近日，CERN Courier專訪了數(shù)學(xué)物理大師愛德華·威騰。威騰談到了“自然性（Naturalness）”的問題，似乎這不再是未來指導(dǎo)物理學(xué)的原則。他還提到了可能發(fā)現(xiàn)新物理的線索，在實(shí)驗(yàn)和理論兩方面，仍有許多可能。50年來，粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)發(fā)生了天翻地覆的變化，最令他感興趣的又是哪些理論？與大師對話，不容錯過。

采訪人| 馬修·查默斯（Matthew Chalmers）

受訪人 | 愛德華·威騰（Edward Witten）

翻譯 | 劉航

引領(lǐng)者愛德華·威騰 普林斯頓高等研究院查爾斯·西蒙尼教授丨圖片來源：B Lacombe/Breakthrough Prize

愛德華·威騰（Edward Witten），被視為當(dāng)代最偉大的物理學(xué)家之一，在理論物理和數(shù)學(xué)物理前沿領(lǐng)域耕耘近50年。在這次訪談中，他談到了大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）及其他最新研究成果是如何影響他對自然的看法，并探討“自然性（naturalness）”[1]是否仍然是這個領(lǐng)域的指導(dǎo)法則。

譯者注：物理學(xué)中，自然性是指物理理論具有這樣的性質(zhì)：自由參數(shù)和物理常數(shù)間的比值應(yīng)該在一階水平，且自由參數(shù)是不需要精細(xì)調(diào)節(jié)的。從這個意義上說，令人滿意的理論應(yīng)該是“自然的”。這是一個標(biāo)準(zhǔn)，源于物理學(xué)家對標(biāo)準(zhǔn)模型的探索，涉及等級問題、精細(xì)調(diào)節(jié)和人擇原理等更廣泛的主題。而且，它確實(shí)傾向于表明當(dāng)前理論（例如標(biāo)準(zhǔn)模型）可能存在弱點(diǎn)，其中一些參數(shù)變化會多許多數(shù)量級，并且需要對相關(guān)模型的當(dāng)前值進(jìn)行廣泛的“精細(xì)調(diào)節(jié)”。在粒子物理學(xué)史上，自然性原理三度給出了正確的預(yù)測——在電子自能、π介子質(zhì)量差和K介子質(zhì)量差的情況下。

標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model，SM）的希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，如何影響了你對自然的看法?

標(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)是可重整場理論的偉大勝利，特別是從簡單性（simplicity）來說。大型強(qiáng)子對撞機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時，不包含基本希格斯場的標(biāo)準(zhǔn)模型——例如質(zhì)量產(chǎn)生的動力學(xué)機(jī)制——已經(jīng)變得過于復(fù)雜。事實(shí)證明，就我們目前所了解的情況來看，關(guān)于基本希格斯粒子的最初想法是正確的。這也意味著“自然”選取了包含所有可能的重整化場的理論——自旋0,1/2和1的場以及其所允許的靈活性。（譯者注：最小標(biāo)準(zhǔn)模型是已知的最簡單的希格斯機(jī)制模型，只包含一個希格斯場,希格斯粒子二重態(tài)或三重態(tài)的模型也是可能的。）

另一個關(guān)鍵事實(shí)是，希格斯粒子是獨(dú)自出現(xiàn)的，沒有任何機(jī)制可以解釋弱相互作用的能量標(biāo)度為何如此之小，而引力、大統(tǒng)一和宇宙膨脹的假定能量標(biāo)度則要大得多。從我們這一代的粒子物理學(xué)家的角度來看（我想說，可能不僅是我們這一代），這是一個相當(dāng)大的沖擊。當(dāng)然，20多年前我們也經(jīng)歷過類似的沖擊，當(dāng)時我們發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹——最簡單的解釋就是一個非常小且是正數(shù)的宇宙常數(shù)，真空的能量密度。至少在這兩種情況下，似乎伴隨我們長大的“自然性”的想法似乎令人失望的想法失敗了。

你覺得解決“fine-tuning（精細(xì)調(diào)節(jié)）”問題的新方法“relaxion”[2]和“Nnaturalness”[3]怎么樣？

譯者注：“relaxion”弛豫子的方法是使弱相互作用場以動態(tài)方式獲得，這個場演變并最終停止在某個平衡點(diǎn)?！癗naturalness”的主要方法是引入 N 個標(biāo)準(zhǔn)模型的副本，每個副本具有不同的希格斯粒子的質(zhì)量參數(shù)值。

對于暗能量和等級問題，很難找到一個常規(guī)的順理成章的解釋。雖然不情愿，但我認(rèn)為我們必須認(rèn)真考慮人擇原理。根據(jù)這個理論，我們生活在一個充滿可能性的宇宙中，這些可能性在空間的不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，或以量子力學(xué)波函數(shù)的不同部分實(shí)現(xiàn)，我們必然地生活在我們可以生活的地方。我不知道這種解釋是否正確，但它提供了衡量其他方案的標(biāo)準(zhǔn)。20年前，宇宙的人擇原理令我不安，部分原因可能是因?yàn)樗o理解物理學(xué)帶來困難。這些年來，我經(jīng)驗(yàn)更多了。我想，我是不情愿地接受了這個事實(shí)：宇宙不是為了我們方便理解它而創(chuàng)造的。

目前，物理學(xué)家應(yīng)該優(yōu)先考慮哪些實(shí)驗(yàn)方向呢?

深入探索宇宙加速膨脹以及電弱能標(biāo)如此之小這兩個孿生之謎是極其重要的，這可以檢驗(yàn)我們對事實(shí)的解釋是否正確，并且是否有可能發(fā)現(xiàn)新層次的結(jié)構(gòu)。在宇宙加速膨脹的情況下，我們要盡可能精確地測量參數(shù)w（壓力和能量的比值）。如果宇宙膨脹的加速度只由一個簡單的宇宙常數(shù)控制，那么w等于-1，但在大多數(shù)替代模型中，它將大于-1。在粒子物理方面，我們希望盡可能精準(zhǔn)地探索深層結(jié)構(gòu)，既可以通過間接的方式，比如對希格斯玻色子的精確地研究，也希望能夠進(jìn)一步提高對撞機(jī)的能量從而進(jìn)行直接探測。

超出大型強(qiáng)子對撞機(jī)的能量，可能潛伏著什么？

如果最終可以進(jìn)入更高的能量尺度，我可以想象幾種可能的結(jié)果。

很明顯，“自然性”的傳統(tǒng)觀念并不是故事的全部，我們手上有一個“裸”希格斯粒子，沒有解釋其質(zhì)量的機(jī)制?；蛘撸覀兛赡軙l(fā)現(xiàn)“自然性”的這種明顯的失敗其實(shí)是一種錯覺，額外粒子和力可以解釋電弱能標(biāo)，而現(xiàn)在沒看到，是因?yàn)樗鼈儎偤贸隽宋覀兡壳暗膶?shí)驗(yàn)范圍。還有一種中間可能性，我覺得很有趣。那就是電弱能標(biāo)在習(xí)慣意義上不是自然的，不過額外的粒子和力，可以幫助我們理解在能量超過 LHC 能量不太多的情況下發(fā)生了什么。這種類型的一個引人入勝的理論是Nima Arkani-Hamed 等人提出的“分裂超對稱（split supersymmetry）”。

然而這里有一個明顯的陷阱。我們很容易就能說“在能量不超過LHC能量太多的時候會發(fā)生這樣那樣的情況”。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，能量是3倍LHC能量，6倍LHC能量，25倍LHC能量，或是更多，而這將有天壤之別。在分裂超對稱等理論中，我們現(xiàn)有的線索還不足以給出一個真正的答案。我們非常期望從實(shí)驗(yàn)中可以得到一條具體線索，即超出希格斯粒子以外的新物理學(xué)的能量尺度。

味反常有可能提供一些線索么？

新線索可能來自多個方面。在歐洲核子研究中心（CERN）的重味 b 物理實(shí)驗(yàn)（譯者注：與重味bottom底夸克相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)）中，已觀察到的反常如果成立的話，則意義重大。尋找電子或中子的電偶極矩也非常重要，它可能給出一個新物理的信號，而且是在我們目前已經(jīng)觀測到的能標(biāo)下。另一種可能性是， μ 子的磁矩與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測之間的輕微差異的原因。我覺得不斷提高格點(diǎn)規(guī)范理論對 μ 子磁矩的計(jì)算結(jié)果的精確度非常重要，尤其是強(qiáng)子部分的貢獻(xiàn) ，以檢驗(yàn)現(xiàn)在已有的非常精確的測量是否真的與標(biāo)準(zhǔn)模型的結(jié)果不一致。當(dāng)然，還有許多其他方面。比如，在下一個新的實(shí)驗(yàn)?zāi)軜?biāo)處，標(biāo)準(zhǔn)模型可能需要修正，從希格斯粒子的精確研究到搜索標(biāo)準(zhǔn)模型中不存在的 μ 子反常衰變模式等。這些都可能提供新的線索。

六維的Calabi-Yau 流形。Calabi-Yau流形對于超弦理論很重要。在最常規(guī)的超弦模型中，弦論中有十個猜想中的維度，除了我們所知的4個時空維度，再加上某種纖維化，纖維的維度為6。威滕等人發(fā)現(xiàn)，Calabi-Yau流形的緊致化很重要，因?yàn)樗鼈儽３忠恍┰械某瑢ΨQ性不被破壞。丨圖片來源：A J Hanson

當(dāng)前理論方面的進(jìn)展，哪個最令你感到興奮？

關(guān)于引力和量子力學(xué)的新想法，一般稱為“it from qubit（萬物源自量子比特）”（編者注：參見《文小剛談物理新革命：萬物起源于量子信息 | 眾妙之門》），確實(shí)令人興奮。黑洞熱力學(xué)，是在20世紀(jì)70年代通過雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）、史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）等人的工作發(fā)現(xiàn)的。這些結(jié)果很吸引人，但在我看來，幾十年來——無論對錯——這一領(lǐng)域的發(fā)展與理論物理學(xué)的其他領(lǐng)域相比是緩慢的。然而在過去十年左右的時間里，其領(lǐng)域發(fā)展迅速。在很大程度上，這種變化來自于將“熵”視為微觀或細(xì)粒度的馮·諾伊曼熵，而不是貝肯斯坦等人所考慮的熱力學(xué)熵。細(xì)粒度熵的公式使得新的表述和更一般的表述成為可能。當(dāng)熱力學(xué)有效時，這些表述可以退化為傳統(tǒng)的表述。這些發(fā)展源自引力和規(guī)范理論之間的全息二元性的洞見。

與你剛進(jìn)入這一領(lǐng)域時相比，現(xiàn)在該領(lǐng)域有何不同?

如果說該領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化一點(diǎn)也不夸張。1973 年 9 月，我開始在普林斯頓讀研究生。在那之前幾個月，大衛(wèi)·格羅斯（David Gross）、弗蘭克·威爾切克（Frank Wilzcek）和大衛(wèi)·波利策（David Politzer）剛剛發(fā)現(xiàn)了非阿貝爾規(guī)范理論的漸近自由。這是使我們今天所知的標(biāo)準(zhǔn)模型成為可能所需的最后一個關(guān)鍵要素。從那時起，我們對標(biāo)準(zhǔn)模型實(shí)驗(yàn)的理解發(fā)生了一場革命。那時，幾個關(guān)鍵的成分——夸克、輕子和希格斯粒子還是未知的。強(qiáng)子化過程中的噴注也僅僅是一個想法，更不用說實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了；對電弱理論中的CP 破壞和量子色動力學(xué)中的標(biāo)度破壞還一無所知，我這里僅提及了后期發(fā)展較快的兩個領(lǐng)域。

我們現(xiàn)在不僅對標(biāo)準(zhǔn)模型實(shí)驗(yàn)的知識比 1973 年豐富得多，理論理解上更是如此。今天對量子場論的理解比 1973 年要好得多，確實(shí)沒有可比性。

我們對宇宙學(xué)的理解或許也發(fā)生了同樣驚人的變化。1973 年，關(guān)于宇宙學(xué)知識，可以用幾個數(shù)字很好地概括——主要是宇宙微波溫度和哈勃常數(shù)。而在這些數(shù)字中，那時只有第一個數(shù)字以合理的精度被測量出來了。隨后，宇宙學(xué)逐漸成為了一門精確的科學(xué)，也是一門更加雄心勃勃的科學(xué)，因?yàn)橛钪鎸W(xué)家已經(jīng)學(xué)會了如何處理宇宙結(jié)構(gòu)形成的復(fù)雜過程。在微波背景的不均勻性中，我們可以觀察到結(jié)構(gòu)形成的種子。與1973年理解的宇宙學(xué)框架相比，從1980年開始發(fā)展起來的宇宙膨脹理論，可以算是真正的進(jìn)步，盡管它確實(shí)還不完整。

最后我想說，50年前，粒子物理學(xué)和引力之間的鴻溝似乎是不可逾越的。今天仍然有很大的距離。但弦理論中給出了一種研究引力與粒子力統(tǒng)一的框架，這改變了這一局面。這個框架已經(jīng)被證明是非常強(qiáng)大的，即使不是為了解釋引力，而只是為了尋找量子場論的新理解。我們今天還不清楚如何統(tǒng)一這些力，如何得到我們在現(xiàn)實(shí)世界中看到的粒子和相互作用。但我們確實(shí)對它是如何工作的有一個大致的概念，這與我們在1973年的情況相比是一個很大的變化。對弦理論框架的探索導(dǎo)致了一系列非凡的發(fā)現(xiàn)。這口井還沒有枯竭，這也是我對未來感到樂觀的原因之一。

在你對粒子和數(shù)學(xué)物理學(xué)做出的眾多貢獻(xiàn)中，哪一項(xiàng)最讓你感到自豪？

我最滿意的是，1994 年我與內(nèi)森·塞伯格（Nathan Seiberg）在量子場論中的電磁對偶性方面所做的工作（譯者注：N=2超對稱楊米爾斯理論中單極子的凝聚和約束[4]），以及我在接下來一年年構(gòu)建弦論的相關(guān)性的工作（譯者注：不同維度的弦論動力學(xué) [5]）。

誰知道呢，說不定我以后有幸再做一些同樣重要的事情。

參考資料

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Naturalness_(physics)

[2] https://arxiv.org/pdf/1610.02025.pdf

[3] https://arxiv.org/pdf/1607.06821.pdf

[4] https://arxiv.org/abs/hep-th/9407087

[5] https://arxiv.org/abs/hep-th/9503124

本文譯自Witten eflects，CERN Courier，原文地址：https://cerncourier.com/a/witten-reflects/