當代弦理論之父, 愛因斯坦的真正繼承者——威騰的傳奇人生

將廣義相對論和量子力學統一起來的嘗試可以追溯到1940年代。正如加來道雄(Michio Kaku)所說的 “上帝方程”,這個方程包含了所有主要的物理學定律,包括量子力學和廣義相對論,是解釋宇宙中每一個物理現象的終極數學公式。聽起來很吸引人,不是嗎?

1990年的菲爾茲獎,是純數學領域最負盛名的獎項,授予了一位理論物理學家愛德華-威滕。愛德華-威滕博士是第一位被國際數學聯盟授予該獎章的物理學家,因為他在1981年證明了廣義相對論中的正能量定理。他是廣義相對論和量子力學統一理論(俗稱超弦理論)發展過程中最重要的人物之一。

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保羅-狄拉克(右)和愛德華-威滕在進行討論。

30多年來,威滕作為超弦理論的領導者,對理論物理學和純數學做出了重大貢獻,並推動了數學的發展,促使許多數學家進行了前沿研究。威滕一直在研究,並在數學物理學的多個領域提供了至關重要的貢獻,包括弦理論、量子引力和超對稱量子場理論。威滕在物理學界掀起了潮流,就像梵高在藝術領域掀起潮流一樣,透過運用他的物理直覺和數學技巧,推動了數學和物理學的發展。正如塞繆爾·特里曼(Samuel Trieman)在《紐約時報》雜誌(1987年出版的《萬物理論》)中所說的:

我們不應該經常拿愛因斯坦作比較,但說到威騰,他就遠遠超過其他人了。他讓一群人走上了新的道路。他提出了優雅的、歎為觀止的證明…

威滕於1951年8月26日出生在馬里蘭州巴爾的摩,父親路易斯-威滕是一位理論物理學家,專門研究引力和廣義相對論。威滕就讀於巴爾的摩公園學校,與其他物理學家不同,他於1971年獲得布蘭代斯大學的文學士學位,主修歷史,輔修語言學。由於對語言學有濃厚的興趣,威滕對政治也有抱負。畢業後,他還為喬治·麥戈文的總統競選工作。

威滕隨後在威斯康星大學麥迪遜分校攻讀經濟學,但在完成一個學期後退學,並於1973年在普林斯頓大學攻讀應用數學,然後在理論物理學家和2004年物理學諾貝爾獎得主大衛-格羅斯的指導下,於1976年獲得物理學博士學位,完成了題為 “規範理論短距離分析中的幾個問題(Some problems in the short distance analysis of gauge theories) ”的論文。

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大衛-格羅斯、斯蒂芬-霍金和愛德華-威滕在印度孟買的塔塔基礎科學研究所舉行的 “弦2001 ”國際會議上。

大多數沒有接受過物理訓練的人可能會認為物理學家的工作是一個極其複雜的計算問題,但這並不是它的本質。它的本質是,物理學是關於概念的,想要理解概念,世界運作的原理。——愛德華-威滕。

威滕被認為是現代弦理論之父,因為他對該理論的數學發展做出了無與倫比的貢獻。但是,威滕對這一令人著迷的新物理學領域的貢獻究竟是什麼,他敢於調和廣義相對論和量子力學?20世紀70年代初,當時物理學家們正在尋找將費米子納入弦理論譜系的方法,這導致了超對稱的提出,一種從玻色子和費米子轉化的數學模型。就這樣,它導致了一種新理論的發明(現在稱為超弦理論),基本上是包括費米子振動的弦理論。

但發展這種新理論的道路並不像看上去那麼容易。到20世紀中期,理論和數學物理學家們已經發展出了五個不同版本的弦理論,無法確切地弄清楚哪一個才是真正的弦理論。這五種不同的理論版本被稱為I型、IIA型、IIB型,以及兩種型別的雜化弦理論(SO(32)和E8xE8。最大的問題是要確定哪種理論是實際的萬物理論,而那一種理論的低能量極限與今天所觀察到的物理現象相吻合。1995年春天,威滕博士在加利福尼亞大學的弦理論會議上發言時,對問題的解決提出了一個令人驚訝的見解,這個見解後來在物理學界開始了第二次超弦革命。他說,這五種理論實際上並非截然不同,而是一種理論的不同極限。他將所有五個理論統一起來,形成了一個新的主理論,稱為M理論。布萊恩-格林教授在他的暢銷書《宇宙的結構》(2003年)中曾引用過:

1995年春天…借鑑一些弦理論家(包括克里斯-赫爾、保羅-湯森、阿舒克-森、邁克爾-達夫、約翰-施瓦茨和其他許多人)的研究,愛德華-威滕幾十年來一直是世界上最著名的弦理論家,發現了一個隱藏的統一體,將所有五個弦理論聯絡起來。威滕表明,這五種理論並不是截然不同的,實際上只是用五種不同的方式對一個理論進行數學分析。這個統一的主理論暫且被稱為M理論。

超弦理論,被現代科學界的許多偉大知識分子認為是最有希望成為萬物理論的有效候選理論。然而,該理論有其自身的侷限性。超弦理論是建立在超對稱性的基礎上的,而到目前為止還沒有發現這樣的超對稱粒子。因此,基本上,缺乏實驗證據是對該理論的嚴重限制,儘管它在理論上是準確的,而且在數學上非常一致。

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用振動的弦代替點狀粒子的概念的開始可以追溯到20世紀60年代。弦理論預言了一種質量為零、自旋為2的粒子。兩位數學物理學家約翰-施瓦茨和喬爾-舍克在1974年發現,這種粒子就是引力子,引力的量子載體。這為調和引力和量子力學創造了一個極其驚人的出路。

我一生中最大的智力刺激。

威滕被認為是當今最偉大的在世物理學家之一。許多物理學家認為他是愛因斯坦的真正繼承者。在《科學美國人》2014年的一篇文章中,約翰-霍根提到了他:

在1990年的一次宇宙學會議上,我請與會者(包括霍金、邁克爾-特納、詹姆斯-皮布林斯、艾倫-古斯和安德烈-林德等人)提名最聰明的在世物理學家。愛德華-維滕得到了最多的投票。

除了菲爾茲獎,威滕還獲得了許多獎項,如美國國家科學獎(2002),基礎物理學突破獎(2012)。他在2006年被任命為教廷科學院院士,並在2012年當選為美國數學學會會員。儘管對該理論有許多批評,對其實驗證據也不確定,但威滕博士仍然相信弦理論可能是萬物的終極理論,並仍在努力提供關於該理論的新見解。

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