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    引力在数学上与亚原子粒子动力学有关!

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      8周年🎂

      在普林斯顿物理系二楼还能找到阿尔伯特·爱因斯坦的桌子,这张桌子放在一块从地板到天花板的黑板前,黑板上写满了方程式。这张桌子似乎体现了这位头发卷曲天才的精神。爱因斯坦从来没有实现过他的这个目标:即用一个统一的理论,在一个连贯的框架中解释自然界。在过去的一个世纪里,研究人员在一个“标准模型”中拼凑了已知四种物理力中三种之间的联系,但是第四种力,引力,一直是独立存在。多亏普林斯顿大学的教职员工和其他在这里受训的人所提出的见解,引力正从寒冷中被引入——尽管其方式与爱因斯坦的想象相去甚远。尽管还不是“万物理论”,但这个20多年前建立并仍在完善的框架,揭示了爱因斯坦引力理论与物理学其他领域联系的惊人方式,为研究人员提供了解决难以捉摸的问题的新工具。

      引力在数学上与亚原子粒子动力学有关!

      博科园-科学科普:最关键的观点是引力(把棒球带回地球并控制着黑洞生长的力)在数学上与构成我们周围所有物质的亚原子粒子古怪行为是相关的。这一发现使科学家们能够利用物理学的一个分支来理解物理学其他看似无关的领域。到目前为止,这一概念已经被应用到很多领域,从黑洞为什么会产生温度,到蝴蝶拍打翅膀如何在地球的另一边引发风暴。引力和亚原子粒子之间的这种相关性为物理学提供了一种罗塞塔石碑。问一个关于引力的问题,你会得到一个亚原子粒子的解释,反之亦然。普林斯顿大学(Princeton)尤金•希金斯(Eugene Higgins)物理学教授伊戈尔•克里巴诺夫(Igor k李巴诺夫)表示:这被证明是一个极其富裕的区域,它位于许多物理领域的交汇处。

      从很小的弦

      上世纪70年代当研究人员在探索被称为夸克的微小亚原子粒子时,这种对应关系的种子就开始萌芽。这些实体就像俄罗斯玩偶一样嵌在质子里,质子又占据了构成所有物质的原子。当时物理学家们发现,无论你多么努力地把两个质子击碎在一起,也无法释放夸克——夸克仍被限制在质子内。普林斯顿大学物理学教授亚历山大·波利亚科夫(Alexander Polyakov)就是研究夸克约束的人之一。原来夸克是由其他粒子“粘在一起”,这些粒子被称为胶子。有一段时间,研究人员认为胶子可以组合成相互连接夸克的弦。波利亚科夫瞥见了粒子理论和弦理论之间的联系,但用波利亚科夫的话说:这项工作是“手摇的”,他没有精确的例子。与此同时认为基本粒子实际上是振动弦的微小粒子想法开始流行,到20世纪80年代中期

      引力在数学上与亚原子粒子动力学有关!

      引力把棒球带回地球并控制着黑洞生长的力,在数学上与构成我们周围所有物质的亚原子粒子古怪行为有关。图片:J.F. Podevin

      “弦理论”束缚了许多著名物理学家的想象力。这个想法很简单:就像小提琴弦的振动会产生不同音符一样,每根弦的振动预示着一个粒子的质量和行为。数学之美是不可抗拒的,并导致了人们对弦理论的热情高涨,认为弦理论不仅可以解释粒子,还可以解释宇宙本身。波利亚科夫的同事之一克里巴诺夫(k黎巴嫩诺夫)于1996年在普林斯顿大学(Princeton)担任副教授,十年前在普林斯顿大学(Princeton)获得了博士学位。那一年,k黎巴嫩诺夫和研究生史蒂芬·古伯瑟(Steven Gubser)以及博士后研究员阿曼达·皮特(Amanda Peet)利用弦理论计算胶子,然后将他们的发现与理解黑洞的弦理论方法进行比较。他们惊奇地发现这两种方法都得到了非常相似的答案。一年后,k黎巴嫩诺夫研究了黑洞的吸收率,发现这一次他们的结论完全一致。

      引力在数学上与亚原子粒子动力学有关!

      这项工作仅限于胶子和黑洞的例子,胡安•马尔达塞纳(Juan Maldacena)在1997年提出了一个见解,将这些碎片拉进了一种更普遍的关系中。一年前,马尔达塞纳在普林斯顿大学获得了博士学位,当时他是哈佛大学的助理教授。他发现了一种特殊形式的引力与描述粒子理论之间的对应关系。看到马尔达塞纳猜想的重要性,一个由古伯瑟、克里巴诺夫和波利亚科夫组成的普林斯顿团队随后发表了一篇相关论文,用更精确的术语阐述了这一观点。另一位立即被这个想法吸引的物理学家是爱德华·威顿,他来自高等研究院(IAS),这是一个独立的研究中心,距离大学校园大约一英里。他写了一篇论文进一步阐明了这个观点,这三篇论文在1997年底和1998年初的结合打开了闸门。弦理论领域的领军人物威滕说:这是一种全新的联系,他1976年在普林斯顿大学获得博士学位,现在是普林斯顿大学物理学教授级别的客座讲师。20年过去了,我们还没有完全解决这个问题。

      一枚硬币的两面

      这种关系意味着重力和亚原子粒子的相互作用就像一枚硬币的两面。一边是引自爱因斯坦1915年广义相对论的引力扩展版。另一方面是粗略描述亚原子粒子行为及其相互作用的理论。后一种理论包括“标准模型”(见侧栏)中粒子和力的目录,这是一个解释物质及其相互作用的框架,在包括大型强子对撞机在内的众多实验中经受住了严格测试。在标准模型中,量子行为被考虑在内。我们的世界,当我们到达粒子的水平,是一个量子的世界。值得注意的是,标准模型中没有重力。然而量子行为是其他三种力的基础,那么为什么引力应该免疫呢?新框架使讨论变得严肃起来,它并不完全是我们所知道的重力,而是一个略微扭曲的版本,包含了额外的维度。

      引力在数学上与亚原子粒子动力学有关!

      图片:J.F. Podevin

      我们所知道的宇宙有四个维度,三个维度在空间中精确定位一个物体——例如,爱因斯坦桌子的高度、宽度和深度——加上时间的第四维度。引力描述增加了一个第五维度,使时空弯曲进入一个宇宙,这个宇宙包括熟悉的四维平面空间的复制品,这些四维平面空间是根据它们在第五维度的位置重新调整的。这种奇怪的弯曲时空被称为反德西特(AdS)空间,以爱因斯坦的合作者荷兰天文学家威廉德西特命名。上世纪90年代末的突破是,对反德西特空间的边缘或边界进行数学计算,可以应用于涉及亚原子粒子量子行为的问题,这些问题由一种称为保角场理论(CFT)的数学关系描述。这种关系提供了四时空维度的粒子理论和五维度的弦理论之间的联系,Polyakov之前已经看到了这一点。这种关系现在有几个名称与重力和粒子有关,但大多数研究人员称之为AdS/CFT(发音为A-D-S-C-F-T)对应关系。

      解决大问题

      事实证明这种通信有许多实际用途,以黑洞为例。已故物理学家斯蒂芬•霍金(Stephen Hawking)震惊了物理学界,他发现黑洞的温度之所以上升,是因为每个落入黑洞的粒子都有一个相互纠缠的粒子,可以作为热量逃逸。当时就职于加州大学圣巴巴拉分校(University of California-Santa Barbara)的Takayanagi和Shinsei Ryu利用AdS/CFT发现了一种新的学习方法几何上的纠缠,以一种专家认为相当了不起的方式扩展了霍金的洞见。在另一个例子中,研究人员正在使用AdS/CFT来确定混沌理论,该理论认为,一个随机的、无关紧要的事件,如蝴蝶扇动翅膀,可能会导致大规模系统的巨大变化,如遥远的飓风。

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      图片:J.F. Podevin

      计算混沌是很困难的,但是黑洞(可能是最混乱的量子系统之一)可能会有所帮助。斯坦福大学的斯蒂芬·申克和道格拉斯·斯坦福,以及马尔达塞纳,通过AdS/CFT证明了黑洞是如何模拟量子混沌的。马尔达塞纳希望AdS/CFT通讯能够回答的一个悬而未决的问题是,在一个叫做奇点的无限致密区域中,黑洞内部是什么样子的。是国际天文学会卡尔p范伯格(Carl P. Feinberg)教授马尔达塞纳说:到目前为止这种关系给我们提供了一幅从外部看到的黑洞的图像。我们希望了解黑洞内的奇点,理解这一点可能会给大爆炸带来有趣的认识。

      引力在数学上与亚原子粒子动力学有关!

      引力和弦之间的关系也为夸克约束提供了新的解释,最初是通过Polyakov和Witten的研究,后来是klevov和Matt Strassler的研究,他们当时在IAS工作。普林斯顿大学(Princeton)物理学教授的古伯瑟(Gubser)说:这些只是如何使用这种关系的几个例子,这是一个非常成功的想法,它能引起人们的注意。它将你束缚在其他领域,它将你束缚在其他领域,它将给你一个在理论物理学上非常引人注目的有利地位。这种关系甚至可能解开引力的量子本质,这是我们从量子角度理解引力的最好线索之一,由于我们不知道还缺少什么,无法告诉你,这幅图景最终会有多大的一部分。

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      尽管如此,AdS/CFT的通信虽然强大,但依赖于时空的简化版本,它与真实的宇宙并不完全相同。研究人员正在努力寻找方法,使这一理论更广泛地适用于日常生活,包括古伯瑟对重离子碰撞和高温超导体碰撞建模的研究。同样在待办事项清单上的是开发一个基于基本物理原理对应关系的证明。普林斯顿大学1909届物理学教授赫尔曼·维林德(Herman Verlinde)说:爱因斯坦不太可能在没有证据的情况下感到满意。有时想象他还坐在那里,不知道爱因斯坦会怎么看我们取得的进展?

      博科园-科学科普|研究/来自:普林斯顿大学

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