價值 300 萬美元的基礎物理學特別突破獎已頒發給三位研究人員，他們在 1970 年代提出了一種名為超引力的理論，該理論試圖統一自然界的四種基本力。丹尼爾·弗裡德曼，現就職於麻省理工學院，塞爾吉奧·費拉拉，現就職於加州大學洛杉磯分校，以及石溪大學的彼得·範·尼烏文惠岑合作研究了這種方法，以解決物理學中兩個最基本理論之間明顯的衝突：量子力學（描述原子和粒子的微觀世界）和廣義相對論（描述引力及其對宇宙尺度的影響）。
倫敦帝國學院的邁克爾·達夫自 1970 年代以來一直從事量子引力研究，他對該獎項表示歡迎，並稱三位獲獎者“當之無愧”。在超引力被提出四十年後，仍然沒有實驗證據表明該理論是正確的。但基礎物理學突破獎在獎勵仍然缺乏實驗驗證的想法方面有著良好的記錄，這與諾貝爾獎要求概念必須經觀察證實的做法截然不同。
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超引力誕生於尋求在自然界的粒子和力之間找到簡潔性和統一性的努力。所有已知的粒子都包含在被稱為粒子物理學標準模型的理論框架內，該模型於 2012 年隨著希格斯玻色子的發現而在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上完成，歐洲核子研究中心是位於日內瓦附近的歐洲粒子物理中心。在被稱為量子場論的量子力學公式中，標準模型的三種基本力——電磁力以及所謂的強力和弱力（作用於原子核內部）——由被稱為玻色子的粒子在其他相互作用的被稱為費米子的粒子之間交換來表示。所有粒子都具有稱為自旋的量子力學性質，對於玻色子，自旋具有整數值（0、1、2 等等）。玻色子包括光子（光粒子和電磁力的力載體）和膠子（傳遞強力的粒子）。費米子包括電子和夸克，夸克是原子核中質子和中子的組成部分。費米子具有半整數自旋：1/2、3/2 等等。
但標準模型並未包含第四種基本力：引力。即便如此，長期以來人們一直認為引力應該有一種相應的玻色子，稱為引力子，它將具有自旋為 2。費拉拉說，2015 年引力波的觀測（也獲得了突破獎和諾貝爾獎）基本上證實了這一圖景。
在 1970 年代早期，幾位研究人員獨立提出，玻色子和費米子可能透過一種稱為超對稱性的基本對稱性相互關聯。在這種觀點中，在我們宇宙開始的大爆炸之後非常早期，單一型別的粒子在“對稱性破缺”過程中分裂成這兩個族群，很像河流網路的 branching。超對稱性預測，每個已知的粒子都有一個尚未被探測到的超對稱夥伴：例如，玻色子有“玻西諾”兄弟姐妹，例如膠微子。
1975 年，弗裡德曼意識到超對稱性可以擴充套件到包括引力。這種包含意味著引力子有一個超對稱夥伴，稱為引力微子，該理論預測引力微子（唯一地）具有自旋 3/2。他和範·尼烏文惠岑在石溪大學工作，開始彙集他們的專業知識來思考這個問題。當弗裡德曼在巴黎訪問時遇到了當時在歐洲核子研究中心工作的費拉拉時，該理論真正開始興起。弗裡德曼說，當年晚些時候他回到美國時，“我以為我會在兩週內找到剩下的部分。但事情並非如此。”
事實上，他和範·尼烏文惠岑花了幾個月的時間進行費力的計算，其中一些計算是使用布魯克海文國家實驗室的計算機裝置進行的。為了使該理論成立，他們需要證明他們複雜方程中大約 2,000 項都精確地抵消為零。範·尼烏文惠岑回憶起結果從布魯克海文透過電話線傳來的那個晚上——全部 2,000 個零，一次一個。“我的整個生命在那晚完全改變了，”他說。弗裡德曼、範·尼烏文惠岑和費拉拉於 1976 年發表了他們的理論。
其中一些想法後來在 1980 年代被用於發展超弦理論，這是一種弦理論版本——其中粒子被表示為稱為“弦”的振動一維物體——它包含了超對稱性。“超對稱性和超引力是使用弦來構建一致的量子引力理論的宏偉計劃中的關鍵要素，”歐洲核子研究中心的粒子物理學家約翰·埃利斯說。
許多研究人員都同意埃利斯的觀點，即弦理論現在是量子引力理論的最佳希望——毫無疑問，這也是突破獎此前獎勵弦理論工作的原因。但是，儘管對該想法進行了深入發展，但弦理論一直未能提供任何可進行實驗檢驗的預測，而目前的粒子對撞機——所需的能量極其巨大。這種情況引發了激烈的辯論，即弦理論是否可以被認為是“真正的科學”。
然而，如果超對稱弦理論是正確的，那麼超引力也是正確的：弗裡德曼解釋說，後者是在相對較低的能量下從該理論中湧現出來的，就像牛頓力學和引力代表愛因斯坦的狹義和廣義相對論的低能量極限一樣。超引力也支撐了先前突破獎獎勵的其他幾項進展，例如已故的斯蒂芬·霍金關於黑洞熱力學的研究——該研究於 2013 年獲得了特別突破獎——以及所謂的反德西特/共形場論對應，這是弦理論和量子場論之間的一種聯絡，由胡安·馬爾達西那於 1997 年提出，他現在就職於新澤西州普林斯頓高等研究院。超引力預測的引力微子也被認為是神秘暗物質的候選者，據認為暗物質比宇宙可見物質重約五倍。“超引力是 1970 年代後期和 1980 年代早期所有行動的中心，”作家兼前物理學家格雷厄姆·法梅洛說，他的 2019 年著作《宇宙以數字說話》 探討了弦理論。
等待突破
在大型強子對撞機未能找到其所需的新粒子的證據後，超對稱性受到了抨擊。但達夫表示，這種失敗絕不意味著基本思想存在問題。“弦理論對於超對稱性會顯現出來的能量保持沉默，”他說——可能需要比目前可及的能量更高的能量。“超對稱性仍然充滿活力，而超引力是所有這些進展的核心，”達夫說。
此外，有些人認為諾貝爾委員會對實驗證明的要求顯得越來越過時。法梅洛說，突破獎的立場“從長遠來看將被視為更明智的選擇”。例如，一些研究人員批評諾貝爾獎拒絕授予霍金獎，霍金在 1970 年代對黑洞熱力學的研究被廣泛認為是自然的正確描述。
安德烈·林德是突破獎的先前獲得者之一，現在是頒發該獎項的委員會成員，他說他們的目的是“獎勵非凡的想法”。他補充說，“如果一個聰明的想法影響了成千上萬的人”，那麼它的影響就值得認可，無論它是否經過實驗證明。作為對該立場的證明，他說，儘管超引力從根本上說是關於粒子物理學的，“我也在使用它，即使我是一名宇宙學家。”
“我認為擁有一個獎項範圍來認可科學的不同方面是好事，”埃利斯說。“我的印象是，諾貝爾獎有時會頒發給實驗學家，而不是提出基礎理論的人。”
基礎物理學突破獎由投資者兼慈善家尤里·米爾納於 2012 年創立。與年度突破獎不同，“特別”獎可以在“特殊情況”下隨時頒發。這些獎項越來越被視為與諾貝爾獎相當，不僅在金錢價值（諾貝爾獎價值約 100 萬美元）方面，而且在聲望方面也是如此。費拉拉說，由世界知名的專家委員會頒發，使得該獎項“非常特別”並且“是我職業生涯中最重要的獎項”。對於弗裡德曼來說，“這個獎項是最棒的——它是我漫長職業生涯的頂峰。”
範·尼烏文惠岑從著名的弦理論家、2012 年首屆突破獎得主之一、評選委員會成員艾德·威滕那裡聽說了這個獎項。“我當時坐在家裡，在螢幕上看到了艾德發來的訊息，”範·尼烏文惠岑說。“我非常擔心他會問我一些關於超引力的難題，而我不知道答案。”但是，當威滕隨後打電話告訴他訊息的真正原因時，他 speechless 了。“我知道我們過去可能是候選人，”他說，“但我已經完全放棄了獲得它的希望。”
該決定的一個潛在爭議性方面是，超引力圖景也是由超對稱性的先驅布魯諾·祖米諾和現就職於布蘭迪斯大學的斯坦利·德塞獨立提出的，他們也在 1976 年發表了他們的工作——引發了關於優先權的爭議。祖米諾於 2014 年去世，但達夫說，鑑於對獲獎者人數沒有限制，將德塞排除在獎項之外似乎令人費解。
撇開這種情況不談，林德承認，考慮到超引力的重要性，其締造者沒有更早獲得獎勵是令人驚訝的。但是，看到該理論付諸檢驗的前景如何呢？法梅洛說，探測到任何超對稱粒子都將強烈暗示該理論是正確的，因為有論點認為超對稱性是“擴充套件時空對稱性（廣義相對論中描述的引力的基本框架）以確保它是量子力學的唯一可能方式”。然而，確鑿的證據將來自引力微子本身的探測。“那將是美妙的，”弗裡德曼說。但他承認，這將極其難以實現，因為引力微子與任何其他粒子的相互作用都應該非常弱。費拉拉說，我們需要耐心，他指出，希格斯玻色子在首次預測後五十年才被觀察到。他說，對於超對稱粒子（如引力微子），“我們還需要幾十年的時間”才能認為它逾期未至。
範·尼烏文惠岑希望中國計劃建造的比大型強子對撞機能量更高的新型對撞機可能會看到超對稱粒子。他估計在他有生之年發生這種情況的可能性為 50%。然而，對於超對稱性及其伴隨的超引力的擁護者來說，它們似乎不僅可能，而且幾乎不可避免。“我認為自旋為 3/2 的粒子 [引力微子] 在自然界中實現是不可避免的，”弗裡德曼說。“沒有可比的理論，”費拉拉爭辯道，“如果大自然沒有使用這個理論，那將真是太可惜了。”