逾越爱因斯坦:物理学家在宇宙中发明使人惊奇的联络

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阿尔伯特爱因斯坦的办公桌依然可以在普林斯顿大学物理系的二楼找到。这张桌子位于一个满是方程式的落地黑板前面,好像表现了头发卷曲天赋的精力,因为他问部门现任的居住者,“那末,你处理了吗?”

爱因斯坦从未完成他的一致理论的目的,即在一个单一,连接的框架中诠释天然天下。在过去的一个世纪里,研讨人员在“规范模子”中将四种已知物理力中的三种之间的联络拼集在一同,但第四种力,引力,一直是自力的。

不再。因为普林斯顿大学西席和其他在这里受过练习的人所提出的看法,重力正在从严寒中被引入 – 只管这类体式格局与爱因斯坦的设想并不邻近。

只管还不是“统统理论”,但这个框架在20多年前制订而且依然被弥补,展现了爱因斯坦引力理论与其他物理范畴相干的使人惊奇的体式格局,为研讨人员供应了处理难以捉摸的新东西。的题目。

症结的洞察力是重力,行将棒球带回地球并控制黑洞生长的气力,在数学上与亚原子粒子的特别滑动相干,这些粒子构成了我们四周的一切物资。

这一启发使科学家们可以应用物理学的一个分支来明白其他看似无关的物理学范畴。到目前为止,这个观点已应用于从黑洞运转温度到胡蝶的跳动翅膀怎样在天下的另一边引发风暴的主题。

重力和亚原子粒子之间的这类相干性为物理学供应了一种罗塞塔石。问一个关于引力的题目,你会获得一个亚原子粒子的诠释。反之亦然。

普林斯顿的Eugene Higgins物理学传授伊戈尔·克莱巴诺夫说:“这已变成了一个异常丰富的范畴。” 他在20世纪90年代引发了该范畴的一些开端暗示。“它位于很多物理范畴的交叉点。”

从细小的字符串

20世纪70年代,当研讨人员探究称为夸克的细小亚原子粒子时,这类对应关联的种子就撒上了。这些实体像质子中的俄罗斯娃娃一样嵌套,后者又占有了构成一切物资的原子。当时,物理学家发明新鲜的是,不管你将两个质子摧毁在一同何等勤奋,你都没法开释夸克 – 它们被限定在质子内部。

一个处置夸克羁系事情的人是 普林斯顿大学约瑟夫亨利物理学传授亚历山大波利亚科夫。事实证实,夸克被其他粒子“粘在一同”,称为胶子。有一段时候,研讨人员以为胶子可以组装成将夸克互相连接起来的弦。Polyakov瞥见了粒子理论和弦理论之间的联络,然则用Polyakov的话来讲,这项事情是“手工波浪”,他并没有正确的例子。

与此同时,基本粒子现实上是振动弦的细小部份的主意正在逐步鼓起,到了20世纪80年代中期,“弦理论”已引发了很多重要物理学家的设想。这个主意很简单:正如一个振动的小提琴弦发生差别的音符,每一个弦的振动预示着粒子的质量和行动。数学美是不可抗拒的,并致使对弦理论的热忱膨胀,不仅诠释了粒子,也诠释了宇宙自身。

Polyakov的一名同事是Klebanov,1996年他是普林斯顿大学的副传授,获得了博士学位。十年前在普林斯顿大学。那一年,Klebanov 和研讨生 Steven Gubser以及博士后研讨员Amanda Peet运用弦理论来盘算胶子,然后将他们的发明与弦理论要领举行比较以明白黑洞。他们惊奇地发明这两种要领发生了异常类似的答案。一年后,Klebanov研讨了黑洞的吸收率,发明此次他们完整同意了。

这项事情仅限于胶子和黑洞的例子。1997年胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)采取了一种看法,将这些作品拉成了更加平常的关联。当时,马尔加塞纳获得了博士学位。在普林斯顿大学一年前,他是哈佛大学的助理传授。他发明了一种特别情势的引力与形貌粒子的理论之间的对应关联。看到马尔加塞纳猜测的重要性,由Gubser,Klebanov和Polyakov构成的普林斯顿小组随后提出了一份相干文章,以更正确的体式格局提出这一主意。

马上接收这一主意的另一名物理学家是 高等研讨所 (IAS)的Edward Witten ,这 是一个间隔大学校园约一英里的自力研讨中心。他撰写了一篇论文,进一步论述了这一主意,1997岁尾和1998年初三篇论文的连系打开了闸门。

“这是一种全新的联络,”弦理论范畴的领导者Witten说,他获得了博士学位。他于1976年在普林斯顿大学担负普林斯顿大学物理学传授。“二十年后,我们还没有完整控制它。”

统一枚硬币的两面

这类关联意味着重力和亚原子粒子互相作用就像是统一枚硬币的两面。一方面是爱因斯坦1915年广义相对论的重力扩大版本。另一方面是大略形貌亚原子粒子的行动及其互相作用的理论。

后一种理论包括“规范模子”(拜见侧栏)中的粒子和力的目次,这是一个诠释物资及其互相作用的框架,它在很多试验中经受了严厉测试,包括在大型强子对撞机中。

在规范模子中,量子行动被烘焙。当我们到达粒子水日常平凡,我们的天下是量子天下。

值得注重的是规范模子中没有重力。但是量子行动是其他三种气力的基本,那末为何引力会免疫呢?

新框架将重点引入议论。它并不完整是我们所晓得的引力,而是一个包括分外尺寸的稍微歪曲的版本。我们所晓得的宇宙有四个维度,三个在空间中正肯定位一个物体 – 比方爱因斯坦书桌的高度,宽度和深度 – 再加上第四个时候维度。引力形貌增加了第五个维度,使得时空曲线变成一个宇宙,个中包括依据在第五维中找到它们的位置从新调解的熟习的四维平面空间的副本。在爱因斯坦的合作者荷兰

天文学家威廉·德·西特(Willem de Sitter )以后,这个新鲜的,蜿蜒的时空称为反德西特(AdS)空间。

20世纪90年代后期的打破是,这类抗de Sitter空间的边沿或边境的数学盘算可以应用于触及由称为共形场理论(CFT)的数学关联形貌的亚原子粒子的量子行动的题目。这类关联供应了Polyakov之前已瞥见过的四个时空维数的粒子理论和五维的弦理论之间的联络。这类关联如今有几个与重力相干的称号,但大多数研讨人员将其称为AdS / CFT(发音为ADSCFT)对应关联。

处理重大题目

事实证实,这类对应有很多现实用处。以黑洞为例。已故的物理学家斯蒂芬霍金经由过程发明黑洞发生温度而震动了物理界,因为落入黑洞的每一个粒子都有一个可以作为热量逃逸的胶葛粒子。

运用AdS / CFT,当时在加州大学圣巴巴拉分校的Tadashi Takayanagi和Shinsei Ryu发明了一种研讨

几何学胶葛的新要领,以专家以为异常了不得的体式格局扩大了霍金的看法。

在另一个例子中,研讨人员正在运用AdS / CFT来肯定浑沌理论,该理论以为,诸如胡蝶翅膀拍打等随机且眇乎小哉的事宜能够会致使大规模体系(如悠远的飓风)的大规模变化。很难盘算杂沓,但黑洞 – 这是一些能够最杂沓的量子体系 – 能够会有所协助。斯坦福大学的Stephen Shenker和Douglas Stanford以及Maldacena的事情证实,经由过程AdS / CFT,黑洞可以模仿量子浑沌。

一个悬而未决的题目,马尔代萨纳愿望AdS / CFT通讯将回覆的题目是黑洞内部的状况,一个称为奇点的无穷麋集地区。到目前为止,这类关联为我们供应了从表面看到的黑洞图片,马尔代纳娜说,他如今是IAS的Carl P. Feinberg传授。

“我们愿望相识黑洞内部的奇点,”马尔达塞纳说。“相识这一点能够会为大爆炸带来风趣的经验。”

重力和弦之间的关联也为夸克禁闭供应了新的视角,最初是经由过程Polyakov和Witten的事情,厥后是当时在IAS的Klebanov和Matt Strassler。

这些只是关联怎样运用的几个例子。“这是一个异常胜利的主意,”今天是普林斯顿大学物理学传授的古贝尔说。“它引发了人们的注重。它指导你进入,它在其他范畴中徜徉,它为你供应了一个异常有目共睹的理论物理学的有益位置。“

这类关联以至可以解开引力的量子性子。“这是我们从量子角度明白引力的最好线索,”维滕说。“既然我们不晓得另有什么丢失,我没法通知你它最终会有多大的影片。”

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