理論物理學家因攀岩意外離世：他詮釋了最深邃的量子引力理論

史蒂文·古布澤

撰文 張華

8 月 4 日，一封主題為「悲慘的消息」的電子郵件迅速傳遍了全世界的理論物理學家的朋友圈。郵件這樣寫道：「非常遺憾地告訴大家，周六早上（2019 年 8 月 3 日），在法國的夏蒙尼，史蒂文·古布澤（Steven Gubser）在一場攀岩事故中遇難……留下了他的妻子與三個年幼的女兒。」

這個消息是如此震驚，以至於幾乎所有認識史蒂文·古布澤的物理學家都不能接受這個事實——年僅 47 歲的天才物理學家就這樣撒手人寰了。

少年成名

1972 年 5 月 4 日，古布澤出生於美國俄克拉荷馬州。不久之後，他隨父母遷移到科羅拉多州的阿斯彭。

在阿斯彭讀中學時，史蒂文·古布澤開始喜歡上了物理，並且表現出極高的天賦。1989 年，在波蘭華沙舉行的國際物理奧林匹克競賽上，17 歲的古布澤在競賽中取得了個人最高分，成為美國歷史上第一位物理奧林匹克金牌獲得者，少年成名。次年，他又在國際化學奧林匹克競賽中獲得銀牌。

1990 年，古布澤進入普林斯頓大學物理學專業讀本科。古布澤的本科畢業論文十分優秀，他被授予美國物理學會勒羅伊·阿普克獎，這是本科生研究的最高榮譽。

量子引力革命

1995 年，在劍橋大學用一年時間獲得碩士學位後，古布澤重返普林斯頓大學攻讀博士學位，他的主要研究方向是一種量子引力理論——弦論。弦論的主要目標是把愛因斯坦的廣義相對論量子化，從而解釋宇宙大爆炸為什麼會發生、黑洞中心的奇點到底是什麼等問題。這一領域對數學的要求極高，所以成為理論物理學研究的塔頂，很少有人能弄懂弦論的全部數學。弦論的物理思想則博大精深，以威騰為代表的弦論學家已經把弦論發展到了10維時空，這遠遠超出了一般物理學中4維時空的範疇。

到了 1997 年，弦論大革命爆發了。年輕的阿根廷物理學家馬爾達西納提出了AdS/CFT 理論。AdS 就是反德西特時空，這是一個具有最大對稱性的時空，其對稱性的個數與平坦的閔氏時空一樣多，但 AdS 時空具有負的宇宙學常數，因此其空間中各處的曲率均為負值。而 CFT 是共形場論，「在共形場論中，相互作用的強度是不隨能量的改變而改變的。所以，這給計算帶來很多方便。」德國烏茲堡大學理論物理學家巫雷尼（Rene Meyer）告訴《環球科學》。

AdS/CFT 理論說的是反德西特時空中的引力，與其邊界上的共形場論是等價的，這是一個出人意料的聯繫，被人形象地稱為「內涵都在表面上」。

AdS/CFT 理論為什麼那麼重要呢？

AdS/CFT 理論，可以與微積分中的高斯-斯托克斯公式，或是複變函數中的柯西圍道積分公式（在實數軸上的積分，可以轉化為在複平面上的積分）進行類比。這些公式反映出高維與低維之間的聯繫。

AdS/CFT 也是如此，一個表面的低維強耦合物理系統的性質，往往可以通過其內部的引力場理論反應出來。所謂強耦合指的是相互作用的強度。例如，在高溫超導中，為了解釋這一系統中電子間相互作用比較強的情況，科學家可以根據 AdS/CFT 理論構建一個引力系統。引力是比較弱的力，而且對於引力我們有完整的愛因斯坦理論可以借鑒，所以可以通過計算引力，來理解高溫超導等強耦合系統的性質，這是一種「圍魏救趙」般的解題思路。

如果讀者覺得難以理解，那麼可以用喝可樂來打個比方。在喝可樂的時候，如果你能看到這個可樂的易拉罐表面寫的字，就會知道它裡面裝的是可樂——這就是從表面來推斷內在，由低維來推斷高維。反過來說，如果把你的眼睛蒙起來，你看不見易拉罐表面寫了什麼字，但你喝一口這個飲料，也會知道這是可樂，從而推斷出易拉罐表面寫了「可樂」的字樣——這就相當於從高維推斷出低維。

AdS/CFT 理論找到了表面與內在的對應關係，並且用數學物理公式將這一關係精確表達了出來。

詮釋 AdS/CFT 理論

AdS/CFT 理論因為其特有的深邃性，已經成為理論物理學界的一個新潮流，類似於 70 年前的量子力學大革命。

但一開始，物理學家並不理解 AdS/CFT 理論，因為這個理論的數學與物理層面都很難懂。

多年來一直研究 AdS/CFT 理論的北京師範大學物理系副教授張宏寶告訴《環球科學》，這與海森堡 1925 年建立量子力學時的情景非常相似：「 1925 年海森堡寫出了量子力學矩陣力學的文章，但當時的物理學家都看不懂。」隨後，玻恩與海森堡合作了「兩人文章」，玻恩、約當以及海森堡合作了「三人文章」，才完整勾勒出量子力學矩陣表達的物理與數學內涵。

在 AdS/CFT 理論中，古布澤正是詮釋該理論的關鍵人物之一。在馬爾達西納寫出 AdS/CFT 論文後，古布澤與導師 Kelebanov 一起參與了後續的詮釋工作。二人與普林斯頓另一位教授 Polyakov 聯合發表了一篇文章，詳細闡釋了 AdS/CFT 對應關係的含義。「場論通過計算關聯函數能預測一系列觀測量。古布澤等人通過分析 AdS 時空邊界條件，給出了邊界理論關聯函數的計算方法，這在理論上相當於給出了邊界理論的全部信息。」古布澤的學生，普林斯頓大學博士生季子銘告訴《環球科學》。

隨後，威騰也寫了另一篇詮釋 AdS/CFT 理論的文章。「這兩篇文章對馬爾達西納的理論給出了完美詮釋，有了這些文章，大家都看懂了馬爾達西納的 AdS/CFT 文章。」張宏寶說。

1998年，史蒂文·古布澤作為第一作者的文章解讀了馬德西納的AdS/CFT理論

作為 AdS/CFTT 量子引力大革命的前鋒人物，古布澤在博士期間已經成為量子引力領域的傑出新秀，其論文影響力已經很高。

未完成的工作

此後，古布澤繼續發展了 AdS/CFT 理論，並且將這個理論做了一些簡化。利用圖論與數論的結果，2016 年，古布澤與合作者提出了p-adic AdS/CFT 理論。

當圖中每個頂點延伸出的邊的個數固定時，這張圖被稱作正則圖。在圖論中，可以對每個頂點定義一個曲率，對於正則圖來說，每個頂點的曲率都是一個負的常數，所以這構成了一個負常數曲率幾何，可以類比負常數曲率的 AdS 時空。

「這個正則樹的邊界形成了一種拓撲很特殊的數域，即 p-adic 數域。古布澤和合作者在這個幾何上給出了一個類似於 AdS/CFT 的例子，即考慮樹圖上的格點標量理論和邊界上的 p-adic 標量場理論之間的對應關係。這不僅拓展了 AdS/CFT 的應用範圍，還有希望結合之前的一系列 p-adic 物理研究，從不同的角度理解現在的物理理論和現象。」季子銘解釋道。

目前，p-adic 數域在物理領域還鮮有應用。P-adic 數域對實數域的物理有沒有幫助？二者有著怎樣的聯繫？這是古布澤近年來希望解決的問題。也許有一天，我們可以替他找到答案。

詩人徐志摩在詩歌里經常寫到「雲遊」與「吻火」，最後飛機失事，在空難中離世，其人生成為一代傳奇故事。

古布澤與徐志摩一樣，其一生的大部分時間都在研究量子引力，也很喜歡爬山與攀岩等挑戰性活動，最後他在攀岩事故中安全繩斷裂因為引力作用墜落地面，傳奇人生戛然而止。古布澤其運命讓人唏噓感嘆，但他在量子引力研究的道路上留下的故事不會被忘記，天空不曾留下痕迹，但他已飛過。

本文轉載自公眾號「環球科學」

（ID:huanqiukexue）

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