詮釋了最深邃的量子引力理論的天才物理學(xué)家

8月4日，一封主題為“悲慘的消息”的電子郵件迅速傳遍了全世界的理論物理學(xué)家的朋友圈。郵件這樣寫道：“非常遺憾地告訴大家，周六早上（2019年8月3日），在法國(guó)的夏蒙尼，史蒂文·古布澤（Steven Gubser）在一場(chǎng)攀巖事故中遇難……留下了他的妻子與三個(gè)年幼的女兒。”這個(gè)消息是如此震驚，以至于幾乎所有認(rèn)識(shí)史蒂文·古布澤的物理學(xué)家都不能接受這個(gè)事實(shí)——年僅47歲的天才物理學(xué)家就這樣撒手人寰了。

少年成名

1972年5月4日，古布澤出生于美國(guó)俄克拉荷馬州。不久之后，他隨父母遷移到科羅拉多州的阿斯彭。

在阿斯彭讀中學(xué)時(shí)，史蒂文·古布澤開始喜歡上了物理，并且表現(xiàn)出極高的天賦。1989年，在波蘭華沙舉行的國(guó)際物理奧林匹克學(xué)術(shù)活動(dòng)上，17歲的古布澤在學(xué)術(shù)活動(dòng)中取得了個(gè)人最高分，成為美國(guó)歷史上第一位物理奧林匹克金牌獲得者，少年成名。次年，他又在國(guó)際化學(xué)奧林匹克學(xué)術(shù)活動(dòng)中獲得銀牌。

1990年，古布澤進(jìn)入普林斯頓大學(xué)物理學(xué)專業(yè)讀本科。古布澤的本科畢業(yè)論文十分優(yōu)秀，他被授予美國(guó)物理學(xué)會(huì)勒羅伊·阿普克獎(jiǎng)，這是本科生研究的最高榮譽(yù)。

量子引力革命

1995年，在劍橋大學(xué)用一年時(shí)間獲得碩士學(xué)位后，古布澤重返普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位，他的主要研究方向是一種量子引力理論——弦論。弦論的主要目標(biāo)是把愛因斯坦的廣義相對(duì)論量子化，從而解釋宇宙大爆炸為什么會(huì)發(fā)生、黑洞中心的奇點(diǎn)到底是什么等問題。這一領(lǐng)域?qū)?shù)學(xué)的要求極高，所以成為理論物理學(xué)研究的塔頂，很少有人能弄懂弦論的全部數(shù)學(xué)。弦論的物理思想則博大精深，以威騰為代表的弦論學(xué)家已經(jīng)把弦論發(fā)展到了10維時(shí)空，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一般物理學(xué)中4維時(shí)空的范疇。

到了1997年，弦論大革命爆發(fā)了。年輕的阿根廷物理學(xué)家馬爾達(dá)西納提出了AdS/CFT理論。AdS就是反德西特時(shí)空，這是一個(gè)具有最大對(duì)稱性的時(shí)空，其對(duì)稱性的個(gè)數(shù)與平坦的閔氏時(shí)空一樣多，但AdS時(shí)空具有負(fù)的宇宙學(xué)常數(shù)，因此其空間中各處的曲率均為負(fù)值。而CFT是共形場(chǎng)論，“在共形場(chǎng)論中，相互作用的強(qiáng)度是不隨能量的改變而改變的。所以，這給計(jì)算帶來很多方便。”德國(guó)烏茲堡大學(xué)理論物理學(xué)家巫雷尼（Rene Meyer）告訴《環(huán)球科學(xué)》。

AdS/CFT理論說的是反德西特時(shí)空中的引力，與其邊界上的共形場(chǎng)論是等價(jià)的，這是一個(gè)出人意料的聯(lián)系，被人形象地稱為“內(nèi)涵都在表面上”。

AdS/CFT理論為什么那么重要呢？

AdS/CFT理論，可以與微積分中的高斯-斯托克斯公式，或是復(fù)變函數(shù)中的柯西圍道積分公式（在實(shí)數(shù)軸上的積分，可以轉(zhuǎn)化為在復(fù)平面上的積分）進(jìn)行類比。這些公式反映出高維與低維之間的聯(lián)系。

AdS/CFT也是如此，一個(gè)表面的低維強(qiáng)耦合物理系統(tǒng)的性質(zhì)，往往可以通過其內(nèi)部的引力場(chǎng)理論反應(yīng)出來。所謂強(qiáng)耦合指的是相互作用的強(qiáng)度。例如，在高溫超導(dǎo)中，為了解釋這一系統(tǒng)中電子間相互作用比較強(qiáng)的情況，科學(xué)家可以根據(jù)AdS/CFT理論構(gòu)建一個(gè)引力系統(tǒng)。引力是比較弱的力，而且對(duì)于引力我們有完整的愛因斯坦理論可以借鑒，所以可以通過計(jì)算引力，來理解高溫超導(dǎo)等強(qiáng)耦合系統(tǒng)的性質(zhì)，這是一種“圍魏救趙”般的解題思路。

如果讀者覺得難以理解，那么可以用喝可樂來打個(gè)比方。在喝可樂的時(shí)候，如果你能看到這個(gè)可樂的易拉罐表面寫的字，就會(huì)知道它里面裝的是可樂——這就是從表面來推斷內(nèi)在，由低維來推斷高維。反過來說，如果把你的眼睛蒙起來，你看不見易拉罐表面寫了什么字，但你喝一口這個(gè)飲料，也會(huì)知道這是可樂，從而推斷出易拉罐表面寫了“可樂”的字樣——這就相當(dāng)于從高維推斷出低維。

AdS/CFT理論找到了表面與內(nèi)在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且用數(shù)學(xué)物理公式將這一關(guān)系精確表達(dá)了出來。

詮釋AdS/CFT理論

AdS/CFT理論因?yàn)槠涮赜械纳铄湫裕呀?jīng)成為理論物理學(xué)界的一個(gè)新潮流，類似于70年前的量子力學(xué)大革命。

但一開始，物理學(xué)家并不理解AdS/CFT理論，因?yàn)檫@個(gè)理論的數(shù)學(xué)與物理層面都很難懂。

多年來一直研究AdS/CFT理論的北京師范大學(xué)物理系副教授張宏寶告訴《環(huán)球科學(xué)》，這與海森堡1925年建立量子力學(xué)時(shí)的情景非常相似：“1925年海森堡寫出了量子力學(xué)矩陣力學(xué)的文章，但當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家都看不懂。”隨后，玻恩與海森堡合作了“兩人文章”，玻恩、約當(dāng)以及海森堡合作了“三人文章”，才完整勾勒出量子力學(xué)矩陣表達(dá)的物理與數(shù)學(xué)內(nèi)涵。

在AdS/CFT理論中，古布澤正是詮釋該理論的關(guān)鍵人物之一。在馬爾達(dá)西納寫出AdS/CFT論文后，古布澤與導(dǎo)師Kelebanov一起參與了后續(xù)的詮釋工作。二人與普林斯頓另一位教授Polyakov聯(lián)合發(fā)表了一篇文章，詳細(xì)闡釋了AdS/CFT對(duì)應(yīng)關(guān)系的含義。“場(chǎng)論通過計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)能預(yù)測(cè)一系列觀測(cè)量。古布澤等人通過分析AdS時(shí)空邊界條件，給出了邊界理論關(guān)聯(lián)函數(shù)的計(jì)算方法，這在理論上相當(dāng)于給出了邊界理論的全部信息。”古布澤的學(xué)生，普林斯頓大學(xué)博士生季子銘告訴《環(huán)球科學(xué)》。

隨后，威騰也寫了另一篇詮釋AdS/CFT理論的文章。“這兩篇文章對(duì)馬爾達(dá)西納的理論給出了完美詮釋，有了這些文章，大家都看懂了馬爾達(dá)西納的AdS/CFT文章。”張宏寶說。

1998年，史蒂文·古布澤作為第一作者的文章解讀了馬德西納的AdS/CFT理論

作為AdS/CFTT量子引力大革命的前鋒人物，古布澤在博士期間已經(jīng)成為量子引力領(lǐng)域的杰出新秀，其論文影響力已經(jīng)很高。

未完成的工作

此后，古布澤繼續(xù)發(fā)展了AdS/CFT理論，并且將這個(gè)理論做了一些簡(jiǎn)化。利用圖論與數(shù)論的結(jié)果，2016年，古布澤與合作者提出了p-adic AdS/CFT理論。

當(dāng)圖中每個(gè)頂點(diǎn)延伸出的邊的個(gè)數(shù)固定時(shí)，這張圖被稱作正則圖。在圖論中，可以對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)定義一個(gè)曲率，對(duì)于正則圖來說，每個(gè)頂點(diǎn)的曲率都是一個(gè)負(fù)的常數(shù)，所以這構(gòu)成了一個(gè)負(fù)常數(shù)曲率幾何，可以類比負(fù)常數(shù)曲率的AdS時(shí)空。

“這個(gè)正則樹的邊界形成了一種拓?fù)浜芴厥獾臄?shù)域，即p-adic數(shù)域。古布澤和合作者在這個(gè)幾何上給出了一個(gè)類似于AdS/CFT的例子，即考慮樹圖上的格點(diǎn)標(biāo)量理論和邊界上的p-adic標(biāo)量場(chǎng)理論之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這不僅拓展了AdS/CFT的應(yīng)用范圍，還有希望結(jié)合之前的一系列p-adic物理研究，從不同的角度理解現(xiàn)在的物理理論和現(xiàn)象。”季子銘解釋道。

目前，p-adic數(shù)域在物理領(lǐng)域還鮮有應(yīng)用。P-adic數(shù)域?qū)?shí)數(shù)域的物理有沒有幫助？二者有著怎樣的聯(lián)系？這是古布澤近年來希望解決的問題。也許有一天，我們可以替他找到答案。

詩人徐志摩在詩歌里經(jīng)常寫到“云游”與“吻火”，最后飛機(jī)失事，在空難中離世，其人生成為一代傳奇故事。

古布澤與徐志摩一樣，其一生的大部分時(shí)間都在研究量子引力，也很喜歡爬山與攀巖等挑戰(zhàn)性活動(dòng)，最后他在攀巖事故中安全繩斷裂因?yàn)橐ψ饔脡嬄涞孛妫瑐髌嫒松┤欢埂９挪紳善溥\(yùn)命讓人唏噓感嘆，但他在量子引力研究的道路上留下的故事不會(huì)被忘記，天空不曾留下痕跡，但他已飛過。