意外去世的天才物理学家:曾是美国首位物理奥赛金牌得主,诠释了最深邃的量子引力理论

2019-08-08 23:25:21 共赢共享联合体 770


史蒂文·古布泽


撰文 | 张华


8月4日,一封主题为“悲惨的消息”的电子邮件迅速传遍了全世界的理论物理学家的朋友圈。邮件这样写道:“非常遗憾地告诉大家,周六早上(2019年8月3日),在法国的夏蒙尼,史蒂文·古布泽(Steven Gubser)在一场攀岩事故中遇难……留下了他的妻子与三个年幼的女儿。”


这个消息是如此震惊,以至于几乎所有认识史蒂文·古布泽的物理学家都不能接受这个事实——年仅47岁的天才物理学家就这样撒手人寰了。



少年成名


1972年5月4日,古布泽出生于美国俄克拉荷马州。不久之后,他随父母迁移到科罗拉多州的阿斯彭。


在阿斯彭读中学时,史蒂文·古布泽开始喜欢上了物理,并且表现出极高的天赋。1989年,在波兰华沙举行的国际物理奥林匹克竞赛上,17岁的古布泽在竞赛中取得了个人最高分,成为美国历史上第一位物理奥林匹克金牌获得者,少年成名。次年,他又在国际化学奥林匹克竞赛中获得银牌。


1990年,古布泽进入普林斯顿大学物理学专业读本科。古布泽的本科毕业论文十分优秀,他被授予美国物理学会勒罗伊·阿普克奖,这是本科生研究的最高荣誉。



量子引力革命


1995年,在剑桥大学用一年时间获得硕士学位后,古布泽重返普林斯顿大学攻读博士学位,他的主要研究方向是一种量子引力理论——弦论。弦论的主要目标是把爱因斯坦的广义相对论量子化,从而解释宇宙大爆炸为什么会发生、黑洞中心的奇点到底是什么等问题。这一领域对数学的要求极高,所以成为理论物理学研究的塔顶,很少有人能弄懂弦论的全部数学。弦论的物理思想则博大精深,以威腾为代表的弦论学家已经把弦论发展到了10维时空,这远远超出了一般物理学中4维时空的范畴。


到了1997年,弦论大革命爆发了。年轻的阿根廷物理学家马尔达西纳提出了AdS/CFT理论。AdS就是反德西特时空,这是一个具有最大对称性的时空,其对称性的个数与平坦的闵氏时空一样多,但AdS时空具有负的宇宙学常数,因此其空间中各处的曲率均为负值。而CFT是共形场论,“在共形场论中,相互作用的强度是不随能量的改变而改变的。所以,这给计算带来很多方便。”德国乌兹堡大学理论物理学家巫雷尼(Rene Meyer)告诉《环球科学》。


AdS/CFT理论说的是反德西特时空中的引力,与其边界上的共形场论是等价的,这是一个出人意料的联系,被人形象地称为“内涵都在表面上”。


AdS/CFT理论为什么那么重要呢?


AdS/CFT理论,可以与微积分中的高斯-斯托克斯公式,或是复变函数中的柯西围道积分公式(在实数轴上的积分,可以转化为在复平面上的积分)进行类比。这些公式反映出高维与低维之间的联系。


AdS/CFT也是如此,一个表面的低维强耦合物理系统的性质,往往可以通过其内部的引力场理论反应出来。所谓强耦合指的是相互作用的强度。例如,在高温超导中,为了解释这一系统中电子间相互作用比较强的情况,科学家可以根据AdS/CFT理论构建一个引力系统。引力是比较弱的力,而且对于引力我们有完整的爱因斯坦理论可以借鉴,所以可以通过计算引力,来理解高温超导等强耦合系统的性质,这是一种“围魏救赵”般的解题思路。


如果读者觉得难以理解,那么可以用喝可乐来打个比方。在喝可乐的时候,如果你能看到这个可乐的易拉罐表面写的字,就会知道它里面装的是可乐——这就是从表面来推断内在,由低维来推断高维。反过来说,如果把你的眼睛蒙起来,你看不见易拉罐表面写了什么字,但你喝一口这个饮料,也会知道这是可乐,从而推断出易拉罐表面写了“可乐”的字样——这就相当于从高维推断出低维。


AdS/CFT理论找到了表面与内在的对应关系,并且用数学物理公式将这一关系精确表达了出来。



诠释AdS/CFT理论


AdS/CFT理论因为其特有的深邃性,已经成为理论物理学界的一个新潮流,类似于70年前的量子力学大革命。


但一开始,物理学家并不理解AdS/CFT理论,因为这个理论的数学与物理层面都很难懂。


多年来一直研究AdS/CFT理论的北京师范大学物理系副教授张宏宝告诉《环球科学》,这与海森堡1925年建立量子力学时的情景非常相似:“1925年海森堡写出了量子力学矩阵力学的文章,但当时的物理学家都看不懂。”随后,玻恩与海森堡合作了“两人文章”,玻恩、约当以及海森堡合作了“三人文章”,才完整勾勒出量子力学矩阵表达的物理与数学内涵。


在AdS/CFT理论中,古布泽正是诠释该理论的关键人物之一。在马尔达西纳写出AdS/CFT论文后,古布泽与导师Kelebanov一起参与了后续的诠释工作。二人与普林斯顿另一位教授Polyakov联合发表了一篇文章,详细阐释了AdS/CFT对应关系的含义。“场论通过计算关联函数能预测一系列观测量。古布泽等人通过分析AdS时空边界条件,给出了边界理论关联函数的计算方法,这在理论上相当于给出了边界理论的全部信息。”古布泽的学生,普林斯顿大学博士生季子铭告诉《环球科学》。


随后,威腾也写了另一篇诠释AdS/CFT理论的文章。“这两篇文章对马尔达西纳的理论给出了完美诠释,有了这些文章,大家都看懂了马尔达西纳的AdS/CFT文章。”张宏宝说。


1998年,史蒂文·古布泽作为第一作者的文章解读了马德西纳的AdS/CFT理论


作为AdS/CFTT量子引力大革命的前锋人物,古布泽在博士期间已经成为量子引力领域的杰出新秀,其论文影响力已经很高。



未完成的工作


此后,古布泽继续发展了AdS/CFT理论,并且将这个理论做了一些简化。利用图论与数论的结果,2016年,古布泽与合作者提出了p-adic AdS/CFT理论


当图中每个顶点延伸出的边的个数固定时,这张图被称作正则图。在图论中,可以对每个顶点定义一个曲率,对于正则图来说,每个顶点的曲率都是一个负的常数,所以这构成了一个负常数曲率几何,可以类比负常数曲率的AdS时空。


“这个正则树的边界形成了一种拓扑很特殊的数域,即p-adic数域。古布泽和合作者在这个几何上给出了一个类似于AdS/CFT的例子,即考虑树图上的格点标量理论和边界上的p-adic标量场理论之间的对应关系。这不仅拓展了AdS/CFT的应用范围,还有希望结合之前的一系列p-adic物理研究,从不同的角度理解现在的物理理论和现象。”季子铭解释道。


目前,p-adic数域在物理领域还鲜有应用。P-adic数域对实数域的物理有没有帮助?二者有着怎样的联系?这是古布泽近年来希望解决的问题。也许有一天,我们可以替他找到答案。


诗人徐志摩在诗歌里经常写到“云游”与“吻火”,最后飞机失事,在空难中离世,其人生成为一代传奇故事。


古布泽与徐志摩一样,其一生的大部分时间都在研究量子引力,也很喜欢爬山与攀岩等挑战性活动,最后他在攀岩事故中安全绳断裂因为引力作用坠落地面,传奇人生戛然而止。古布泽其运命让人唏嘘感叹,但他在量子引力研究的道路上留下的故事不会被忘记,天空不曾留下痕迹,但他已飞过。





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