何伟雄译
审稿人、编辑金壮伟
特邀审稿人张建东
在校园这片僻静的树林旁，聚集着一批优秀的理论物理学家，而爱德华·威滕（ ）就是其中最杰出的一个。 威滕是唯一一位获得数学界最高奖项菲尔兹奖的物理学家。 他还因发现 M 理论而闻名，该理论被认为是第一个统一物理学的“万有理论”。 候选人。 作为天才中的天才，维滕有着一种超凡脱俗的气质——他总是沉浸在极其抽象的思维中。
图片来源：让
威滕的研究工作极大地推动了近几十年来理论物理的发展，其中最著名的恐怕就是神秘的M理论了。 自爱因斯坦以来，杰出的物理学家一直在寻找一种更基础的量子理论，将引力与其他基本力统一起来，并取代爱因斯坦“引力的本质是时空曲率”（即广义相对论）的理论的近似形象。 M理论是现有理论中最好的候选者，但我们对它仍然知之甚少。 威滕于1995年提出M理论，通过“对偶性”将所有五种弦理论统一在同一个数学结构中。 后来，他和其他研究人员发现弦论和量子场论在数学上也是互为对偶的（弦论认为物质的基本成分是小弦，而量子场论则是粒子“标准模型”的模型）物理学。语言，描述物质场中基本粒子的运动）。 虽然威滕被称为弦理论家，但他还在量子场论方面做出了许多新发现，并研究了它们之间的联系。 此外，他在物理学上的见解也使他在数学上屡屡取得重要发现。 因此，他被誉为数学物理学的“教皇”。 相关领域的研究人员会仔细研究他的工作，希望他对自己的工作产生兴趣。 尽管 66 岁的威滕具有无可置疑的学术影响力，但他并不经常发表他对当代理论发现的见解。
今年秋天访问普林斯顿期间，我在高等研究院的中心草坪上见到了威滕，并要求接受采访。 他说得很快，声音低沉。 他回答说他不能保证回答我所有的问题，但他会努力。
图片来源：让
十月的一个星期四，我如期来到了维滕的办公室。 办公室里没有其他人，办公室的门半开着。 里面的桌子上摆满了文件，不是堆在一起，而是散落在桌子上，面向各个方向。 有些书页快要掉到地上了。 。 （威滕后来解释说，他只是在写/读完报纸后才把它们堆在这里。）他的书架上摆着他家人的照片，他孩子们的艺术品挂在他办公室的墙上，其中包括一幅庆祝他祖父母的艺术品。 节日。 几分钟后，威滕到了，我们花了一个半小时谈论物理和数学中的对偶性意义、M理论的前景以及他所读到的和想到的。
二元性之网
问：物理学家最近开始关注对偶性，您已经研究它数十年了。 您为什么对这个问题感兴趣？
答：我们在二元性方面不断有新的发现。 二元性很有趣，因为它们经常回答困难的问题。 例如，您可能花了很多年思考某种量子理论。 你也明白当量子效应很小时会发生什么，但是当量子效应很大时会发生什么？ 你无法从教科书上学到这一点。 如果你试图深入研究这个问题，你一定会遇到麻烦。 但二元性往往可以回答这些问题。 他们给出了表达问题的另一种方式，而在新的表述中，困难往往得到解决。
问：您能举一些二元性新发现的例子吗？
答：我们发现了很多不同类型的对偶性，包括规范场论之间的对偶性、弱耦合弦理论和强耦合弦理论之间的对偶性，以及著名的规范场论和引力之间的AdS/CFT对偶性。 之间的二元性。 AdS/CFT 二元性在 20 年前就被发现了，但令人惊讶的是，它仍然给我们带来很多启发。 这很大程度上是因为它在大约10年前被一些新思想重新焕发了活力——量子场论中对熵的新理解，“源于量子比特”。
AdS/CFT 对偶性将反德西特时空中的引力理论等同于描述该区域边界的量子场论。 AdS 时空中的一切（通常被称为“块体”，因为它处于更高的维度）都被编码在低维边界的粒子之间的量子相互作用中，就像全息图一样。 因此，AdS/CFT 为物理学家提供了对引力量子本质的“全息”理解。
问：这意味着时空和其中的一切就像全息图，从存储在量子纠缠态中的信息中显现出来。
答：是的。 数学中的一些对偶性也可以解释为物理学中两个量子场论之间对偶性的结果。 它们之间的联系有很多，因此任何快速得出的简单结论都是不完整的。 你必须想象一个不同连接的网络，其中相同的物理问题以不同的方式表述并揭示不同的属性。 在最简单的情况下，只有两个重要的陈述，但它们足以回答这个问题。 如果你让我举一个复杂的例子，那就太多了。
问：鉴于如此复杂的联系网络以及描述所有二元性的难度，您认为这是否反映了对整体结构缺乏了解，或者我们只有在这个网络非常复杂时才能看到它的结构？
答：我不确定。 按照传统的方法，我们首先构造经典场，然后将其量化以获得量子场。 但现在我们知道，在很多情况下这是行不通的。 并且同一个量子理论可能源自不同的经典理论。 内森·塞伯格（理论物理学家和威滕同事）可能会告诉你，他相信有一个更好的量子场论可以让一切变得更加清晰，只是我们还不知道而已。 说实话，我也不确定，我觉得这是一个梦想，而现在看来，似乎有点遥不可及。
您可能感兴趣的其他事情是量子场论不仅对物理学很重要，而且对数学也很重要。 但数学家很难用严格的数学理论来研究物理学家定义的量子场论。 非常奇怪的是，世界是建立在如此复杂的数学结构之上的。
图片来源：让
问：您如何看待数学和物理之间的关系？
答：我不想给出笼统的答案，我们来谈谈我们目前的情况。 量子场论和弦论的物理学蕴藏着许多数学奥秘，但我们还不知道如何系统地提取它们。 物理学家总是能够提出令数学家惊讶的想法，因为它们很难用已知的数学语言描述，所以你必须从物理角度理解量子场论。
我不认为存在新的通用形式。 我知道哪些量子场论缺乏标准方法，所以我们至少可以希望找到新的形式主义来描述这些理论。 但我很难想象那会是什么样子。
问：你完全想象不到吗？
答：是的。 传统上，人们认为相互作用的量子场论只能存在于我们生活的四维时空中，这是一个有趣的巧合。 但在 20 世纪 90 年代，弦对偶性的一个分支发现量子场论可以同时存在于五维和六维中。 不幸的是，我们对它们的特性知之甚少。
问：我听说过神秘的（2,0）理论，这是一种用于描述六维空间和时间中的粒子的量子场论。 它与描述七维 AdS 空间中的弦和重力的 M 理论对偶。 (2,0) 理论在双网络中重要吗？
A：是的，这是一个非常前沿的理论。 没有比不考虑重力的传统量子场论更好的理论来描述六维之外的情况了。 从六维（2,0）理论出发，可以得到大量重要的对偶性及其在四维甚至更低维度的性质。 然而，尽管我们对量子场论的理解通常来自经典场论的量子化，但我们尚未找到（2,0）理论的经典对应物。 (2,0)理论的一些性质（例如对称性的组合）非常奇怪。 所以你可能想知道为什么存在对偶性，但对我来说，为什么会有这样一个具有这些特殊性质的六维理论是一个更基本的问题。
问：对偶性允许我们用完全不同的方式描述同一个系统，但也让我们很难理解“什么是真实的？”这个问题。 你怎么认为？
答：我可以告诉你的是，一般来说，当存在二元性时，用一种表述很容易的问题在另一种表述中就会变得困难。 例如，使用牛顿力学来描述你我的日常运动是相当简单的。 但如果我们生活在一个有一个完全不同的双重“兄弟”的世界里，也许物理学家认为的一些事情在那个世界里会更清楚，但我们的日常生活就会变得难以描述。
M理论的发展
问：有一种相对乐观的观点认为存在一种万能的量子引力理论。 你怎么认为？
答：不幸的是，我认为即使这个观点是正确的，我也不能保证它会对我们有帮助。 因为尽管我们目前的理论还不完整，但它已经解释了相当多的现象。 因此，即使有更完整的描述，也很难说它实际上有多大帮助。
问：你指的是M理论吗？
答：M 理论只是一种候选理论。
问：您22年前就提出了M理论。 目前其发展状况如何？
答：我个人认为，早在22年前我们就非常确信M理论的存在，但现在人们对它更有信心了，因为AdS/CFT至少在AdS时空几何中给出了M理论的明确定义。 但是，我认为我们对理论的理解还不够。 与22年前相比量子物理学什么时候学，理论发展主要集中在AdS/CFT及相关内容。 但我相信这只是一方面，一定还有其他重要的方向。
图片来源：让
问：你能举个例子吗？
答：例如，时空本身的量子特性的大量描述。 长期以来，我们在这方面进展甚微。 我想这可能是因为答案与我们熟悉的不同。 当然，这只是我的猜测。
问：您认为会有哪些差异？
答：这很难说。 我怀疑它会更抽象。 我倾向于认为，除了一些已知的特殊情况外，时空并没有精确的量子描述（例如，我们知道AdS空间中确实存在这样的描述）。 但我无法做出更多的预测。
一切都源于量子比特吗？
威滕：不久前，我读到了普林斯顿大学物理学家约翰·惠勒在上世纪写的一篇老文章（，，，：这篇文章中的for链接惠勒于1989年完成）提出“万物源于比特”，即物理宇宙起源于信息）。 他是一个有远见的人，但这篇文章的写作含糊不清。 如果我在 30 年前读过这篇文章，我可能会拒绝这个想法，因为它太模糊了，无法深入研究，即使他是对的。
问：您读这篇文章的目的是什么？
答：我想知道当人们说“一切都始于量子比特”时，他们的意思是什么。 惠勒曾经说过“一切都始于比特”，但当他写这篇文章时，“量子比特”这个术语可能还不存在。 然而，当我读到这篇文章时，我觉得惠勒实际上是在讨论“量子比特”而不是比特。 因此，“一切源于量子比特”实际上只是现在的一种说法，但仍然是惠勒当时的思想。
我不会说惠勒的想法是对还是错。 当我刚开始读研究生时量子物理学什么时候学，学院举办了一系列讲座，向新生介绍理论研究的最新进展，其中一位演讲者就是惠勒。 他在黑板上把宇宙画成一只眼睛看着他，但当时我不明白他在说什么。 后来我明白，他是在解释当观察者本身就是量子系统的一部分时我们应该如何讨论量子力学。 我想我们还没有理解它的意义。
问：观测本身不可逆地改变了量子系统，造成了过去和未来的差异。 所以观众的问题可能在某种程度上与时间问题有关。 通过 AdS/CFT 对偶性，我们了解到新的空间维度可以像全息图一样从边界的量子信息中出现。 你是否认为时间也是涌现的——它是由一些没有时间的量子力学公式产生的？
答：我倾向于认为空间和时间以及其中的一切在某种意义上都是涌现的。 惠勒在他的文章中预言了这一点。 他认为连续性的概念在物理学和数学中都是不准确的。 他认为，用任何连续的概念——连续时间、连续空间、连续实数——来微观地描述空间和时间都是有问题的。 关于时间和空间，我同意他的观点。 关于实数，我无法判断，这正是我想知道的。 我与一位逻辑学家讨论了它，试图理解其中的含义，但没有帮助。
问：你认为惠勒是英雄吗？
A：我不会称他为英雄。 我只是好奇他所说的“一切都来自于比特”是什么意思。 他的思想是有远见且超前于时代的。 我想我现在会有更多的耐心来阅读这样的文章。 虽然不清楚，但是能给我带来启发和灵感。 这篇文章有大约 100 条参考文献，而且看起来都很有趣。 但读完它们可能需要几周的时间。 我想我会挑选一些并阅读它们。
图片来源：让
问：为什么你现在更有耐心看这样的文章了？
A：当我年轻的时候，我总是认为我接下来做的一件事可能是我一生中最重要的事情。 但现在，我的想法发生了一些变化。 花点时间阅读其他人的文章也是值得的。
问：与惠勒的风格不同，您通过计算获得了深刻的见解。
A：我只能实现小飞跃，但惠勒的想法是一个飞跃：他在文章开头说，他不知道是否需要10年、100年或1000年来验证这些想法。
问：他试图解释物理学如何从信息中产生。
答：是的。 他的说法更加宏大：他要解释存在的意义。
问：惠勒对此有什么猜测吗？
A：不，他只是在讨论我们应该做什么和不应该做什么，以获得更基本的物理描述。
Q：您对于存在的意义有何看法？
答：没有（笑）。
原文链接：
