Специалната премия по физика „Пробив” е връчена за теорията на супергравитацията

Станаха известни имената на учените, на които им е присъдена специалната премия „Пробив” (Breakthrough Prize) по фундаментална физика за 2019 година. С наградата са удостоени Серджо Ферара (Sergio Ferrara) от ЦЕРН, Даниел Фридман (Daniel Freedman) от Масачузетския технологичен институт и Питър ван Нювенхьойзен (Peter van Nieuwenhauzen) от Университета Стоуни-Брук. Официалната формулировка гласи „за разработване (теорията) на супергравитацията, в която квантовите променливи се явяват част от описанието на геометрията на пространство-времето”. Учените ще си разделят сума от три милиона долара.

За да се обясни за какво става въпрос, трябва да се започне отдалеч. Ще напомним, че всички сили в природата са проява на четири фундаментални взаимодействия между елементарните частици : силно, слабо, електромагнитно и гравитационно взаимодействия.

Огромен успех за науката на ХХ век стана създаването на Стандартния модел на елементарните частици на основа на квантовата теория на полето, описваща първите три взаимодействия. В този модел всички елементарни частици се разглеждат като кванти на съответстващите полета. Не само фотонът се смята за квант на електромагнитното поле, но и електронът и позитронът – кванти на електронно-позитронното поле и така нататък. Другият голям успех беше Общата теория на относителността (ОТО), обяснявайки гравитацията като изкривяване на пространство-времето.

Двете теории са прекрасно проверени експериментално и чрез наблюдения, но и двете имат своите проблематични моменти. Така например масата на някои частици, съгласно изчисленията по Стандартния модел, се получава на доста порядъка по-голяма, отколкото е в действителност. А общата теория на относителността не може да обясни, какво става в центъра на черните дупки. По нейните уравнения, там кривината на пространство-времето се обръща в безкрайност, и математиката се оказва безсилна.

Неприятно е и това, че е невъзможно да се съгласуват двете теории една с друга. Например, при опит да се използва квантовият подход към ОТО, някои от събитията се получават с безкрайна вероятност, което е немислимо. Вероятността не може да бъде по-голяма от единица. Наистина, ефектите на ОТО са забележими само за много тежки тела, такива като небесните тела, а квантовите явления – за много малките, такива като атомите. По тази причина необходимостта за използването към един и същ обект двете теории заедно не възниква почти никога. Изключение правят микроскопичните черни дупки и Вселената в онези части от секундата след Големия взрив.

Но така или иначе, физиците се притесняват, че двете най-задълбочени, всеобхватни и проверени теории в историята на науката не се съгласуват помежду си. Явно те не отчитат нещо много важно. За това говорят и, посочените по-горе, собствени проблеми на Стандартния модел и ОТО.

Опит да се отговори на трудните въпроси, стоящи пред Стандартния модел, стана теорията на суперсиметрията, предложена през 1973 година от Юлиус Вес (Julius Wess) и Бруно Цунимо (Bruno Zunimo).

Както е известно, всички елементарни частици се делят на две големи групи – фермиони и бозони. В теорията на суперсиметрията се предполага, че всяка частица си има,така наречения, суперпартньор. При електрона това е „суперелектрона”, при фотона – “суперфотона” и така нататък. Суперпартньор на фермион винаги е бозон, а на бозона – фермион. Свойствата на частиците и техния суперпартньор са свързани помежду си с определен математически закон.

Тази теория е привлекателна по няколко причини. Първо, тя обяснява защо частиците имат „неправилна” маса и второ, чрез нея конструкцията на теоретичната физика става по-завършена и красива ( а за физиците-теоретици това са важни критерии).

Суперпартньор засега не е открит за нито една известна елементарна частица, тоест теорията още не е проверена. Още повече, някои от резултатите на експериментите противоречат на тази теория (във всеки случай на някои от нейните варианти). Това не отчайва физиците, защото свойствата на суперпартньорите могат да ги правят трудноуловими за съществуващите детектори и ускорители. Това по принцип прави „суперчастиците” прекрасни кандидати за ролята на тъмна материя.

Ферара, Фридман и Нювенхьойзен през 1976 година допълниха теорията за суперсиметрията, включвайки в нея гравитацията. В допълнение към гравитона, хипотетичната частица пренасяща гравитационното взаимодействие, те въведоха нейния суперпартньор – гравитино. Гравитонът се явява бозон, а гравитиното както му се полага според суперсиметрията – фермион.

Моделът на супергравитацията стана един от най-успешните опити да се съгласува ОТО с квантовата теория на полето. Използваният от учените математически апарат включва променливи, описващи изкривяванията на пространство-времето.

Човечеството засега няма техническа възможност експериментално да провери концепцията на супергравитацията. Но безспорно е едно. Тя оказа силно въздействие на теоретичната мисъл.

Така например, беше показано, че някои теореми, които много трудно се доказват с помощта на математическия апарат на общата теория на относителността, решението им в теорията на супергравитацията се оказва проста задача. Освен това, супергравитацията стана неотделима част от теорията на струните. Идеите на лауреатите изиграха важна роля в работите на други физици за квантовите черни дупки, „холографската” теория на гравитацията и други.

„Когато ние мислим за великите произведения на човешкото въображение, ние често имаме предвид изкуството, музиката и литературата” – казва руския милиардер Юрий Милнер, един от основателите и спонсори на наградата „Пробив” – Но някои от най-дълбоките и красиви творения принадлежат на учените. Теорията на супергравитацията вдъхновяваше физиците в продължение на десетилетия и може да съдържа дълбоки истини за природата на реалността”.

Официално премията ще бъде връчена на 3 ноември 2019 година.

Специалната премия – това е допълнение към основната премия „Пробив” по фундаментална физика, която се присъжда ежегодно. Специалната премия може да бъде присъдена по всяко време и за научни достижения с всякаква давност.

Специалната награда за 2019 година стана петата в историята на премията „Пробив”. По-рано с нея бяха удостоени световно известният физик Стивън Хокинг, седем учени от ЦЕРН, чиято работа доведи до откриването на бозона на Хигс, съвместният екип LIGO, който откри гравитационните вълни и Джоселин Бел (Joselyn Bell) за откриването на пулсарите.