撰文 |《環(huán)球科學》資深編輯 韓晶晶

去年7月，來自世界各地的180位物理學家聚集到了加拿大的圓周理論物理研究所,，參加“It from Qubit”（IfQ）項目的首次大型研討會,。由于接待能力有限，還有更多有意參加的學者無法來到現(xiàn)場,，只能通過網(wǎng)絡(luò)觀看報告和參與討論,。參會研究者的專業(yè)可謂是五花八門：量子引力、粒子物理,、凝聚態(tài)物理,、量子信息等等，基本涵蓋了整個現(xiàn)代物理學,。

這次會議,，這么多物理學家,，還有IfQ項目的最終目的只有一個,，就是尋找通往終極理論的可行道路。而他們所有探討的出發(fā)點,，則是一個人的智力成果——胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）的Ads/CFT對偶,。

終極理論，用謙卑一點的說法就是量子引力理論,，也就是能把量子力學和描述引力的廣義相對論統(tǒng)一到一起的理論,。量子力學和廣義相對論是當代物理學的兩大支柱，諸多觀測和實驗——包括最近的量子通信,、引力波等研究,，均證明了它們正確無誤。然而,，這兩種理論卻是難以調(diào)和的,。一般情況下，這并未給我們帶來太大困擾,，畢竟兩者適用的場合不同,，廣義相對論涉及強引力場，研究的通常是星系甚至宇宙這樣的大尺度對象,，而量子力學統(tǒng)治的則是基本粒子的微觀世界,。但是，要描述某些極端的場合,，例如大爆炸之初和黑洞中心,，我們就必須要有一個量子引力理論了。事實上,，對黑洞的研究的確暴露出兩種理論存在著尖銳的矛盾,。

當然,，物理學家很早就開始探尋統(tǒng)一兩種理論的辦法了，愛因斯坦晚年的大部分時間就是在嘗試把量子理論統(tǒng)一到廣義相對論中,，建立一個“統(tǒng)一場論”,，但基本上徒勞無功。后來的物理學家提出了數(shù)種建立量子引力理論的途徑,，其中看起來希望最大的是弦論,。這種理論把粒子看成一維的、正在振動的弦,，從而避開了一些討厭的障礙,。遺憾的是，弦論實在是太復(fù)雜了,，它要求宇宙在四維時空之外還有額外的維度,，必須想辦法把那些額外維“卷”起來，但具體的可能操作方法實在太多,，這讓物理學家很難得出一個描述宇宙的確定理論,。

2016年的IfQ研討會上，馬爾達西那（畫面中央）與與會者交談,。

不過,，在1997年，弦論領(lǐng)域迎來了一次重大突破,，馬爾達西那提出了Ads/CFT對偶,，打開了一扇通往量子引力的新大門。他的發(fā)現(xiàn)把弦論和物理學家已經(jīng)研究得相當透徹的量子場論聯(lián)系起來,，令所有弦論研究者興奮不已,。用他自己的話說，這個理論意味著“你可以在瓶子中創(chuàng)造一個宇宙”,。

1998年初,，馬爾達西那在Advances in Theoretical and Mathematical Physics上發(fā)表了有關(guān)該研究的論文The Large N Limit of Superconformal Field Theories and Supergravity，接下來短短的幾個月,，物理學界就涌現(xiàn)出了上百篇相關(guān)的論文,，進一步完善了這一理論。在1998年夏天的弦論大會上,，為了慶祝這一進展,，興奮的物理學家們跳起了源于同名流行歌曲的馬卡麗娜（Macarena）舞。對于他們來說,，可能叫馬爾達西那舞更合適一些,，芝加哥大學的理論物理學家杰弗里·哈維（Jeffrey Harvey）還給這首歌填了新的歌詞，內(nèi)容都換成了弦論,，最后的“Hey,，Macarena,！”，也變成了“Ehhhh,！ Maldacena,！”

這股熱潮的源頭馬爾達西那，時年29歲,，在哈佛大學擔任副教授,。馬爾達西那來自阿根廷，出生于布宜諾斯艾利斯,，幼年時的他受工程師父親的影響,，對日常器物的運作原理頗感興趣，當在中學階段接觸了物理學后,，他立刻就被這個探究宇宙運行機制的學科牢牢吸引,。馬爾達西那在阿根廷的Balseiro研究所獲得了碩士學位，然后來到了美國普林斯頓大學,，在理論物理學家柯蒂斯·卡倫（Curtis Callan）指導(dǎo)下攻讀博士學位,。在學習期間，馬爾達西那有個與眾不同的習慣,，雖然他的專業(yè)是理論物理方向,，卻也花了不少時間到實驗室中參與實驗組的工作,。這樣的經(jīng)歷讓他認識到了檢驗理論和進行測量時會遭遇的種種問題,，獲益匪淺。

胡安·馬爾達西那 圖片來源：QuantaMazagine

馬爾達西那關(guān)于應(yīng)用弦理論研究黑洞的博士論文得到了哈佛大學物理系的關(guān)注,，于是在1997年,，博士畢業(yè)僅1年，他就成為了哈佛大學的副教授,。在掀起弦論的新一輪熱潮后,，他又在1999年迅速升為了正教授。

現(xiàn)在,，馬爾達西那是普林斯頓高等研究院的Carl P. Feinberg講席教授,。他當年的那篇論文引用次數(shù)已經(jīng)超過了15 000次。這20年來,，幾乎每兩天,，就會有人發(fā)表一篇引用了這篇論文的新論文，順理成章地成了高能物理領(lǐng)域有史以來引用量最高的論文（其實排名第二的論文也是關(guān)于Ads/CFT對偶的）,。馬爾達西那本人也成了弦論領(lǐng)域的代表人物,，有不少人認為，他是當今最聰明的物理學家,，甚至把他稱作我們這個時代的愛因斯坦,。

Ads/CFT對偶,，或者說馬爾達西那對偶到底有何魅力，讓物理學界為之如此癡迷,？用加利福尼亞大學物理學家約瑟夫·波爾津斯基（Joseph Polchinski）的話說,，Ads/CFT對偶是目前為止，距離統(tǒng)一量子力學和廣義相對論的宏大目標最近的理論,。它化繁為簡,，讓物理學家可以避開弦論的種種難題，找到處理量子引力的方法（至少在某種特殊空間中）,。

所謂的對偶,，指的是看似毫不相同的兩個事物之間存在奇異的等效性。在馬爾達西那對偶的左邊,，Ads代表反德西特（anti-de Sitter）空間,，右邊的CFT則代表共形場論（Conformal Field Theory）。不過,，確切地說,，構(gòu)成了對偶的雙方是反德西特空間中的量子引力理論（弦論），與該空間邊界上的普通量子理論（共形場就是一種量子理論）,。

反德西特空間,，這個看上去有點奇怪的名字源自荷蘭物理學家威廉·德西特（Willem de Sitter），是他首先提出了德西特空間,。我們熟悉歐幾里德式的平直空間,，在這樣的空間中，兩條平行線永遠不會相交,，三角形的內(nèi)角和精確等于180度,。但空間也可能是彎曲，實際上,，按照愛因斯坦的廣義相對論,，物體擁有的質(zhì)量就會讓周圍空間彎曲，而整個宇宙空間也有可能是彎曲的,。彎曲的空間,，曲率可能是正也可能是負，為了方便理解,，我們可以考慮只有兩個維度的空間,，最簡單的正曲率代表就是球面，而負曲率的代表則是馬鞍形的雙曲拋物面,。

給球面加上時間維度,，就可以得到最簡單的正曲率時空——德西特空間（當然德西特空間的空間維也可能是三維或者更高），物理學家曾以為我們的真實宇宙就是有三個空間維的德西特空間，常用來解釋宇宙膨脹的氣球?qū)嶋H上就是這種德西特空間的二維類比,。（不過,，目前的觀測結(jié)果表明我們宇宙更可能是平直的。）同樣,，給最簡單的負曲率空間加上時間,，就得到了反德西特空間。

反德西特空間與真實的宇宙不同,，既不會膨脹也不會收縮,。更為奇特的是，它雖然是無限的,，卻有“邊界”,。這個邊界是由空間和時間共同圈出來的，如果把時間固定,，只考慮空間上的邊界,，那么一個與我們宇宙類似，有三個空間維的反德西特空間,，其邊界就是一個二維球面,。

德西特空間（左）與反德西特空間（右）的時空結(jié)構(gòu)。