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愛德華·威滕:基礎(chǔ)物理學(xué)的重大變革會在哪里?

 返樸 2020-12-23

大名鼎鼎的愛德華·威滕(Edward Witten)是如何從歷史系本科生轉(zhuǎn)而成為一名物理學(xué)家的?又是如何一步步進(jìn)入數(shù)學(xué)領(lǐng)域,在數(shù)學(xué)物理的前沿帶領(lǐng)了超弦理論的革命?又為什么,他確信基礎(chǔ)物理學(xué)下一個可能出現(xiàn)的劇變會出自“萬物源自量子比特” ,出自幾何和糾纏之間的關(guān)系?請看科普作家 Graham Farmelo(GF)對威滕(EW)的采訪。

采訪人 | 格雷厄姆·法梅洛 (Graham Farmelo)

受訪人 | 愛德華·威滕 (Edward Witten)

翻譯 | 林海 (清華大學(xué))

在數(shù)學(xué)物理領(lǐng)域,如果我們幸運(yùn)的話,像愛德華·威滕這樣聰明的頭腦大約每50年出現(xiàn)一次。自20世紀(jì)70年代后期以來,威滕就從一群試圖理解宇宙基本規(guī)律,或試圖發(fā)現(xiàn)物理學(xué)最基本方程的物理學(xué)家中脫穎而出。不僅如此,由于研究自然界的數(shù)學(xué)性質(zhì),威滕在基礎(chǔ)數(shù)學(xué)方面也具有顯著的影響力——他是唯一一位獲得菲爾茲獎?wù)碌奈锢韺W(xué)家。要知道,菲爾茲獎在數(shù)學(xué)領(lǐng)域的地位與諾貝爾獎對于物理學(xué)幾乎相同。

Edward Witten 生于1951年8月,1971年在布蘭戴斯大學(xué)獲得歷史學(xué)學(xué)士學(xué)位,輔修語言學(xué)。1976年在普林斯頓大學(xué)獲得博士學(xué)位。1976-1980年間在哈佛大學(xué)從事研究工作。之后在普林斯頓大學(xué)、普林斯頓高等研究院任教授。1990年獲菲爾茲獎。| 圖片來源:Dan Komoda/IAS

我是《宇宙以數(shù)字說話》*(The Universe Speaks in Numbers)一書的作者。威滕是我書中的核心人物,對我?guī)椭醵唷K麑τ诓稍L這件事情比較遲疑,所以當(dāng)他去年(編注:指2018年或2017年)8月同意與我談?wù)勛约旱穆殬I(yè)生涯以及數(shù)學(xué)和物理之間的關(guān)系時,我感到很高興。

在普林斯頓高等研究院的辦公室里,威滕穿著網(wǎng)球服坐在沙發(fā)上,心情舒暢。像往常一樣,他說話安靜,因此你必須認(rèn)真聆聽。而且他還使用了很多專業(yè)術(shù)語。如果你不熟悉它們,我建議你可以直接跳過去,關(guān)鍵是要了解威滕對自然界的整個圖像的思考。

他是如何對最前沿的數(shù)學(xué)產(chǎn)生興趣,卻始終是一名物理學(xué)家呢?關(guān)于這個問題,他為我們提供了一些啟發(fā)性的見解。首先,我問他是否從一開始就對數(shù)學(xué)和物理感興趣。

(*編注:自上世紀(jì)70年代以來,實(shí)驗(yàn)為物理學(xué)帶來的線索逐漸減少,許多物理學(xué)家轉(zhuǎn)向現(xiàn)代數(shù)學(xué)以尋求靈感來源,一些人對物理學(xué)的這種發(fā)展方向保持懷疑態(tài)度。在《宇宙以數(shù)字說話》一書中,作者Graham Farmelo 認(rèn)為,物理學(xué)事實(shí)上一直延續(xù)著自牛頓以來的傳統(tǒng)。他采訪了威滕、阿蒂亞、邁克爾·格林等科學(xué)家,探討了數(shù)學(xué)和物理學(xué)之間的聯(lián)系。


EW:當(dāng)我還是個孩子的時候,我對天文學(xué)非常感興趣。那是太空競賽的時期,每個人都對太空感興趣。然后,當(dāng)我長大一點(diǎn)的時候,我父親教了我微積分。有一段時間我對數(shù)學(xué)很感興趣。

GF:你說一段時間,所以那種興趣后來消退了嗎?

EW:是的,幾年之后它確實(shí)消退了,我認(rèn)為消退的原因是,在我十一歲時學(xué)了微積分后,實(shí)際上過了相當(dāng)長時間我才看到了比這更高階的數(shù)學(xué)。所以當(dāng)時我并沒有真正意識到還有更有趣、更高階的數(shù)學(xué)。這可能不是唯一的原因,但肯定是我興趣消退的一個原因。

GF:你是否曾對其他學(xué)科感興趣?因?yàn)槟汩_始學(xué)習(xí)的是歷史學(xué)之類的東西,你真的對歷史學(xué)具有對數(shù)學(xué)和物理同樣程度的興趣嗎?

EW:我想有一段時間我的設(shè)想是做新聞或歷史學(xué)之類的事情,但是大約在21或22歲的時候,我意識到自己在這方面的前景不會很好。

采訪者旁白

在學(xué)習(xí)了現(xiàn)代語言學(xué)之后,威滕參加了喬治·麥戈文(George McGovern)的總統(tǒng)競選工作,并且學(xué)習(xí)了一個學(xué)期的經(jīng)濟(jì)學(xué),然后才轉(zhuǎn)向物理學(xué)。

他來到普林斯頓大學(xué),想在理論物理學(xué)方面做博士研究。在他通過了一些初級考試之后,普林斯頓明智地接受了他。他學(xué)得很快。一位負(fù)責(zé)在實(shí)驗(yàn)室里教他的老師曾告訴我,在三周之內(nèi),威滕提出的關(guān)于實(shí)驗(yàn)的問題從基礎(chǔ)變得精妙,最后甚至達(dá)到了諾貝爾獎問題的級別。作為哈佛大學(xué)的博士后,威滕結(jié)識了一些理論物理學(xué)的先驅(qū),其中包括史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)、謝爾頓·格拉肖(Sheldon Glashow)、霍華德·喬治(Howard Georgi)和西德尼·科爾曼(Sidney Coleman),他們幫助年輕的威滕對這些新理論的數(shù)學(xué)產(chǎn)生了興趣。


EW:那幾年我學(xué)的最多的物理學(xué)家是溫伯格、格拉肖、喬治和科爾曼。他們是完全不同的。格拉肖和喬治進(jìn)行唯象模型的構(gòu)建,基本上是弱相互作用的模型構(gòu)建,對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行更詳細(xì)的描述。我發(fā)現(xiàn)它很迷人,但是在那兒找到切入口有點(diǎn)困難。如果當(dāng)時的世界有所不同,我之后的職業(yè)生涯可能就是在做他們所做的那些事情。

采訪者旁白

哇哦。這是我第一次聽到威滕說他起初希望與大多數(shù)其他理論家一樣,從真實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中汲取靈感。我想知道是什么使他改變了方向,變得如此數(shù)學(xué)化。


EW:讓我來提供一些背景。直到我讀研究生時期的那20到25年中,基本粒子物理領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)新的發(fā)現(xiàn):奇異粒子、μ子、強(qiáng)子共振態(tài)、宇稱破缺、CP(電荷-宇稱)對稱性破缺、標(biāo)度不變性、深度非彈性散射、粲夸克等。這足以給你一個大致印象。這段時間持續(xù)了超過20年,有許多重大發(fā)現(xiàn),每三年就有一次重大發(fā)現(xiàn)。那時候我認(rèn)為,如果實(shí)驗(yàn)上的驚喜和發(fā)現(xiàn)像已經(jīng)過去的25年那樣繼續(xù)出現(xiàn),那么我應(yīng)該會參與模型構(gòu)建,就像喬治和格拉肖這些同事一樣。然而,這段充滿持續(xù)不斷的驚喜和動蕩的時期在我的博士階段正好結(jié)束了,因此后來我沒有明確的方向。

GF:你當(dāng)時是否感到有些失望?

EW:我當(dāng)然感到失望,你永遠(yuǎn)會遭遇一個又一個失望。

GF:生活往往是艱難的,你會因?yàn)樵庥龃煺鄱?/span>

標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子,包括構(gòu)成物質(zhì)的費(fèi)米子(夸克和輕子),以及傳遞四種基本相互作用力的玻色子。| 圖片來源:Daniel Dominguez/CERN

EW:自那時以后又有了重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),但是步伐并不完全相同了。盡管后來的這些發(fā)現(xiàn)非常重要,但它們教給我們的知識卻更為抽象,與60年代和70年代的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相比,它們提供的構(gòu)建唯象模型的機(jī)會更少。

我想告訴你一兩個關(guān)于我與其他物理學(xué)家互動的情況。我記得最清楚的是史蒂文·溫伯格。他是“流代數(shù)”( current algebra)這個領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一,該方向是理解核力的重要組成部分。但是他認(rèn)為其他大多數(shù)物理學(xué)家都沒有正確理解它,而我也是其中之一。因此,每當(dāng)在報(bào)告會或討論會上提到“流代數(shù)”時,他總是會發(fā)表簡短的演講來解釋他對此的理解。以我為例,史蒂文的演講我大概聽了八到十次。

然后是西德尼·科爾曼。首先,科爾曼是唯一對量子場論的強(qiáng)耦合行為感興趣的人。在我做研究生時,在我的導(dǎo)師大衛(wèi)·格羅斯(David Gross)的鼓勵下,我對強(qiáng)耦合行為感興趣。也許在此我應(yīng)該解釋一下,如果你是物理專業(yè)的學(xué)生,他們會教你在量子效應(yīng)較小時該怎么辦,但是沒人告訴你在量子效應(yīng)較大時該怎么辦,這是沒有一般性答案的。針對不同問題,這時候需要用不同的方法來解決。作為一名研究生,我對此很感興趣,但是大多數(shù)時候我都會碰壁,因?yàn)閱栴}通常很棘手,而科爾曼是哈佛大學(xué)唯一對此類問題感興趣的,其他人則認(rèn)為強(qiáng)耦合是一個黑匣子,因此,他確實(shí)是我唯一可以與之互動的人。

除了與他進(jìn)行互動之外,他還讓我接觸到了一些我以前不知道的數(shù)學(xué)主題,這些后來對我的工作很重要,而大多數(shù)物理學(xué)家都不知道這些,當(dāng)然我當(dāng)時也不知道。

GF:請問你當(dāng)時是否意識到自己對高階純數(shù)學(xué)感興趣?

EW:絕對沒有。

GF:沒有嗎?

EW:沒有,一點(diǎn)也沒有。我是逐漸進(jìn)入數(shù)學(xué)領(lǐng)域的。因?yàn)槿藗円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型,所以物理學(xué)中的新問題與以前的問題并不完全相同了。標(biāo)準(zhǔn)模型帶來了新的問題。一方面,理解標(biāo)準(zhǔn)模型需要新的數(shù)學(xué)方法。就在我差不多要結(jié)束研究生階段時,亞歷山大·波利亞科夫(Alexander Polyakov)和其他人提出了楊-米爾斯瞬子(Yang-Mills instanton),事實(shí)證明它對理解物理很重要,此外它也有很多數(shù)學(xué)應(yīng)用。

采訪者旁白

你可以將瞬子視為亞原子尺度上在時空中發(fā)生的短暫事件。這些事件是由亞原子世界的規(guī)范理論所預(yù)測的。這個故事的關(guān)鍵時刻是威滕在麻省理工學(xué)院第一次與數(shù)學(xué)家邁克爾·阿蒂亞(Michael Atiyah)會面。他們將成為運(yùn)用更數(shù)學(xué)化的方法來理解自然界這一趨勢的領(lǐng)導(dǎo)者之一。


數(shù)學(xué)家 Michael  Atiyah(1929-2019)。| 圖片來源:Cliff Moore/IAS

EW:在波利亞科夫和其他人發(fā)現(xiàn)了楊-米爾斯瞬子之后,阿蒂亞發(fā)現(xiàn)了可用于求解瞬子方程的令人驚異的數(shù)學(xué)方法。他去劍橋訪問時就講了這一點(diǎn),我想那是在1977年的春天,我對此非常感興趣,所以我們討論了很多。我可能比其他大多數(shù)物理學(xué)家都更努力地理解其中涉及的數(shù)學(xué)。這次互動無疑使我學(xué)習(xí)了以前從未聽說過的各種數(shù)學(xué),包括復(fù)流形和層的上同調(diào)群等。

GF:那時對你來說,這是個新聞。

EW:是的。因此,在更基本的層面上可以說,當(dāng)幾個月前我從西德尼·科爾曼那里聽到有關(guān)阿蒂亞-辛格指標(biāo)定理(Atiyah-Singer index theorem)的消息時,它對我來說就是個新聞。

采訪者旁白

邁克爾·阿蒂亞和他的朋友伊西多爾·辛格(Isadore Singer)首先證明的指標(biāo)定理將兩個似乎沒有聯(lián)系的數(shù)學(xué)分支聯(lián)系在了一起:一方面是微積分,即關(guān)于變化量的數(shù)學(xué),另一方面是拓?fù)?,即關(guān)于物體在拉伸、扭曲或形變時不改變的特性。現(xiàn)在拓?fù)鋵τ谖覀儗疚锢韺W(xué)的理解至關(guān)重要。


EW:像那個時期的其他物理研究生一樣,對于20世紀(jì)的數(shù)學(xué),我確實(shí)沒有任何了解。因此,直到阿爾伯特·施瓦茨(Albert Schwarz)指出指標(biāo)定理與理解瞬子有關(guān)時,我才聽說了阿蒂亞和辛格,以及指標(biāo)定理的概念。即使在那時,那篇文章也沒有立即引起震動。如果科爾曼沒有指出,我不確定還要花多長時間才能意識到它的重要性。

然后,阿蒂亞等人在理解瞬子方程方面取得了進(jìn)展。實(shí)際上第一個取得進(jìn)展的是羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)的博士生理查德·沃德(Richard Ward)。我對此很感興趣,但是從某種意義上說,我感興趣的是這對物理學(xué)有什么用處。我學(xué)了那些數(shù)學(xué),或者說老師當(dāng)時在使用的一些數(shù)學(xué)。然而,對于這些數(shù)學(xué)是不是適用于物理學(xué),我有些懷疑。事實(shí)表明,我并沒有錯,因?yàn)椴ɡ麃喛品蜃畛跆岢龅哪切?shù)學(xué)方法并未完全奏效。實(shí)際上,雖然數(shù)學(xué)家們已經(jīng)清楚地闡明了瞬子方程的細(xì)節(jié),但是這對物理學(xué)家實(shí)際上做的事情并沒有幫助。從長遠(yuǎn)來看,阿蒂亞和他的同事的工作使我學(xué)到了很多以前從未聽說過的數(shù)學(xué)知識,這些后來都很重要,但是在一開始,其重要性并沒有顯現(xiàn)出來。

GF:你是從什么時候開始確信數(shù)學(xué)真的會很有趣?

EW:我想這是在上世紀(jì)80年代逐漸發(fā)生的。舉例來說,早在1981還是1982年,我試圖了解超對稱場論中所謂的真空即量子基態(tài)的性質(zhì),實(shí)際上它的某些行為很難用標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué)的想法來解釋。因?yàn)槲也幻靼?,所以一直在尋找更簡單的模型,但是它們都會遭遇同樣的問題。最后我找到了可以探索這個問題的看似最簡單的模型,但它仍然令人費(fèi)解。

有一天,當(dāng)我待在科羅拉多州阿斯彭的一個游泳池時,我想起了拉烏爾·博特 (Raoul Bott) ,實(shí)際上阿蒂亞早幾年前也在卡爾加斯做了面向物理學(xué)家的演講,他們試圖解釋一種叫莫爾斯理論(Morse theory)的東西給我們。我敢肯定,像我一樣,還有許多其他物理學(xué)家從未聽說過莫爾斯理論,也不熟悉它可以解決的任何問題。

GF:你能說說莫爾斯理論大致是什么嗎?

EW:如果有一個橡皮球在空間中移動,它會有一個最低點(diǎn),即降至最低,也有一個最高點(diǎn),即升至最高,即有一個最大值點(diǎn)和一個最小值點(diǎn)。如果有一個更復(fù)雜的表面,例如馬鞍面,它的高度函數(shù)將具有鞍點(diǎn)、點(diǎn)和點(diǎn)。莫爾斯理論將諸如高度函數(shù)之類的函數(shù)的極大點(diǎn)、點(diǎn)和鞍點(diǎn),與定義該函數(shù)的曲面或拓?fù)淞餍蔚耐負(fù)渎?lián)系了起來。

GF:你讀過麥克斯韋在1870年發(fā)表的演講 “On Hills and Dales”(論山陵和山谷)嗎?

EW:我還沒有讀過。他實(shí)際上是在描述莫爾斯理論的二維情形嗎?

GF:我無法詳細(xì)介紹,但莫爾斯理論的歷史學(xué)家經(jīng)常提到這個演講。

EW:我聽說麥克斯韋的這個演講與拓?fù)鋵W(xué)的開端有關(guān)。拓?fù)鋵W(xué)恰好大約是在那個時期剛剛開始發(fā)展起來的。

GF:你在阿斯彭游泳池獲得的啟示在物理上有用嗎?

EW:是的。對于超對稱量子理論中的真空態(tài),它有一點(diǎn)啟示作用。我進(jìn)一步發(fā)展了這一點(diǎn),起初這似乎很特殊,但最終這些異常太多,無法完全忽略。

GF:我不知道這樣說是否正確,在邁克爾·格林 (Michael Green) 約翰·施瓦茨

(John Schwarz) 發(fā)展了弦理論之后,這些才開始流行起來了,是嗎?

EW:因?yàn)楦窳趾褪┩叽膶Ψ闯?/span>(anomaly)的研究,人們所稱的第一次超弦理論革命在1984年到來,這時阿蒂亞和其他人用來研究瞬子方程的數(shù)學(xué)突然變得非常有用。因?yàn)橐斫庀依碚?,所有這些有趣的事物,比如復(fù)流形、指標(biāo)定理、層的上同調(diào)群等,在弦理論中構(gòu)造基本粒子模型時都是有用的。

我應(yīng)該給一個更好的解釋。在物理學(xué)中,我們看到的基本粒子的力基本上意味著除引力之外的所有力。引力太微弱了,我們只在像地球或太陽這樣的具有宏觀質(zhì)量的物體上看到它。我們用愛因斯坦的理論來描述引力,用量子場論來描述其余的力。要將兩者結(jié)合在一起是很困難的。在1984年之前,我們甚至無法建立一個部分合理的包含引力與其它所有力的基本粒子物理模型。格林和施瓦茨在1984年通過反常抵消(anomaly cancellation)而取得的進(jìn)展使這成為可能。

但是要建立這樣的模型,需要使用物理學(xué)家以前沒有使用過的許多數(shù)學(xué)方法,其中一些方法是由阿蒂亞和其他人在求解瞬子方程時引入的。物理學(xué)家需要使用復(fù)流形、層的上同調(diào)群,以及其它對于那個時代的物理研究生來說全然陌生的數(shù)學(xué)工具。從基本層次上而言,這些事物對于建立一個包含引力在內(nèi)的基本粒子模型是很有用的。而且,如果想要更深入地理解它,你最終會用到更多的數(shù)學(xué)。在弦理論發(fā)展到能夠以有趣的方式來構(gòu)建粒子物理模型之后,許多以前不熟悉的數(shù)學(xué)變得重要。

我所說的以前不熟悉當(dāng)然是在寬泛的意義上而言,因?yàn)轱@然有些人對此很熟悉。首先數(shù)學(xué)家對此很熟悉。其次,在某些領(lǐng)域,例如羅杰·彭羅斯在他的Twister 理論中使用了其中一些數(shù)學(xué)。但從廣義上講,大多數(shù)物理學(xué)家都不熟悉這些數(shù)學(xué)。

1984年,Michael Green 和 John Schwarz 發(fā)表了基于十維時空模型的超弦理論,消除了以往對于引力場量子化后產(chǎn)生的發(fā)散問題,從而引發(fā)了第一次超弦理論革命。

GF:因此,我們實(shí)際上在物理學(xué)方面取得了很好的成績,這對數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家來說都非常重要,他們彼此并肩工作。回顧萊布尼茨,他曾經(jīng)談?wù)撨^數(shù)學(xué)和物理之間先天建立的和諧。這是愛因斯坦最喜歡的短語之一。你是否認(rèn)為這件事是一個客觀事實(shí),這件事有一天可以被解釋嗎,或者永遠(yuǎn)無法被解釋? 你對兩者的關(guān)系有什么評論嗎?

EW:數(shù)學(xué)和物理之間的緊密聯(lián)系似乎是一個客觀事實(shí)。我無法想象解釋它意味著什么。看起來似乎是,世界是基于涉及有趣數(shù)學(xué)的理論,而許多有趣的數(shù)學(xué)則至少部分地受到其在物理學(xué)中的作用的啟發(fā)。當(dāng)然,不是全部。

GF:但是,當(dāng)你看到與物理學(xué)非常相關(guān)的一些數(shù)學(xué)時,這對你有啟發(fā)嗎?或者反過來呢? 數(shù)學(xué)和物理之間的這種和諧是否以某種方式激勵你認(rèn)為,自己處在正確的軌道上?

EW:是的,當(dāng)一件東西看起來很美時,確實(shí)會鼓勵你相信自己是處在正確的軌道上。

GF:這真是經(jīng)典的狄拉克理念。狄拉克把它當(dāng)成幾乎是一種宗教。但是我感覺到你對此更為遲疑,我不知道遲疑是不是正確的詞。

EW:發(fā)現(xiàn)狄拉克方程式后,狄拉克似乎有權(quán)利說這樣的話。

狄拉克曾說:“A theory with mathematical beauty is more likely to be correct than an ugly one that fits some experimental data.”(具有數(shù)學(xué)之美的理論更有可能是正確的,而不是與一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合的丑陋理論。)|圖片來源:Wikipedia

采訪者旁白

長期以來,威滕是弦理論框架的先驅(qū),該框架力圖對基于量子力學(xué)和相對論的自然界的所有力進(jìn)行統(tǒng)一描述。該框架用細(xì)小的弦描述自然界的基本實(shí)體。


GF:回到弦理論。你認(rèn)為弦理論是幾個候選理論中的一個,還是其中最為杰出的候選理論?我的意思是,你如何看待該框架在數(shù)學(xué)物理領(lǐng)域的地位。

EW:我認(rèn)為弦理論/M-理論是我們超越已建立的物理框架的唯一真正有趣的方向,這里的已建立的物理框架指的是量子層次上的量子場論和宏觀尺度上的經(jīng)典廣義相對論。在弦理論/M-理論的框架下,我們已經(jīng)取得進(jìn)展,我們在那里發(fā)現(xiàn)了許多有趣的東西。我認(rèn)為還有很多有趣的事情我們一點(diǎn)也不了解。

GF:但是你從未被其它路徑所吸引。其他選項(xiàng)都不是合理的候選理論嗎?

EW:我不確定你指的其它路徑是什么。

GF:比如圈量子引力?

EW:那些不過是空口白話,我認(rèn)為并沒有其它路徑。

GF:好吧。

采訪者旁白

所以我們了解了威滕的看法。格外謹(jǐn)慎的威滕認(rèn)為,如果我們想發(fā)現(xiàn)一個統(tǒng)一所有基本力的理論,弦理論是目前出現(xiàn)的唯一有趣的路徑。


上世紀(jì)90年代,隨著對偶性的發(fā)現(xiàn),超弦理論的第二次革命到來。威滕提出了十一維的M-理論,將弦理論的五種情形和超引力統(tǒng)一起來。M-理論通常被認(rèn)為是萬有理論的主要候選者。| 圖片來源:Olena Shmahalo/Quanta Magazine

GF:我們現(xiàn)在所處的階段是一個非常不尋常的時期,因?yàn)槲覀冎械暮芏嗳硕计谕笮蛷?qiáng)子對撞機(jī)產(chǎn)生巨大的粒子能量,尋找希格斯玻色子和超對稱性。我們已經(jīng)如所期待的那樣獲得了希格斯粒子。但是似乎沒有其他真正令人興奮的東西。你對我們現(xiàn)在的狀況有何看法?

EW:我這一代人伴隨著一種非常強(qiáng)烈的信念長大,這個信念是被史蒂文·溫伯格和其他人所鼓舞的。我們相信,當(dāng)物理學(xué)達(dá)到可以理解弱相互作用的能量尺度時,你不僅會發(fā)現(xiàn)電弱對稱性破缺的機(jī)制,而且會了解是什么原因決定了其能量尺度比引力的能量尺度要低。這最終使引力變得如此微弱。結(jié)果令人驚訝的是,我們達(dá)到了探測W粒子和Z粒子,甚至希格斯粒子的能量尺度,卻沒有找到這背后更廣大的機(jī)制。對于我成長時期的想法而言,這是非常令人震驚的發(fā)展。

在這40年間,還出現(xiàn)了另一件令人震驚的事情,即發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹是不斷加速的。幾十年來,物理學(xué)家們一直認(rèn)為,由于物質(zhì)間的引力吸引作用,宇宙的膨脹將會減慢,他們還試圖對其進(jìn)行測量。而事實(shí)證明,膨脹實(shí)際上是在加速。我們雖然還不確定,但看起來很有可能的是,愛因斯坦宇宙常數(shù)的效應(yīng)似乎很小,但非零。

這兩件事情很相似,都非常令人困惑。宇宙常數(shù)非常小但非零,還有弱相互作用的能量尺度以及基本粒子的質(zhì)量尺度問題,從人類的角度看,這似乎是很多能量,但是與物理學(xué)中的其它能量相比,它很小。

這兩個難題中,首先發(fā)現(xiàn)的關(guān)于引力的難題可能是討論真空宇宙景觀的主要動機(jī)。這個想法曾經(jīng)使我感到極度不舒服和不高興。我想這是由于這些難題對我們理解宇宙的嘗試構(gòu)成的挑戰(zhàn),以及可能將對距今數(shù)百億年的我們的后代造成的不利影響。我最終得以坦然面對這個想法,或許是因?yàn)槲艺J(rèn)識到宇宙并不是為了我們的方便而產(chǎn)生的。

GF:所以你接受了它嗎?

EW:我接受了景觀的理念,并且不再像多年來那樣對它感到沮喪。

GF:真的很沮喪嗎?

EW:我仍然希望會有一個不同的解釋,但是它不再像以前那樣使我沮喪。

GF:你認(rèn)為對于所有關(guān)注基礎(chǔ)物理學(xué)的人而言,主要的挑戰(zhàn)是什么?

EW:我認(rèn)為,天文學(xué)或加速器方面的新發(fā)現(xiàn)很有可能會帶來新的實(shí)際的挑戰(zhàn)。但是,就我們現(xiàn)在所知道的以及我個人的喜好而言,很難避免回應(yīng)關(guān)于宇宙學(xué)的新挑戰(zhàn)。我實(shí)際上認(rèn)為,弦理論/M-理論處在正確軌道上,正朝著更深刻的解釋邁進(jìn)。但是從最本質(zhì)的層次上來說,我們對弦理論的理解還不是很清楚。我們尚不清楚弦理論缺少什么要素,或者在哪里能找到缺失的概念。我之所以不清楚,是因?yàn)槭潞罂磥?,我們?0年代認(rèn)為缺失了哪些要素的看法非常狹隘,后來在90年代,我們并沒有發(fā)現(xiàn)原來認(rèn)為缺失的東西,而是將圖像擴(kuò)大到了意想不到的方向。因?yàn)榻?jīng)歷了那段時期,所以我覺得那種情況可能會再次發(fā)生。

如果你問我,除了宇宙學(xué)之外,另一個類似80年代和90年代的重大理論動蕩的最可能方向是什么,我認(rèn)為,“萬物源自量子比特 (it from qubit) 、幾何和糾纏之間的關(guān)系,這些是最有趣的方向之一。

采訪者旁白

“萬物源自比特” (it from bit) 是理論物理學(xué)家約翰·惠勒 (John Wheeler) 創(chuàng)造的一個名詞,他猜測,“它”,即自然物質(zhì),最終可能是由信息比特構(gòu)建的。也許信息論向我們展示了基礎(chǔ)物理學(xué)的最佳發(fā)展途徑。對關(guān)于自己所在的學(xué)科的未來發(fā)表有力的聲明這件事情,威滕通常保持謹(jǐn)慎。因此,他對現(xiàn)在非常流行的這個研究方向的興趣令我感到驚奇。


EW:如果在我的職業(yè)生涯中還會有另一場真正的動蕩,我認(rèn)為那會是最有可能的方向。在80年代初和90年代初,我都有一種感覺,在動蕩發(fā)生之前的幾年里,我感覺到動蕩最有可能來自那些方向,而結(jié)果表明那兩次的感覺確實(shí)是正確的。然后在很長一段時間里,我都不知道另一場劇變可能從何而來。到最近幾年,我開始確信它很可能是“萬物源自量子比特”,雖然我現(xiàn)在還不是這方面的先驅(qū)。我不是第一個得出這個結(jié)論或持有這種懷疑的人,但是無論如何,這就是我的觀點(diǎn)。

GF:有一本著名的書,關(guān)于量子物理學(xué)的夜間思考。如果一個弦理論家在晚上思考,有一個正在發(fā)展的奇妙理論,卻知道無法驗(yàn)證。那會困擾你嗎?

EW:當(dāng)然,它會困擾我們,但我們必須忍受我們的生存條件。讓我們回溯34年,那是在80年代初,有很多線索表明弦理論領(lǐng)域會發(fā)生重要的事情,當(dāng)格林和施瓦茨發(fā)現(xiàn)了反常抵消之后,將基本粒子物理模型與引力統(tǒng)一起來就變得可能。從那時起,我認(rèn)為方向是明確的。但是一些物理學(xué)家完全拒絕了它,理由是它可能無法測試,或者甚至認(rèn)為它將太難理解。當(dāng)時我的看法是,當(dāng)我們達(dá)到W粒子、Z粒子和希格斯粒子的能量尺度時,我們會得到各種奇妙的新線索。

我感到非常驚訝的是,有些同事會如此確信我們將無法獲得重要的線索來揭示實(shí)際上可能是有效的基礎(chǔ)性的新理論。現(xiàn)在,如果分析34年后的情況,我很想說我們雙方都有些錯了。我認(rèn)為可以從加速器中獲得線索的能量尺度目前尚未實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上,最重要的線索可能是我們已經(jīng)確認(rèn)了標(biāo)準(zhǔn)模型,雖然沒有得到我們對標(biāo)準(zhǔn)模型的全部期望。正如我之前所說的那樣,這可能是有關(guān)景觀的線索。

我認(rèn)為批評家在想法上的缺陷是,雖然令人遺憾的是,直到我剛開始讀研究生時,原本一直存在著的難以置信的動蕩、不斷的實(shí)驗(yàn)與發(fā)現(xiàn)的時期不再繼續(xù)了,但是我認(rèn)為,相比于如果我們當(dāng)初聽從了反對者的意見,沒有發(fā)展弦理論,物理學(xué)自1984年以來實(shí)際取得的進(jìn)步要大得多。

GF:而且數(shù)學(xué)的發(fā)展也從中受益。

EW:數(shù)學(xué)也從中受益,現(xiàn)在甚至物理學(xué)的其他領(lǐng)域也是如此,例如關(guān)于黑洞熱力學(xué)的新思想影響了凝聚態(tài)物理,甚至量子相變和量子混沌等其他諸多領(lǐng)域的研究。

GF:希望我們所有人都能夠看到一些完全沒有預(yù)料到的勝利,那將是最好的事情。

采訪者旁白

威滕自我表達(dá)的精確度和對模糊的哲學(xué)言語的避免總是令我震驚。基礎(chǔ)物理學(xué)和基礎(chǔ)數(shù)學(xué)之間的緊密聯(lián)系使他著迷。他不愿意進(jìn)一步說物理學(xué)和數(shù)學(xué)的關(guān)系是一種客觀事實(shí)。然而,沒有人比他更能說明這種關(guān)系。不僅數(shù)學(xué)令人難以置信地影響著物理學(xué),物理學(xué)也令人難以置信地影響著數(shù)學(xué)。威滕說,只有當(dāng)我們的現(xiàn)代理論處于正確的道路時,這才有意義。

令人驚訝的是,威滕有時會被物理學(xué)家低估,他們將他形容為數(shù)學(xué)家,對物理學(xué)只是一時的興趣。這是完全不準(zhǔn)確的。當(dāng)我與偉大的理論物理學(xué)家史蒂文·溫伯格交談時,他告訴我,他對威滕的物理直覺感到敬畏,而在其他場合他曾說,威滕腦袋里的數(shù)學(xué)多得令我難以置信



作者簡介:

格雷厄姆·法梅洛(Graham Farmelo),科普作家,著有《宇宙以數(shù)字說話》(The Universe Speaks in Numbers)、 《量子怪杰 : 保羅·狄拉克傳》等多部科普著作。


此采訪文字稿由德國法蘭克福高等研究院研究員Sabine Hossenfelder經(jīng)軟件由錄音轉(zhuǎn)換而成,于2019年5月發(fā)表于她的博客,《返樸》經(jīng)授權(quán)翻譯,翻譯內(nèi)容略有刪減。

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