。 的发展也发挥了重要作用。
03
超引力什么时候可以得到实验验证？
超对称和超引力的概念是如此令人信服，以至于化学家们仍在努力寻找实验证据来反驳他们的预测。 “超引力中最关键的问题是超对称粒子的发现，只有实验化学家才能解决，”范说。
科学家们希望小型强子对撞机（LHC）的实验中能够找到该粒子的证据。 但到目前为止，还没有证据出现。 现在，化学家正在扩大他们的研究，以寻找新粒子的非常规特性，包括超对称性和超引力所预测的特性。 他们也在精确测试这些已知的过程，看看是否与标准模型的预测存在任何不一致。
“我们希望大自然能够认可我们的努力，”范说。 “这个美丽的物理模型已经通过解决这些长期存在的问题为数学做出了贡献，而且它为物理学做出了更多贡献。我希望它不仅仅是物理和化学的工具，而是数学现实。”
话虽如此，超引力的概念始于对与强力、弱力和电磁力相关的载力粒子的认识，这些粒子我们已经在自然界中检测到了。 “在我看来，大自然很可能也知道超重力。”
按照计划，2020年代中期，小型强子对撞机将进行升级，这将为化学家提供更多数据，以便他们能够继续寻找任何可能存在的新粒子。
我认为超引力被实验验证只是时间问题。 “在预测希格斯体骰子的存在之后，我们花了近 60 年的时间才发现它。我们花了几乎同样长的时间才发现超重力。”
彼得万获悉获奖后接受了独家专访。 以下是芝加哥州立学院石溪中学官网发布的一段对话。
彼得万
问：您是如何得知自己获奖的？
A：我刚从英国回来。 当我坐在餐桌前付帐时，我的笔记本电脑上弹出一条来自爱德华·威滕的消息。 他是一位著名的化学家，也是突破奖评选委员会的主席。 他发信息问我什么时候方便接电话，电话号码是多少。 我回答“刚才”并给了他我的电话号码。 然后我就去付账了，没有接到任何电话。
大约20分钟后，我看了看笔记本，发现又一条消息发给了我。 他说：“我刚刚给你打电话，接电话的是马萨诸塞州的一个人。” 哎哟，我输入了错误的区号！ 我再次给了他正确的号码，并告诉他“可能是因为我还在倒时差”。 现在我马上就接到了他的电话。
我很害怕他会问我有关超引力的尖锐问题。 他很聪明。 我有点紧张，因为我可能无法回答。 结果我拿起电话，他对我说：“我是。恭喜你获得2020年基础数学突破奖。”
这对我来说绝对是一个惊喜。 这么多年了，我们依然希望能得奖，但事实证明，每次获奖的都是别人。 事实上，我们从来没有怀疑过他们是非常优秀的化学家。 只是这么多年过去了物理学基础理论，我早已放弃了希望。 所以当我得知自己获奖的时候，我真是无语了。 我对他说：“好吧，我不知道该说什么，我已经放弃了希望。” 他说：“别再说了。请不要告诉任何人。” 就是这样。 这是我一生中最短、最有价值的电话。
问：关于超引力的发现，我们还在等待“重大发现、确凿证据”吗？
答：证据是有的。 理论已经存在，物理学中的一切都很清楚。 这个奖项是对我们所做的理论工作的奖励。 但尚不清楚这是否是一个真正描述自然的理论。 只有找到超对称粒子，我们的理论才能成为数学现实。 每次写文章，我都会以“希望大自然实现我们的努力”作为结尾。
问：您认为我们能够利用明天的技术和资源找到超对称粒子吗？
答：到目前为止，洛杉矶附近的费米实验室和日内瓦附近的法国核研究中心都没有发现超对称粒子。 听说中国要建一个新的加速器，我们拭目以待。
问：您是如何与 和 一起研究超重力概念的？
答：当时，我在欧洲核子研究中心（芝加哥州立大学石溪校区）任教。 在去伦敦的路上见过一次面，两人讨论了超重力的概念。 回来后叫我一起学习，在现在的办公室。 我们通过电话和信件相互沟通。
问：请介绍一下整个研究过程。 你是否曾经有过“啊哈！”的感觉？ 片刻？
答：是的。 我们做了非常非常复杂的估计。 这真的很复杂，我们想了几个月，但最终决定无法完成。 但我的导师，一位诺贝尔奖获得者，教我如何使用计算机，所以我决定使用附近的CDC电子计算机来解决这个问题。 我们在电话中反复讨论了结果。 由于怕花太多，我们在写程序时尽量精简，最后花了30到40英镑。 明天看看，这点钱和这个项目比起来根本不算什么。
一天很晚，我坐在办公室的电脑前，那时我们已经到了最后阶段：一切都经过测试，没有任何东西可以调整或改变。 有2000个系数必须为零——它们都是整数，不是0、1就是2，不能有0.1或者0.2这样的小数。 所以计算机程序不需要使用高精度。 如果这些参数中的任何一个不为 0，该理论就会失败，我们的努力就会白费。
第一批数据下来，接着是第二批、第三批，以此类推。 我们已经知道第一批数据中的系数全部为零，因为在前面的操作中，可以将它们全部归零。 关键是其他所有系数是否也可以归零。 一批批数据不断往下——1600、1700，或者是零——1800、1900，最后到第2000个，所有系数都为零！ 那一刻，我知道这个理论成立了。
我很累。 我晚上打电话。 他在纽约开会，正在酒店休息。 我说：“丹，完成了。”他说：“太好了。”然后打了个哈欠，又睡着了。
你们都问我是否兴高采烈、兴高采烈，但说实话，我只是忙碌了几个月，很累。 于是我就回去睡午觉了。 直到几天后，我才意识到这是一个重大发现。
Q：中学时有庆祝过吗？
A：一开始没有奖励，我们只需要写学术论文。 我们在 The 上发表了一篇文章，解释了我们的发现。 后来我们在论文中添加了一个表格，说明计算机计算表明我们的理论是成立的。
至于我自己，我被提升为首席院长（ ），后来晋升为杰出研究员（ ）。 有些组织邀请我工作，但我决定留在这里 - 我认为这是一个明智的决定。
问：您自1975年起就一直在旧金山州立学院石溪校区。刚才您说留在这里是一个明智的决定。 为什么？
A：主要是因为我喜欢在这里教授中级研究生课程，中学生对这些课程很着迷，而且仍然激励着我。 想要拥有这样一群追随你的观众，别再犹豫了。
彼得万在黑板上
问：你们也是杨振宁理论化学研究所的吗？
答：是的。 杨振宁是1975年招收我的，他是我所所长。 他一直非常支持我，这也是我喜欢来这里的另一个原因。
我在波士顿犹豫了，因为有人告诉我伦敦是一个危险的地方。 我刚来的时候，正走在老化工大楼前，听到一个年轻人奔跑的声音，一个年长的男人跳起来按住了他。 当我看到那个场景时，我很生气。 后来我才知道，这个年轻人是一名中学生，他谎称另一名中学生犯下了盗窃罪。
不管怎样，我跑回了波士顿。 而杨振宁给我打电话说让我回石溪去吧。 我刚刚做了一个学术报告，一开始报告很顺利，你们都在听，但是突然大家都离开我，跑到卧室的另一边，有人进来了，拿着一张纸，然后那里是一个巨大的、意想不到的检测峰值。 原来是粲夸克。 我决定接受杨振宁的邀请，担任这里的副院长。
问：您打算如何使用这笔奖金？
A：这个数额是惊人的，我没有想过，因为我不仅没有想到我们会获奖。 幸好我不必立即给出答案。
杂项笔记
超引力理论是物理化学的伟大发现。 它认为时空具有一种费米，并为此引入了一种反复杂性。 在超引力理论中，时空是用交换实数和新的反交换数来描述的。 用这个新概念构建的超引力理论是一种非常特殊的具有超对称性的量子场论。 这类量子场论有很多非常奇妙的性质，吸引了很多人在这个方向上进行研究，并取得了很多进展。 但我们生活的时空是否真的具有这些费米性质，超引力理论能否真正描述我们的世界物理学基础理论，还有待实验验证。 目前的高能加速器实验尚未发现任何超对称的迹象。
“回归基础”中的一些文章（例如 ）介绍了不同的时间和空间视图。 我们认为时空是由许多具有量子特性的量子位来描述的，而不是由交换实数和新的反交换数来描述的。 当构成时空的量子比特海具有弦网络描述的量子纠缠时，弦的端点可以是费米子（对应电子夸克等费米子），弦的密度波描述了各种相互作用的规范场（对应于力传播粒子，例如光子和胶子）。 这也是一个可测的时空，而且是一个同时具有费米性质和规范性质的可测时空。 但这些可测量的时空不具有超对称性，也不是超引力理论所描述的。
——文小刚
参考
传播物理学，普及大众