在普林斯頓物理系二樓還能找到阿爾伯特·愛因斯坦的桌子，這張桌子放在一塊從地板到天花板的黑板前，黑板上寫滿了方程式。這張桌子似乎體現了這位頭髮捲曲天才的精神。愛因斯坦從來沒有實現過他的這個目標：即用一個統一的理論，在一個連貫的框架中解釋自然界。在過去的一個世紀里，研究人員在一個「標準模型」中拼湊了已知四種物理力中三種之間的聯繫，但是第四種力，引力，一直是獨立存在。多虧普林斯頓大學的教職員工和其他在這裡受訓的人所提出的見解，引力正從寒冷中被引入——儘管其方式與愛因斯坦的想像相去甚遠。儘管還不是「萬物理論」，但這個20多年前建立並仍在完善的框架，揭示了愛因斯坦引力理論與物理學其他領域聯繫的驚人方式，為研究人員提供了解決難以捉摸的問題的新工具。

博科園-科學科普：最關鍵的觀點是引力（把棒球帶回地球並控制著黑洞生長的力）在數學上與構成我們周圍所有物質的亞原子粒子古怪行為是相關的。這一發現使科學家們能夠利用物理學的一個分支來理解物理學其他看似無關的領域。到目前為止，這一概念已經被應用到很多領域，從黑洞為什麼會產生溫度，到蝴蝶拍打翅膀如何在地球的另一邊引發風暴。引力和亞原子粒子之間的這種相關性為物理學提供了一種羅塞塔石碑。問一個關於引力的問題，你會得到一個亞原子粒子的解釋，反之亦然。普林斯頓大學(Princeton)尤金?希金斯(Eugene Higgins)物理學教授伊戈爾?克里巴諾夫(Igor k李巴諾夫)表示：這被證明是一個極其富裕的區域，它位於許多物理領域的交匯處。

從很小的弦

上世紀70年代當研究人員在探索被稱為夸克的微小亞原子粒子時，這種對應關係的種子就開始萌芽。這些實體就像俄羅斯玩偶一樣嵌在質子里，質子又佔據了構成所有物質的原子。當時物理學家們發現，無論你多麼努力地把兩個質子擊碎在一起，也無法釋放夸克——夸克仍被限制在質子內。普林斯頓大學物理學教授亞歷山大·波利亞科夫(Alexander Polyakov)就是研究夸克約束的人之一。原來夸克是由其他粒子「粘在一起」，這些粒子被稱為膠子。有一段時間，研究人員認為膠子可以組合成相互連接夸克的弦。波利亞科夫瞥見了粒子理論和弦理論之間的聯繫，但用波利亞科夫的話說：這項工作是「手搖的」，他沒有精確的例子。與此同時認為基本粒子實際上是振動弦的微小粒子想法開始流行，到20世紀80年代中期

引力把棒球帶回地球並控制著黑洞生長的力，在數學上與構成我們周圍所有物質的亞原子粒子古怪行為有關。圖片：J.F. Podevin

「弦理論」束縛了許多著名物理學家的想像力。這個想法很簡單：就像小提琴弦的振動會產生不同音符一樣，每根弦的振動預示著一個粒子的質量和行為。數學之美是不可抗拒的，並導致了人們對弦理論的熱情高漲，認為弦理論不僅可以解釋粒子，還可以解釋宇宙本身。波利亞科夫的同事之一克里巴諾夫(k黎巴嫩諾夫)於1996年在普林斯頓大學(Princeton)擔任副教授，十年前在普林斯頓大學(Princeton)獲得了博士學位。那一年，k黎巴嫩諾夫和研究生史蒂芬·古伯瑟(Steven Gubser)以及博士後研究員阿曼達·皮特(Amanda Peet)利用弦理論計算膠子，然後將他們的發現與理解黑洞的弦理論方法進行比較。他們驚奇地發現這兩種方法都得到了非常相似的答案。一年後，k黎巴嫩諾夫研究了黑洞的吸收率，發現這一次他們的結論完全一致。

這項工作僅限於膠子和黑洞的例子，胡安?馬爾達塞納(Juan Maldacena)在1997年提出了一個見解，將這些碎片拉進了一種更普遍的關係中。一年前，馬爾達塞納在普林斯頓大學獲得了博士學位，當時他是哈佛大學的助理教授。他發現了一種特殊形式的引力與描述粒子理論之間的對應關係。看到馬爾達塞納猜想的重要性，一個由古伯瑟、克里巴諾夫和波利亞科夫組成的普林斯頓團隊隨後發表了一篇相關論文，用更精確的術語闡述了這一觀點。另一位立即被這個想法吸引的物理學家是愛德華·威頓，他來自高等研究院(IAS)，這是一個獨立的研究中心，距離大學校園大約一英里。他寫了一篇論文進一步闡明了這個觀點，這三篇論文在1997年底和1998年初的結合打開了閘門。弦理論領域的領軍人物威滕說：這是一種全新的聯繫，他1976年在普林斯頓大學獲得博士學位，現在是普林斯頓大學物理學教授級別的客座講師。20年過去了，我們還沒有完全解決這個問題。

一枚硬幣的兩面

這種關係意味著重力和亞原子粒子的相互作用就像一枚硬幣的兩面。一邊是引自愛因斯坦1915年廣義相對論的引力擴展版。另一方面是粗略描述亞原子粒子行為及其相互作用的理論。後一種理論包括「標準模型」(見側欄)中粒子和力的目錄，這是一個解釋物質及其相互作用的框架，在包括大型強子對撞機在內的眾多實驗中經受住了嚴格測試。在標準模型中，量子行為被考慮在內。我們的世界，當我們到達粒子的水平，是一個量子的世界。值得注意的是，標準模型中沒有重力。然而量子行為是其他三種力的基礎，那麼為什麼引力應該免疫呢？新框架使討論變得嚴肅起來，它並不完全是我們所知道的重力，而是一個略微扭曲的版本，包含了額外的維度。

圖片：J.F. Podevin

我們所知道的宇宙有四個維度，三個維度在空間中精確定位一個物體——例如，愛因斯坦桌子的高度、寬度和深度——加上時間的第四維度。引力描述增加了一個第五維度，使時空彎曲進入一個宇宙，這個宇宙包括熟悉的四維平面空間的複製品，這些四維平面空間是根據它們在第五維度的位置重新調整的。這種奇怪的彎曲時空被稱為反德西特(AdS)空間，以愛因斯坦的合作者荷蘭天文學家威廉德西特命名。上世紀90年代末的突破是，對反德西特空間的邊緣或邊界進行數學計算，可以應用於涉及亞原子粒子量子行為的問題，這些問題由一種稱為保角場理論(CFT)的數學關係描述。這種關係提供了四時空維度的粒子理論和五維度的弦理論之間的聯繫，Polyakov之前已經看到了這一點。這種關係現在有幾個名稱與重力和粒子有關，但大多數研究人員稱之為AdS/CFT(發音為A-D-S-C-F-T)對應關係。

解決大問題

事實證明這種通信有許多實際用途，以黑洞為例。已故物理學家斯蒂芬?霍金(Stephen Hawking)震驚了物理學界，他發現黑洞的溫度之所以上升，是因為每個落入黑洞的粒子都有一個相互糾纏的粒子，可以作為熱量逃逸。當時就職於加州大學聖巴巴拉分校(University of California-Santa Barbara)的Takayanagi和Shinsei Ryu利用AdS/CFT發現了一種新的學習方法幾何上的糾纏，以一種專家認為相當了不起的方式擴展了霍金的洞見。在另一個例子中，研究人員正在使用AdS/CFT來確定混沌理論，該理論認為，一個隨機的、無關緊要的事件，如蝴蝶扇動翅膀，可能會導致大規模系統的巨大變化，如遙遠的颶風。

圖片：J.F. Podevin

計算混沌是很困難的，但是黑洞（可能是最混亂的量子系統之一）可能會有所幫助。斯坦福大學的斯蒂芬·申克和道格拉斯·斯坦福，以及馬爾達塞納，通過AdS/CFT證明了黑洞是如何模擬量子混沌的。馬爾達塞納希望AdS/CFT通訊能夠回答的一個懸而未決的問題是，在一個叫做奇點的無限緻密區域中，黑洞內部是什麼樣子的。是國際天文學會卡爾p范伯格(Carl P. Feinberg)教授馬爾達塞納說:到目前為止這種關係給我們提供了一幅從外部看到的黑洞的圖像。我們希望了解黑洞內的奇點，理解這一點可能會給大爆炸帶來有趣的認識。

引力和弦之間的關係也為夸克約束提供了新的解釋，最初是通過Polyakov和Witten的研究，後來是klevov和Matt Strassler的研究，他們當時在IAS工作。普林斯頓大學(Princeton)物理學教授的古伯瑟(Gubser)說：這些只是如何使用這種關係的幾個例子，這是一個非常成功的想法，它能引起人們的注意。它將你束縛在其他領域，它將你束縛在其他領域，它將給你一個在理論物理學上非常引人注目的有利地位。這種關係甚至可能解開引力的量子本質，這是我們從量子角度理解引力的最好線索之一，由於我們不知道還缺少什麼，無法告訴你，這幅圖景最終會有多大的一部分。

儘管如此，AdS/CFT的通信雖然強大，但依賴於時空的簡化版本，它與真實的宇宙並不完全相同。研究人員正在努力尋找方法，使這一理論更廣泛地適用於日常生活，包括古伯瑟對重離子碰撞和高溫超導體碰撞建模的研究。同樣在待辦事項清單上的是開發一個基於基本物理原理對應關係的證明。普林斯頓大學1909屆物理學教授赫爾曼·維林德(Herman Verlinde)說：愛因斯坦不太可能在沒有證據的情況下感到滿意。有時想像他還坐在那裡，不知道愛因斯坦會怎麼看我們取得的進展？

博科園-科學科普｜研究/來自：普林斯頓大學

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