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(xiàn)了這位頭發(fā)卷曲天才的精神。

愛因斯坦從來沒有實(shí)現(xiàn)過他的這個(gè)目標(biāo)：即用一個(gè)統(tǒng)一的理論，在一個(gè)連貫的框架中解釋自然界。在過去的一個(gè)世紀(jì)里，研究人員在一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”中拼湊了已知四種物理力中三種之間的聯(lián)系，但是第四種力，引力，一直是獨(dú)立存在。多虧普林斯頓大學(xué)的教職員工和其他在這里受訓(xùn)的人所提出的見解，引力正從寒冷中被引入——盡管其方式與愛因斯坦的想象相去甚遠(yuǎn)。盡管還不是“萬物理論”，但這個(gè)20多年前建立并仍在完善的框架，揭示了愛因斯坦引力理論與物理學(xué)其他領(lǐng)域聯(lián)系的驚人方式，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(xué)科普：最關(guān)鍵的觀點(diǎn)是引力（把棒球帶回地球并控制著黑洞生長(zhǎng)的力）在數(shù)學(xué)上與構(gòu)成我們周圍所有物質(zhì)的亞原子粒子古怪行為是相關(guān)的。這一發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們能夠利用物理學(xué)的一個(gè)分支來理解物理學(xué)其他看似無關(guān)的領(lǐng)域。到目前為止，這一概念已經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，從黑洞為什么會(huì)產(chǎn)生溫度，到蝴蝶拍打翅膀如何在地球的另一邊引發(fā)風(fēng)暴。引力和亞原子粒子之間的這種相關(guān)性為物理學(xué)提供了一種羅塞塔石碑。問一個(gè)關(guān)于引力的問題，你會(huì)得到一個(gè)亞原子粒子的解釋，反之亦然。普林斯頓大學(xué)(Princeton)尤金?希金斯(Eugene Higgins)物理學(xué)教授伊戈?duì)?克里巴諾夫(Igor k李巴諾夫)表示：這被證明是一個(gè)極其富裕的區(qū)域，它位于許多物理領(lǐng)域的交匯處。

從很小的弦

上世紀(jì)70年代當(dāng)研究人員在探索被稱為夸克的微小亞原子粒子時(shí)，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的種子就開始萌芽。這些實(shí)體就像俄羅斯玩偶一樣嵌在質(zhì)子里，質(zhì)子又占據(jù)了構(gòu)成所有物質(zhì)的原子。當(dāng)時(shí)物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，無論你多么努力地把兩個(gè)質(zhì)子擊碎在一起，也無法釋放夸克——夸克仍被限制在質(zhì)子內(nèi)。普林斯頓大學(xué)物理學(xué)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(shí)間，研究人員認(rèn)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(lián)系，但用波利亞科夫的話說：這項(xiàng)工作是“手搖的”，他沒有精確的例子。與此同時(shí)認(rèn)為基本粒子實(shí)際上是振動(dòng)弦的微小粒子想法開始流行，到20世紀(jì)80年代中期

“弦理論”束縛了許多著名物理學(xué)家的想象力。這個(gè)想法很簡(jiǎn)單：就像小提琴弦的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不同音符一樣，每根弦的振動(dòng)預(yù)示著一個(gè)粒子的質(zhì)量和行為。數(shù)學(xué)之美是不可抗拒的，并導(dǎo)致了人們對(duì)弦理論的熱情高漲，認(rèn)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)于1996年在普林斯頓大學(xué)(Princeton)擔(dān)任副教授，十年前在普林斯頓大學(xué)(Princeton)獲得了博士學(xué)位。那一年，k黎巴嫩諾夫和研究生史蒂芬·古伯瑟(Steven Gubser)以及博士后研究員阿曼達(dá)·皮特(Amanda Peet)利用弦理論計(jì)算膠子，然后將他們的發(fā)現(xiàn)與理解黑洞的弦理論方法進(jìn)行比較。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)這兩種方法都得到了非常相似的答案。一年后，k黎巴嫩諾夫研究了黑洞的吸收率，發(fā)現(xiàn)這一次他們的結(jié)論完全一致。

這項(xiàng)工作僅限于膠子和黑洞的例子，胡安?馬爾達(dá)塞納(Juan Maldacena)在1997年提出了一個(gè)見解，將這些碎片拉進(jìn)了一種更普遍的關(guān)系中。一年前，馬爾達(dá)塞納在普林斯頓大學(xué)獲得了博士學(xué)位，當(dāng)時(shí)他是哈佛大學(xué)的助理教授。他發(fā)現(xiàn)了一種特殊形式的引力與描述粒子理論之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？吹今R爾達(dá)塞納猜想的重要性，一個(gè)由古伯瑟、克里巴諾夫和波利亞科夫組成的普林斯頓團(tuán)隊(duì)隨后發(fā)表了一篇相關(guān)論文，用更精確的術(shù)語闡述了這一觀點(diǎn)。另一位立即被這個(gè)想法吸引的物理學(xué)家是愛德華·威頓，他來自高等研究院(IAS)，這是一個(gè)獨(dú)立的研究中心，距離大學(xué)校園大約一英里。他寫了一篇論文進(jìn)一步闡明了這個(gè)觀點(diǎn)，這三篇論文在1997年底和1998年初的結(jié)合打開了閘門。弦理論領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物威滕說：這是一種全新的聯(lián)系，他1976年在普林斯頓大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)在是普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授級(jí)別的客座講師。20年過去了，我們還沒有完全解決這個(gè)問題。

一枚硬幣的兩面

這種關(guān)系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(duì)論的引力擴(kuò)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。后一種理論包括“標(biāo)準(zhǔn)模型”(見側(cè)欄)中粒子和力的目錄，這是一個(gè)解釋物質(zhì)及其相互作用的框架，在包括大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在內(nèi)的眾多實(shí)驗(yàn)中經(jīng)受住了嚴(yán)格測(cè)試。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，量子行為被考慮在內(nèi)。我們的世界，當(dāng)我們到達(dá)粒子的水平，是一個(gè)量子的世界。值得注意的是，標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有重力。然而量子行為是其他三種力的基礎(chǔ)，那么為什么引力應(yīng)該免疫呢？新框架使討論變得嚴(yán)肅起來，它并不完全是我們所知道的重力，而是一個(gè)略微扭曲的版本，包含了額外的維度。

我們所知道的宇宙有四個(gè)維度，三個(gè)維度在空間中精確定位一個(gè)物體——例如，愛因斯坦桌子的高度、寬度和深度——加上時(shí)間的第四維度。引力描述增加了一個(gè)第五維度，使時(shí)空彎曲進(jìn)入一個(gè)宇宙，這個(gè)宇宙包括熟悉的四維平面空間的復(fù)制品，這些四維平面空間是根據(jù)它們?cè)诘谖寰S度的位置重新調(diào)整的。這種奇怪的彎曲時(shí)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(xué)家威廉德西特命名。上世紀(jì)90年代末的突破是，對(duì)反德西特空間的邊緣或邊界進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，可以應(yīng)用于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(chǎng)理論(CFT)的數(shù)學(xué)關(guān)系描述。這種關(guān)系提供了四時(shí)空維度的粒子理論和五維度的弦理論之間的聯(lián)系，Polyakov之前已經(jīng)看到了這一點(diǎn)。這種關(guān)系現(xiàn)在有幾個(gè)名稱與重力和粒子有關(guān)，但大多數(shù)研究人員稱之為AdS/CFT(發(fā)音為A-D-S-C-F-T)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

解決大問題

事實(shí)證明這種通信有許多實(shí)際用途，以黑洞為例。已故物理學(xué)家斯蒂芬?霍金(Stephen Hawking)震驚了物理學(xué)界，他發(fā)現(xiàn)黑洞的溫度之所以上升，是因?yàn)槊總€(gè)落入黑洞的粒子都有一個(gè)相互糾纏的粒子，可以作為熱量逃逸。當(dāng)時(shí)就職于加州大學(xué)圣巴巴拉分校(University of California-Santa Barbara)的Takayanagi和Shinsei Ryu利用AdS/CFT發(fā)現(xiàn)了一種新的學(xué)習(xí)方法幾何上的糾纏，以一種專家認(rèn)為相當(dāng)了不起的方式擴(kuò)展了霍金的洞見。在另一個(gè)例子中，研究人員正在使用AdS/CFT來確定混沌理論，該理論認(rèn)為，一個(gè)隨機(jī)的、無關(guān)緊要的事件，如蝴蝶扇動(dòng)翅膀，可能會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模系統(tǒng)的巨大變化，如遙遠(yuǎn)的颶風(fēng)。

計(jì)算混沌是很困難的，但是黑洞（可能是最混亂的量子系統(tǒng)之一）可能會(huì)有所幫助。斯坦福大學(xué)的斯蒂芬·申克和道格拉斯·斯坦福，以及馬爾達(dá)塞納，通過AdS/CFT證明了黑洞是如何模擬量子混沌的。馬爾達(dá)塞納希望AdS/CFT通訊能夠回答的一個(gè)懸而未決的問題是，在一個(gè)叫做奇點(diǎn)的無限致密區(qū)域中，黑洞內(nèi)部是什么樣子的。是國際天文學(xué)會(huì)卡爾p范伯格(Carl P. Feinberg)教授馬爾達(dá)塞納說:到目前為止這種關(guān)系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(nèi)的奇點(diǎn)，理解這一點(diǎn)可能會(huì)給大爆炸帶來有趣的認(rèn)識(shí)。

引力和弦之間的關(guān)系也為夸克約束提供了新的解釋，最初是通過Polyakov和Witten的研究，后來是klevov和Matt Strassler的研究，他們當(dāng)時(shí)在IAS工作。普林斯頓大學(xué)(Princeton)物理學(xué)教授的古伯瑟(Gubser)說：這些只是如何使用這種關(guān)系的幾個(gè)例子，這是一個(gè)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(lǐng)域，它將你束縛在其他領(lǐng)域，它將給你一個(gè)在理論物理學(xué)上非常引人注目的有利地位。這種關(guān)系甚至可能解開引力的量子本質(zhì)，這是我們從量子角度理解引力的最好線索之一，由于我們不知道還缺少什么，無法告訴你，這幅圖景最終會(huì)有多大的一部分。

盡管如此，AdS/CFT的通信雖然強(qiáng)大，但依賴于時(shí)空的簡(jiǎn)化版本，它與真實(shí)的宇宙并不完全相同。研究人員正在努力尋找方法，使這一理論更廣泛地適用于日常生活，包括古伯瑟對(duì)重離子碰撞和高溫超導(dǎo)體碰撞建模的研究。同樣在待辦事項(xiàng)清單上的是開發(fā)一個(gè)基于基本物理原理對(duì)應(yīng)關(guān)系的證明。普林斯頓大學(xué)1909屆物理學(xué)教授赫爾曼·維林德(Herman Verlinde)說：愛因斯坦不太可能在沒有證據(jù)的情況下感到滿意。有時(shí)想象他還坐在那里，不知道愛因斯坦會(huì)怎么看我們?nèi)〉玫倪M(jìn)展？

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