物理学家的物理学家思考现实的本质(2017)

在新泽西州普林斯顿高等研究院宁静的伍德赛德校园里隐居的杰出理论家中，爱德华·威滕(Edward Witten)脱颖而出，堪称一名高级牧师。作为唯一一位获得菲尔兹奖(数学的首要奖项)的物理学家，Witten还以发现M理论而闻名，M理论是统一物理“万物理论”的领先候选者。威腾是天才的天才，他身材高大，长方形，眼睛朦胧，在有人把他从更抽象的想法中拉回来之前，他的神气就像是只有四分之一调到现实中去。

在今年秋天的一次访问中，我在研究所的中央草坪上发现了威滕，并要求接受采访；他用敏捷的中音嗓音说，他不能保证能够回答我的问题，但会努力。后来，当我在石路上从他身边走过时，他似乎经常看不到我。

自阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在同一个智力天堂度过一生以来，物理学名人们一直试图通过找到一种更基本的量子理论来取代爱因斯坦将重力近似描述为时空几何中的曲线，从而将重力与其他自然力统一起来。可以想象，Witten在1995年提出的M-理论可以提供这种更深层次的描述，但人们只知道该理论的某些方面。M理论将弦理论的所有五个版本合并到一个单一的数学结构中，它将自然界的元素呈现为微小的振动弦。这五种弦理论通过“二元性”或数学等价相互联系。在过去的30年里，Witten和其他人了解到，弦理论在数学上也是量子场理论的对偶-描述粒子在电磁场和其他场中运动的情况，这些场是粒子物理学中占统治地位的“标准模型”的语言。虽然他最出名的身份是弦理论家，但他发现了许多新的量子场理论，并探索了所有这些不同的描述是如何联系在一起的。他的物理洞察力一次又一次地导致了深刻的数学发现。

研究人员仔细研究了他的工作，希望他能对他们的工作感兴趣。但是，尽管有学术影响力，66岁的维滕并不经常发表他对现代理论发现的影响的观点。即使是他的亲密同事也热切地提出他们想让我问他的问题。

上个月一个夏日的星期四，当我在约定的时间到达他的办公室时，威腾不在。他的门半开着。他的咖啡桌和书桌上堆满了文件--不是堆叠，而是洪水：到处都是文字，有些页面几乎洒到了地板上。(他后来解释说，当他完成研究论文时，它们会迷失在漩涡中，他经常会把成堆的论文扔掉。)。两个女孩微笑着从架子上的相框里走出来；墙上装饰着儿童艺术品，其中一个在庆祝祖父母节。几分钟后，当Witten到达时，我们谈论了一个半小时，讨论了物理和数学中的二元性的意义，M理论的当前前景，他正在阅读的东西，他正在寻找的东西，以及现实的本质。为清楚起见，我们对采访进行了浓缩和编辑。

物理学家最近比以往任何时候都更多地谈论二元性，但你已经研究它们几十年了。你为什么对这个主题感兴趣？

人们不断发现二元性的新方面。二元性之所以有趣，是因为它们经常回答原本遥不可及的问题。例如，你可能已经花了几年时间思考一个量子理论，你知道当量子效应很小时会发生什么，但教科书没有告诉你如果量子效应很大你会做什么；如果你想知道这一点，你通常会有麻烦。二元论经常回答这样的问题。他们为您提供了另一种描述，您在一种描述中可以回答的问题与在不同描述中可以回答的问题是不同的。

它是开放式的，因为有这么多不同种类的二元性。规范理论(如量子场论，尊重某些对称性的理论)和另一个规范理论之间，或者弱耦合的弦理论(描述几乎相互独立运动的弦)和强耦合的弦理论之间存在对偶性。然后是ADS/CFT二元性，在规范理论和引力描述之间。这种二元性在20年前就被发现了，而且令人惊讶的是，它仍然取得了丰硕的成果。这在很大程度上是因为大约10年前，引入了新的想法，让它焕发了活力。人们对量子场论中的熵有了新的见解--关于“它来自量子比特”的全部故事。

这就是时空和其中的一切都像全息图一样从存储在粒子纠缠量子态中的信息中浮现出来的想法。

是。然后是数学上的二元性，这有时可以在物理上解释为两个量子场论之间的二元性的结果。这些事情有很多种相互联系的方式，以至于我一说出任何简单的声明，我就意识到它并没有抓住整个现实。你必须想象一个不同关系的网络，在这个网络中，相同的物理有不同的描述，揭示不同的性质。在最简单的情况下，只有两个重要的描述，这可能就足够了。如果你问我一个更复杂的例子，可能有很多很多不同的例子。

考虑到这张关系网，以及描述所有二元性有多难的问题，你觉得这反映了对结构的缺乏理解，还是我们看到了结构，只是它非常复杂？

我不确定我们应该期待什么。传统上，量子场论是从[平滑场]的经典图像开始，然后将其量子化。现在我们了解到，有很多事情发生了，而这种描述是不公平的。同样的量子理论可以来自不同的经典理论。现在，纳蒂·塞伯格(Nati Seiberg)[在大厅下面工作的理论物理学家]可能会告诉你，他相信有一种我们不知道的更好的量子场论公式会让一切变得更清楚。我不知道你对它的期望值有多高。那将是一个梦想，但可能期望太高了，我真的不知道。

还有另一个你可能想要考虑的奇怪的事实，那就是量子场论对于物理学来说是非常核心的，而且它对数学来说显然也是非常重要的。但是数学家很难研究它；物理学家定义它的方式很难用严谨的理论来遵循。这是非常奇怪的，世界在很大程度上是建立在一个如此困难的数学结构上的。

我不想给你们一个宇宙的答案，而是评论我们现在所处的位置。量子场论和弦理论中的物理学不知何故蕴藏着很多重要的数学秘密，我们不知道如何系统地提取这些秘密。物理学家能够想出让数学家吃惊的东西。因为用已知的公式很难用数学来描述，所以你从量子场论中学到的东西，你必须从物理学中学到。

我很难相信有一种新的配方是通用的。我觉得期望太高了。我可以指出一些理论，在这些理论中，标准的方法似乎真的不够用，所以至少对于那些量子场论，你可以希望有一个新的公式。但我真的无法想象会是什么样子。

不，我不能。传统上，人们认为相互作用的量子场论不可能存在于四维之上，而有趣的事实是，这就是我们生活的维度。但20世纪90年代弦二元论的一个分支是，人们发现量子场论实际上存在于五维和六维空间。令人惊讶的是，人们对它们的性质了解如此之多。

我听说过神秘的(2，0)理论，这是一种描述六维粒子的量子场论，它是描述七维广告空间中弦和引力的M理论的对偶。这个(2，0)理论在二元性的网络中扮演着重要的角色吗？

是的，这就是巅峰。就没有引力的传统量子场论而言，在六维以上没有什么能比得上它。从(2，0)理论的存在和主要性质中，你可以推断出关于低维发生的事情的令人难以置信的数量。这个六维理论及其性质在四个维度和更少的维度上产生了非常多的重要二元性。然而，尽管我们对量子场论的了解通常是从量子化经典场论开始的，但(2，0)理论并没有合理的经典起点。(2，0)理论具有[例如对称性的组合]的性质，当你第一次听到它们时，这些性质听起来是不可能的。所以你可以问为什么存在二元性，但是你也可以问为什么有这样那样的性质的6-D理论？在我看来，这似乎是一种更根本的重申。

二元性有时会让你很难保持对世界真实的感觉，因为你可以用截然不同的方式来描述一个单一的系统。你如何描述什么是真实的或基本的？

你对真实事物的哪个方面感兴趣？我们的存在意味着什么？或者我们如何适应我们的数学描述呢？

我要告诉你的一件事是，一般来说，当你有二元性时，在一种描述中容易看到的东西在另一种描述中很难看到。所以，举个例子，你和我，用牛顿和他的继任者发展的通常的物理学方法来描述是相当简单的。但是，如果对现实世界有一种截然不同的双重描述，也许物理学家担心的一些事情会更清楚，但双重描述可能是日常生活很难描述的一种描述。

你对更乐观的想法的前景有何看法，即可能会有一种单一的量子引力描述，在现实世界中的每一种情况下都确实对你有帮助？

嗯，不幸的是，即使它是正确的，我也不能保证它会有帮助。很难提供帮助的部分原因是，我们现在得到的描述，尽管不完整，但确实解释了很多。所以很难说，即使你有一个更好的描述或者更完整的描述，它在实践中是否会有帮助。

就我个人而言，我认为它在22年前就存在了，但今天的置信度要高得多，因为ADS/CFT给了我们准确的定义，至少在ADS时空几何上是这样。然而，我认为我们对它是什么的理解仍然非常模糊。与22年前相比，ADS/CFT及其带来的一切都是主要的新视角，但我认为ADS/CFT完全有可能只是一个多方面的故事的一个方面。可能还有其他同样重要的方面。

也许是对时空本身量子属性的整体描述，而不是全息边界描述。在很长一段时间里，在获得更好的批量描述方面没有太大的进展。我认为这可能是因为答案与我们所习惯的任何东西都不同。那是我的猜测。

我真的很怀疑我能说什么有用的话。我想我怀疑与我们习惯的东西相比，有一层额外的抽象性。我倾向于认为时空没有精确的量子描述--除非在我们知道存在的情况下，比如在广告空间。我倾向于认为，否则，事情会比精确的量子描述稍微模糊一点。但我不能说任何有用的话。

前几天晚上，我在读20世纪普林斯顿大学物理学家约翰·惠勒的一篇老文章。当然，他是一个有远见的人。如果你从字面上理解他说的话，就会含糊得无可救药。因此，如果我在30年前这篇文章发表的时候读过它，我可能已经读过了，我会拒绝它，因为它太含糊了，以至于你无法完成它，即使他走上了正确的道路。

你指的是“信息、物理、量子”，惠勒1989年的文章提出了物理宇宙起源于信息的观点，他将其命名为“来自比特”。你为什么要读它？

我想了解人们用“来自量子比特”这句话想要表达的意思。惠勒谈到了“从比特开始”，但你必须记住，这篇文章很可能是在“量子比特”这个术语被创造出来之前写的，当然也是在它被广泛流传之前。读到它，我真的认为他说的是量子比特，而不是比特，所以“它来自量子比特”实际上只是一个现代翻译。

不要指望我能告诉你关于这件事的任何有用的事情--关于他是否正确。当我还是一名研究生的时候，他们有一系列的教职员工给新生讲授理论研究的课程，其中一个讲课的人就是惠勒。他在宇宙的黑板上画了一幅画，形象地看着一只眼睛看着自己。我不知道他在说什么。事后我很明显，他是在解释，当观察者是量子系统的一部分时，谈论量子力学意味着什么。我想这里面有我们不明白的地方。

观察量子系统不可逆转地改变了它，造成了过去和未来的区别。所以观察者的问题看起来可能跟时间问题有关，我们也不理解。有了ADS/CFT二元性，我们了解到新的空间维度可以像全息图一样从边界上的量子信息中冒出来。你认为时间也是突现的吗？它是从永恒的完整描述中产生的吗？

我倾向于假设时空和其中的一切在某种意义上是浮现的。顺便说一句，你肯定会发现这正是惠勒在他的文章中所期望的。正如你将读到的，他认为连续体在物理和数学上都是错误的。他认为一个人对时空的微观描述不应该使用任何形式的连续体-既不是空间连续体，也不是时间连续体，甚至也不是实数连续体。在空间和时间上，我对此表示同情。在真实的数字上，我不得不为无知或不可知论辩护。这是我想知道的事情，但我试着想象不使用实数连续体意味着什么，而我试图与之讨论的一位逻辑学家对我没有帮助。

我不一定会称他为英雄，不一定。我真的很好奇他说的“从头到尾”是什么意思，他在说什么。他绝对有远见卓识的想法，但他们太超前了他们的时代。我想我在阅读一篇含糊但鼓舞人心的文章时比20年前更有耐心了。在那篇文章中，他还引用了大约100条听起来很有趣的推荐信。如果你决定把它们全部读完，你就得花上几个星期的时间才能读完。我可能会决定看看其中的几个。

我想当我年轻的时候，我总是认为我做的下一件事可能是我一生中最好的事情。但在人生的这个阶段，我不太相信这一点。如果我浪费一点时间读别人的文章，看起来也没那么糟。

与惠勒不同的是，你的工作风格似乎是通过计算获得洞察力，而不是追逐模糊的愿景。

在我的职业生涯中，我只能进行小跳跃。相对较小的跳跃。惠勒所说的是一个巨大的跳跃。他确实在文章的开头说过，他不知道这是需要10年、100年还是1000年的时间。

是。他的表述方式更为宽泛：他想解释存在的意义。这就是为什么我认为你是在问我是否想解释存在的意义。

不是的。他只谈到你不应该做的事情，以及你在试图对物理学进行更基本的描述时应该做的事情。

更正：本文更新于2017年11月29日，澄清M理论是统一万物理论的领先候选者。也有人提出了其他主张统一基本力量的想法。