Super Nagroda Supergravity Snags: 3-milionowa specjalna nagroda specjalna za przełom



Specjalna przełomowa nagroda w dziedzinie fizyki fundamentalnej, warta 3 miliony dolarów, została przyznana trzem badaczom, którzy opracowali w latach 70. teorię zwaną supergrawitacją, która usiłuje zjednoczyć wszystkie cztery podstawowe siły natury. Daniel Freedman, obecnie w Massachusetts Institute of Technology, Sergio Ferrara, obecnie na University of California w Los Angeles, i Peter van Nieuwenhuizen z Stony Brook University współpracowali nad tym podejściem do rozwiązywania pozornych konfliktów między dwiema najbardziej podstawowymi teoriami fizyki: mechanika kwantowa, która opisuje mikroskopijny świat atomów i cząstek oraz ogólna teoria względności, która opisuje siłę grawitacji i jej wpływ na skale kosmiczne.

Michael Duff z Imperial College London, który pracował nad grawitacją kwantową od lat 70., z zadowoleniem przyjmuje nagrodę i nazywa trzech odbiorców „godnymi zwycięzcami”. Cztery dekady po opracowaniu supergrawitacji nadal nie ma empiriil dowód, że pomysł jest poprawny. Ale Nagroda Przełomowa w dziedzinie fizyki podstawowej ma ugruntowaną historię nagradzania pomysłów, które wciąż nie są weryfikowane eksperymentalnie, co stanowi wyraźne rozróżnienie w stosunku do wymogu nagrody Nobla, że ​​koncepcje należy uznać za potwierdzone przez obserwację.

Rozpinanie supergrawitacji

Supergrawitacja zrodziła się z poszukiwania prostoty i jedności między cząsteczkami i siłami natury. Wszystkie znane cząstki są objęte teoretycznymi ramami znanymi jako Standardowy Model Fizyki Cząstek, który został ukończony w 2012 r. W Dużym Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN, europejskim centrum fizyki cząstek w pobliżu Genewy. W ramach formuły mechaniki kwantowej zwanej kwantową teorią pola trzy podstawowe siły modelu standardowego – elektromagnetyzm oraz tak zwane silne i słabe siły, które działają wewnątrz jąder atomowych – są reprezentowane przez wymianę cząstek zwanych bozonami między innymi, oddziałującymi cząsteczkami zwane fermionami. Wszystkie cząstki mają kwantową właściwość mechaniczną zwaną spinem, która dla bozonów ma wartość całkowitą (0, 1, 2 itd.). Bozony obejmują fotony, cząstki światła i nośniki siły elektromagnetyzmu oraz gluony, cząsteczki przenoszące silną siłę. Fermiony obejmują elektrony i kwarki, które są składnikami protonów i neutronów w jądrach atomowych. Fermiony mają obrót o pół liczby całkowitej: 1/2, 3/2 i tak dalej.

Ale Model Standardowy nie obejmuje czwartej podstawowej siły: grawitacji. Mimo to od dawna uzgodniono, że grawitacja powinna mieć odpowiedniego bozonu zwanego grawitonem, który miałby obrót o wartości 2. Obserwacja fal grawitacyjnych w 2015 r. (Która została również nagrodzona nagrodą za przełom, a także Nagrodą Nobla) Ferrara mówi, że zasadniczo potwierdził to zdjęcie.

Na początku lat siedemdziesiątych kilku badaczy niezależnie zaproponowało, że bozony i fermiony mogą być ze sobą powiązane poprzez fundamentalną symetrię zwaną supersymetrią. W tym ujęciu, bardzo wcześnie po Wielkim Wybuchu, który zapoczątkował nasz wszechświat, jeden rodzaj cząstek podzielił się na te dwie rodziny w procesie „łamania symetrii”, raczej jak rozgałęzienie sieci rzecznej. Supersymetria przewiduje, że każda znana cząstka ma jeszcze niewykrytego partnera supersymetrycznego: na przykład bozony mają rodzeństwo „bosino”, takie jak gluino.

W 1975 r. Freedman zdał sobie sprawę, że supersymetria może zostać rozszerzona o grawitację. Włączenie to oznaczałoby, że grawiton ma supersymetrycznego partnera zwanego gravitino, który według teorii (wyjątkowo) ma obrót o wartości 3/2. On i van Nieuwenhuizen, pracujący w Stony Brook, zaczęli gromadzić swoją wiedzę specjalistyczną, aby zastanowić się nad problemem. Teoria naprawdę zaczęła się rozwijać, gdy podczas wizyty w Paryżu Freedman poznał Ferrarę, która wówczas pracowała w CERN. Kiedy powrócił do USA później tego samego roku, Freedman powiedział: „Myślałem, że resztę znajdę za dwa tygodnie. Ale tak się nie udało ”.

W rzeczywistości zajęło mu i van Nieuwenhuizenowi wiele miesięcy żmudnych obliczeń, niektóre z nich wykonano przy użyciu sprzętu komputerowego w Brookhaven National Laboratory. Aby teoria zadziałała, musieli wykazać, że około 2000 wyrazów w ich złożonych równaniach zostało anulowanych do zera. Van Nieuwenhuizen wspomina noc, kiedy wyniki dotarły do ​​linii telefonicznej z Brookhaven – wszystkie 2000 zer, pojedynczo. „Całe moje życie zostało całkowicie zmienione tej nocy” – mówi. Freedman, van Nieuwenhuizen i Ferrara opublikowali swoją teorię w 1976 roku.

Niektóre z tych pomysłów zostały później wykorzystane w latach osiemdziesiątych do opracowania teorii superstrun, wersji teorii strun – w której cząstki są reprezentowane jako wibrujące jednowymiarowe obiekty zwane „strunami” – które zawierają supersymetrię. „Supersymetria i supergrawitacja były kluczowymi elementami w ambitnym programie wykorzystania łańcuchów do stworzenia spójnej kwantowej teorii grawitacji” – mówi fizyk cząstek John Ellis z CERN.

Wielu badaczy zgadza się z Ellisem, że teoria strun jest obecnie najlepszą nadzieją na teorię grawitacji kwantowej – bez wątpienia powód poprzednich nagród Przełomu za pracę nad teorią strun. Ale pomimo intensywnego rozwoju tego pomysłu, teoria strun nie była w stanie dostarczyć żadnych prognoz, które mogłyby zostać poddane testom eksperymentalnym z obecną generacją zderzaczy cząstek – potrzebne energie są zdecydowanie zbyt duże. Ta sytuacja wywołała gorącą debatę na temat tego, czy teorię strun można w ogóle uznać za „prawdziwą naukę”.

Jeśli jednak supersymetryczna teoria strun jest poprawna, to samo dotyczy supergrawitacji: Freedman wyjaśnia, że ​​ta ostatnia wyłania się z teorii przy stosunkowo niskich energiach, podobnie jak mechanika i grawitacja Newtona reprezentują limity niskiej energii specjalnych i ogólnych teorii względności Einsteina . Supergrawitacja stanowi również podstawę kilku innych osiągnięć nagradzanych poprzednimi nagrodami przełomowymi, takich jak praca Stephena Hawkinga nad termodynamiką czarnej dziury – która uzyskała Specjalny przełom w 2013 r. – i tak zwana korespondencja przeciw teorii Sittera / konformalnej teorii pola, związek między teorią strun a kwantową teorią pola, zaproponowany w 1997 r. przez Juana Maldacena, obecnie w Institute for Advanced Study w Princeton, NJ. jako kandydat do tajemniczej ciemnej materii, która ma przewyższać widzialną materię wszechświata mniej więcej pięciokrotnie. „Supergrawitacja była miejscem akcji w latach 80.” – mówi pisarz i były fizyk Graham Farmelo, którego książka z 2019 r. bada teorię strun.

Czekam na przełom

Supersymetria znalazła się pod ostrzałem po tym, jak LHC nie znalazło dowodów na to, że żąda nowych cząstek. Ale Duff twierdzi, że porażka w żaden sposób nie sygnalizuje problemów z podstawową ideą. „Teoria strun milczy na temat energii, przy których ujawniłaby się supersymetria” – mówi – być może potrzebne będą znacznie wyższe energie niż są obecnie dostępne. „Supersymetria wciąż żyje i kopie, a supergrawitacja była podstawą całego tego postępu”, mówi Duff.

Poza tym niektórzy uważają, że żądania komitetu Nobla dotyczące empirycznych dowodów wydają się coraz bardziej przestarzałe. Farmelo mówi, że stanowisko Nagrody Przełomowej „będzie postrzegane jako mądrzejszy wybór w perspektywie długoterminowej”. Niektórzy badacze, na przykład, winią Nobla za odmowę przyznania nagrody Hawkingowi, którego badania nad termodynamiką czarnych dziur w latach siedemdziesiątych są powszechnie uważane być poprawnym opisem natury.

Andrei Linde, który jako jeden z poprzednich laureatów nagrody przełomowej, jest obecnie część komitetu, który przyznaje nagrody, mówi, że ich celem jest „nagradzanie niezwykłych pomysłów”. „Jeśli masz tysiące ludzi pod wpływem jednego jasnego pomysłu”, dodaje, to jego wpływ zasługuje na uznanie, niezależnie od tego, czy jest eksperymentalny udowodnione czy nie. Jako świadectwo tego stanowiska mówi, że pomimo faktu, że supergrawitacja zasadniczo dotyczy fizyki cząstek elementarnych, „ja też jej używam, mimo że jestem kosmologiem”.

„Myślę, że dobrze jest mieć szereg nagród, które uznają różne aspekty nauki”, mówi Ellis. „Mam wrażenie, że nagrody Nobla czasami trafiają do eksperymentatorów, a nie do ludzi, którzy zaproponowali podstawową teorię”.

Nagroda za przełom w dziedzinie fizyki fundamentalnej została ufundowana przez inwestora i filantropa Jurija Milnera w 2012 roku. W przeciwieństwie do corocznego Przełomu, nagrodę „Specjalną” można przyznać w dowolnym momencie „w wyjątkowych przypadkach”. Nagrody są coraz częściej postrzegane jako porównywalne z Nagrodami Nobla nie tylko pod względem pieniężnym (Nobel jest wart około 1 miliona dolarów), ale także prestiż. Jak przyznaje komitet światowej sławy specjalistów, Ferrara twierdzi, że nagroda ta jest „czymś wyjątkowym” i „najważniejszą nagrodą w mojej karierze”. Dla Freedmana „ta gra bierze górę – to czapka mojej długiej kariery . ”

Van Nieuwenhuizen usłyszał o nagrodzie Eda Witta, wybitnego teoretyka strun i jednego z inaugurujących laureatów Nagrody Przełomowej 2012, którzy wchodzą w skład komisji selekcyjnej. „Siedziałem w domu i na ekranie zobaczyłem wiadomość od Eda”, mówi van Nieuwenhuizen. „Bardzo się martwiłem, że zadałby mi trudne pytanie o supergrawitację, na które nie znałem odpowiedzi”. Ale kiedy Witten zadzwonił, by powiedzieć mu prawdziwy powód przesłania, był on zaniemówił. „W przeszłości wiedziałem, że możemy być kandydatami”, mówi, „ale całkowicie zrezygnowałem z nadziei na zdobycie go”.

Jednym potencjalnie kontrowersyjnym aspektem tej decyzji jest to, że obraz supergrawitacji został również sformułowany niezależnie przez Bruno Zumino, pioniera supersymetrii, i Stanley Deser, obecnie z Brandeis University, który również opublikował swoją pracę w 1976 r. – inicjując spory o pierwszeństwo. Zumino zmarł w 2014 roku, ale pominięcie Deser w konkursie „podsyci pożary”, mówi Duff.

Poza tą sytuacją Linde przyznaje, że jest zaskakujące, biorąc pod uwagę znaczenie superwrawitacji, że jej architekci nie zostali nagrodzeni wcześniej. Ale jakie są szanse na przetestowanie teorii? Wykrywanie jakiejkolwiek cząstki supersymetrycznej zdecydowanie sugerowałoby, że teoria jest poprawna, mówi Farmelo, ponieważ istnieją argumenty, że supersymetria jest „jedynym i jedynym możliwym sposobem na rozszerzenie symetrii czasoprzestrzeni” – podstawową płaszczyzną grawitacji opisaną w ogólnej teorii względności – „ aby upewnić się, że jest kwantowo-mechaniczny. ”Jednak zebrane dowody pochodzą z wykrycia samego grawitino. „To byłoby cudowne” – mówi Freedman. Przyznaje jednak, że osiągnięcie tego będzie niezwykle trudne, ponieważ gravitino powinno tak słabo oddziaływać z innymi cząsteczkami. Musimy być cierpliwi, mówi Ferrara, wskazując, że bozon Higgsa został zaobserwowany dopiero pięćdziesiąt lat po jego pierwszym przewidywaniu. W przypadku cząstek supersymetrycznych, takich jak grawitino, mówi: „wciąż mamy jeszcze kilka dekad”, zanim uznamy, że jest to zaległe.

Van Nieuwenhuizen ma nadzieję, że nowy zderzacz o większej energii niż LHC planowany w Chinach może zobaczyć cząstki supersymetryczne. Liczy na 50 procent szansy, że wydarzy się to za jego życia. Jednak dla jego zwolenników supersymetria i towarzysząca jej supergrawitacja wydają się nie tylko prawdopodobne, ale praktycznie nieuniknione. „Myślę, że nieuniknione jest, że cząstka spin-3/2 (gravitino) jest realizowana w naturze”, mówi Freedman. „Nie ma porównywalnej teorii” – przekonuje Ferrara – „szkoda byłoby, gdyby natura jej nie wykorzystała”.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *