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当代弦理论之父,爱因斯坦的真正继承者——威腾的传奇人生

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老胡说科学 2021-10-25 04:16

将广义相对论和量子力学统一起来的尝试可以追溯到1940年代。正如加来道雄(Michio Kaku)所说的 "上帝方程",这个方程包含了所有主要的物理学定律,包括量子力学和广义相对论,是解释宇宙中每一个物理现象的终极数学公式。听起来很吸引人,不是吗?

1990年的菲尔兹奖,是纯数学领域最负盛名的奖项,授予了一位理论物理学家爱德华-威滕。爱德华-威滕博士是第一位被国际数学联盟授予该奖章的物理学家,因为他在1981年证明了广义相对论中的正能量定理。他是广义相对论和量子力学统一理论(俗称超弦理论)发展过程中最重要的人物之一。

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  • 保罗-狄拉克(右)和爱德华-威滕在进行讨论。

30多年来,威滕作为超弦理论的领导者,对理论物理学和纯数学做出了重大贡献,并推动了数学的发展,促使许多数学家进行了前沿研究。威滕一直在研究,并在数学物理学的多个领域提供了至关重要的贡献,包括弦理论、量子引力和超对称量子场理论。威滕在物理学界掀起了潮流,就像梵高在艺术领域掀起潮流一样,通过运用他的物理直觉和数学技巧,推动了数学和物理学的发展。正如塞缪尔·特里曼(Samuel Trieman)在《纽约时报》杂志(1987年出版的《万物理论》)中所说的:

我们不应该经常拿爱因斯坦作比较,但说到威腾,他就远远超过其他人了。他让一群人走上了新的道路。他提出了优雅的、叹为观止的证明…

威滕于1951年8月26日出生在马里兰州巴尔的摩,父亲路易斯-威滕是一位理论物理学家,专门研究引力和广义相对论。威滕就读于巴尔的摩公园学校,与其他物理学家不同,他于1971年获得布兰代斯大学的文学士学位,主修历史,辅修语言学。由于对语言学有浓厚的兴趣,威滕对政治也有抱负。毕业后,他还为乔治·麦戈文的总统竞选工作。

威滕随后在威斯康星大学麦迪逊分校攻读经济学,但在完成一个学期后退学,并于1973年在普林斯顿大学攻读应用数学,然后在理论物理学家和2004年物理学诺贝尔奖得主大卫-格罗斯的指导下,于1976年获得物理学博士学位,完成了题为 "规范理论短距离分析中的几个问题(Some problems in the short distance analysis of gauge theories) "的论文。

  • 大卫-格罗斯、斯蒂芬-霍金和爱德华-威滕在印度孟买的塔塔基础科学研究所举行的 "弦2001 "国际会议上。

大多数没有接受过物理训练的人可能会认为物理学家的工作是一个极其复杂的计算问题,但这并不是它的本质。它的本质是,物理学是关于概念的,想要理解概念,世界运作的原理。——爱德华-威滕。

威滕被认为是现代弦理论之父,因为他对该理论的数学发展做出了无与伦比的贡献。但是,威滕对这一令人着迷的新物理学领域的贡献究竟是什么,他敢于调和广义相对论和量子力学?20世纪70年代初,当时物理学家们正在寻找将费米子纳入弦理论谱系的方法,这导致了超对称的提出,一种从玻色子和费米子转化的数学模型。就这样,它导致了一种新理论的发明(现在称为超弦理论),基本上是包括费米子振动的弦理论。

但发展这种新理论的道路并不像看上去那么容易。到20世纪中期,理论和数学物理学家们已经发展出了五个不同版本的弦理论,无法确切地弄清楚哪一个才是真正的弦理论。这五种不同的理论版本被称为I型、IIA型、IIB型,以及两种类型的杂化弦理论(SO(32)和E8xE8。最大的问题是要确定哪种理论是实际的万物理论,而 那 一种理论的低能量极限与今天所观察到的物理现象相吻合。1995年春天,威滕博士在加利福尼亚大学的弦理论会议上发言时,对问题的解决提出了一个令人惊讶的见解,这个见解后来在物理学界开始了第二次超弦革命。他说,这五种理论实际上并非截然不同,而是一种理论的不同极限。他将所有五个理论统一起来,形成了一个新的主理论,称为M理论。布莱恩-格林教授在他的畅销书《宇宙的结构》(2003年)中曾引用过:

1995年春天…借鉴一些弦理论家(包括克里斯-赫尔、保罗-汤森、阿舒克-森、迈克尔-达夫、约翰-施瓦茨和其他许多人)的研究,爱德华-威滕几十年来一直是世界上最著名的弦理论家,发现了一个隐藏的统一体,将所有五个弦理论联系起来。威滕表明,这五种理论并不是截然不同的,实际上只是用五种不同的方式对一个理论进行数学分析。这个统一的主理论暂且被称为M理论。

超弦理论,被现代科学界的许多伟大知识分子认为是最有希望成为万物理论的有效候选理论。然而,该理论有其自身的局限性。超弦理论是建立在超对称性的基础上的,而到目前为止还没有发现这样的超对称粒子。因此,基本上,缺乏实验证据是对该理论的严重限制,尽管它在理论上是准确的,而且在数学上非常一致。

用振动的弦代替点状粒子的概念的开始可以追溯到20世纪60年代。弦理论预言了一种质量为零、自旋为2的粒子。两位数学物理学家约翰-施瓦茨和乔尔-舍克在1974年发现,这种粒子就是引力子,引力的量子载体。这为调和引力和量子力学创造了一个极其惊人的出路。

我一生中最大的智力刺激。

威滕被认为是当今最伟大的在世物理学家之一。许多物理学家认为他是爱因斯坦的真正继承者。在《科学美国人》2014年的一篇文章中,约翰-霍根提到了他:

在1990年的一次宇宙学会议上,我请与会者(包括霍金、迈克尔-特纳、詹姆斯-皮布尔斯、艾伦-古斯和安德烈-林德等人)提名最聪明的在世物理学家。爱德华-维滕得到了最多的投票。

除了菲尔兹奖,威滕还获得了许多奖项,如美国国家科学奖(2002),基础物理学突破奖(2012)。他在2006年被任命为教廷科学院院士,并在2012年当选为美国数学学会会员。尽管对该理论有许多批评,对其实验证据也不确定,但威滕博士仍然相信弦理论可能是万物的终极理论,并仍在努力提供关于该理论的新见解。

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