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），在法國的夏蒙尼，史蒂文·古布澤（Steven Gubser）在一場攀巖事故中遇難……留下了他的妻子與三個年幼的女兒。”這個消息是如此震驚，以至于幾乎所有認(rèn)識史蒂文·古布澤的物理學(xué)家都不能接受這個事實——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，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際物理奧林匹克學(xué)術(shù)活動上，17歲的古布澤在學(xué)術(shù)活動中取得了個人最高分，成為美國歷史上第一位物理奧林匹克金牌獲得者，少年成名。次年，他又在國際化學(xué)奧林匹克學(xué)術(shù)活動中獲得銀牌。

1990年，古布澤進入普林斯頓大學(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，他被授予美國物理學(xué)會勒羅伊·阿普克獎，這是本科生研究的最高榮譽。

量子引力革命

1995年，在劍橋大學(xué)用一年時間獲得碩士學(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論量子化，從而解釋宇宙大爆炸為什么會發(fā)生、黑洞中心的奇點到底是什么等問題。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維時空，這遠遠超出了一般物理學(xué)中4維時空的范疇。

到了1997年，弦論大革命爆發(fā)了。年輕的阿根廷物理學(xué)家馬爾達西納提出了AdS/CFT理論。AdS就是反德西特時空，這是一個具有最大對稱性的時空，其對稱性的個數(shù)與平坦的閔氏時空一樣多，但AdS時空具有負(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是共形場論，“在共形場論中，相互作用的強度是不隨能量的改變而改變的。所以，這給計算帶來很多方便。”德國烏茲堡大學(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空中的引力，與其邊界上的共形場論是等價的，這是一個出人意料的聯(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（在實數(shù)軸上的積分，可以轉(zhuǎn)化為在復(fù)平面上的積分）進行類比。這些公式反映出高維與低維之間的聯(lián)系。

AdS/CFT也是如此，一個表面的低維強耦合物理系統(tǒng)的性質(zhì)，往往可以通過其內(nèi)部的引力場理論反應(yīng)出來。所謂強耦合指的是相互作用的強度。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的情況，科學(xué)家可以根據(jù)AdS/CFT理論構(gòu)建一個引力系統(tǒng)。引力是比較弱的力，而且對于引力我們有完整的愛因斯坦理論可以借鑒，所以可以通過計算引力，來理解高溫超導(dǎo)等強耦合系統(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比方。在喝可樂的時候，如果你能看到這個可樂的易拉罐表面寫的字，就會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，但你喝一口這個飲料，也會知道這是可樂，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)系精確表達了出來。

詮釋AdS/CFT理論

AdS/CFT理論因為其特有的深邃性，已經(jīng)成為理論物理學(xué)界的一個新潮流，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，因為這個理論的數(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，詳細闡釋了AdS/CFT對應(yīng)關(guān)系的含義。“場論通過計算關(guān)聯(lián)函數(shù)能預(yù)測一系列觀測量。古布澤等人通過分析AdS時空邊界條件，給出了邊界理論關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算方法，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。“這兩篇文章對馬爾達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，并且將這個理論做了一些簡化。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)圖中每個頂點延伸出的邊的個數(shù)固定時，這張圖被稱作正則圖。在圖論中，可以對每個頂點定義一個曲率，對于正則圖來說，每個頂點的曲率都是一個負(fù)的常數(shù)，所以這構(gòu)成了一個負(fù)常數(shù)曲率幾何，可以類比負(fù)常數(shù)曲率的AdS時空。

“這個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幾何上給出了一個類似于AdS/CFT的例子，即考慮樹圖上的格點標(biāo)量理論和邊界上的p-adic標(biāo)量場理論之間的對應(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)崝?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，最后他在攀巖事故中安全繩斷裂因為引力作用墜落地面，傳奇人生戛然而止。古布澤其運命讓人唏噓感嘆，但他在量子引力研究的道路上留下的故事不會被忘記，天空不曾留下痕跡，但他已飛過。

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