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爱德华·威腾:何处潜藏新物理?

近日,CERN Courier专访了数学物理大师爱德华·威腾。威腾谈到了“自然性(Naturaless)”的问题,似乎这不再是未来指导物理学的原则。他还提到了可能发现新物理的线索,在实验和理论两方面,仍有许多可能。50年来,粒子物理学和宇宙学发生了天翻地覆的变化,最令他感兴趣的又是哪些理论?与大师对话,不容错过。

 

采访人 | 马修·查默斯(Matthew Chalmers)

受访人 | 爱德华·威腾(Edward Witten)

翻译 | 刘航

引领者爱德华·威腾 普林斯顿高等研究院查尔斯·西蒙尼教授丨图片来源:B Lacombe/Breakthrough Prize

 

爱德华·威腾(Edward Witten),被视为当代最伟大的物理学家之一,在理论物理和数学物理前沿领域耕耘近50年。在这次访谈中,他谈到了大型强子对撞机(LHC)及其他最新研究成果是如何影响他对自然的看法,并探讨“自然性(naturalness)”[1]是否仍然是这个领域的指导法则。

译者注:物理学中,自然性是指物理理论具有这样的性质:自由参数和物理常数间的比值应该在一阶水平,且自由参数是不需要精细调节的。从这个意义上说,令人满意的理论应该是“自然的”。这是一个标准,源于物理学家对标准模型的探索,涉及等级问题、精细调节和人择原理等更广泛的主题。而且,它确实倾向于表明当前理论(例如标准模型)可能存在弱点,其中一些参数变化会多许多数量级,并且需要对相关模型的当前值进行广泛的“精细调节”。在粒子物理学史上,自然性原理三度给出了正确的预测——在电子自能、π介子质量差和K介子质量差的情况下。

 

标准模型(Standard Model,SM)的希格斯玻色子的发现,如何影响了你对自然的看法?

 

标准模型的希格斯玻色子的发现是可重整场理论的伟大胜利,特别是从简单性(simplicity)来说。大型强子对撞机开始运转时,不包含基本希格斯场的标准模型——例如质量产生的动力学机制——已经变得过于复杂。事实证明,就我们目前所了解的情况来看,关于基本希格斯粒子的最初想法是正确的。这也意味着“自然”选取了包含所有可能的重整化场的理论——自旋0,1/2和1的场以及其所允许的灵活性。(译者注:最小标准模型是已知的最简单的希格斯机制模型,只包含一个希格斯场,希格斯粒子二重态或三重态的模型也是可能的。)

 

另一个关键事实是,希格斯粒子是独自出现的,没有任何机制可以解释弱相互作用的能量标度为何如此之小,而引力、大统一和宇宙膨胀的假定能量标度则要大得多。从我们这一代的粒子物理学家的角度来看(我想说,可能不仅是我们这一代),这是一个相当大的冲击。当然,20多年前我们也经历过类似的冲击,当时我们发现宇宙正在加速膨胀——最简单的解释就是一个非常小且是正数的宇宙常数,真空的能量密度。至少在这两种情况下,似乎伴随我们长大的“自然性”的想法似乎令人失望的想法失败了。

 

你觉得解决“fine-tuning(精细调节)”问题的新方法“relaxion”[2]和“Nnaturalness”[3]怎么样?

译者注:“relaxion”弛豫子的方法是使弱相互作用场以动态方式获得,这个场演变并最终停止在某个平衡点。“Nnaturalness”的主要方法是引入 N 个标准模型的副本,每个副本具有不同的希格斯粒子的质量参数值。

 

对于暗能量和等级问题,很难找到一个常规的顺理成章的解释。虽然不情愿,但我认为我们必须认真考虑人择原理。根据这个理论,我们生活在一个充满可能性的宇宙中,这些可能性在空间的不同区域实现,或以量子力学波函数的不同部分实现,我们必然地生活在我们可以生活的地方。我不知道这种解释是否正确,但它提供了衡量其他方案的标准。20年前,宇宙的人择原理令我不安,部分原因可能是因为它给理解物理学带来困难。这些年来,我经验更多了。我想,我是不情愿地接受了这个事实:宇宙不是为了我们方便理解它而创造的。

 

目前,物理学家应该优先考虑哪些实验方向呢?

 

深入探索宇宙加速膨胀以及电弱能标如此之小这两个孪生之谜是极其重要的,这可以检验我们对事实的解释是否正确,并且是否有可能发现新层次的结构。在宇宙加速膨胀的情况下,我们要尽可能精确地测量参数w(压力和能量的比值)。如果宇宙膨胀的加速度只由一个简单的宇宙常数控制,那么w等于-1,但在大多数替代模型中,它将大于-1。在粒子物理方面,我们希望尽可能精准地探索深层结构,既可以通过间接的方式,比如对希格斯玻色子的精确地研究,也希望能够进一步提高对撞机的能量从而进行直接探测。

 

超出大型强子对撞机的能量,可能潜伏着什么?

 

如果最终可以进入更高的能量尺度,我可以想象几种可能的结果。

 

很明显,“自然性”的传统观念并不是故事的全部,我们手上有一个“裸”希格斯粒子,没有解释其质量的机制。或者,我们可能会发现“自然性”的这种明显的失败其实是一种错觉,额外粒子和力可以解释电弱能标,而现在没看到,是因为它们刚好超出了我们目前的实验范围。还有一种中间可能性,我觉得很有趣。那就是电弱能标在习惯意义上不是自然的,不过额外的粒子和力,可以帮助我们理解在能量超过 LHC 能量不太多的情况下发生了什么。这种类型的一个引人入胜的理论是Nima Arkani-Hamed 等人提出的“分裂超对称(split supersymmetry)”。

 

然而这里有一个明显的陷阱。我们很容易就能说“在能量不超过LHC能量太多的时候会发生这样那样的情况”。但在实际实验中,能量是3倍LHC能量,6倍LHC能量,25倍LHC能量,或是更多,而这将有天壤之别。在分裂超对称等理论中,我们现有的线索还不足以给出一个真正的答案。我们非常期望从实验中可以得到一条具体线索,即超出希格斯粒子以外的新物理学的能量尺度。

 

味反常有可能提供一些线索么?

 

新线索可能来自多个方面。在欧洲核子研究中心(CERN)的重味 b 物理实验(译者注:与重味bottom底夸克相关的物理实验)中,已观察到的反常如果成立的话,则意义重大。寻找电子或中子的电偶极矩也非常重要,它可能给出一个新物理的信号,而且是在我们目前已经观测到的能标下。另一种可能性是, μ 子的磁矩与标准模型预测之间的轻微差异的原因。我觉得不断提高格点规范理论对 μ 子磁矩的计算结果的精确度非常重要,尤其是强子部分的贡献 ,以检验现在已有的非常精确的测量是否真的与标准模型的结果不一致。当然,还有许多其他方面。比如,在下一个新的实验能标处,标准模型可能需要修正,从希格斯粒子的精确研究到搜索标准模型中不存在的 μ 子反常衰变模式等。这些都可能提供新的线索。

六维的Calabi-Yau 流形。Calabi-Yau流形对于超弦理论很重要。在最常规的超弦模型中,弦论中有十个猜想中的维度,除了我们所知的4个时空维度,再加上某种纤维化,纤维的维度为6。威滕等人发现,Calabi-Yau流形的紧致化很重要,因为它们保持一些原有的超对称性不被破坏。丨图片来源:A J Hanson

 

当前理论方面的进展,哪个最令你感到兴奋?

 

关于引力和量子力学的新想法,一般称为“it from qubit(万物源自量子比特)”(编者注:参见《文小刚谈物理新革命:万物起源于量子信息 | 众妙之门》),确实令人兴奋。黑洞热力学,是在20世纪70年代通过雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)、史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)等人的工作发现的。这些结果很吸引人,但在我看来,几十年来——无论对错——这一领域的发展与理论物理学的其他领域相比是缓慢的。然而在过去十年左右的时间里,其领域发展迅速。在很大程度上,这种变化来自于将“熵”视为微观或细粒度的冯·诺伊曼熵,而不是贝肯斯坦等人所考虑的热力学熵。细粒度熵的公式使得新的表述和更一般的表述成为可能。当热力学有效时,这些表述可以退化为传统的表述。这些发展源自引力和规范理论之间的全息二元性的洞见。

 

与你刚进入这一领域时相比,现在该领域有何不同?

 

如果说该领域发生了翻天覆地的变化一点也不夸张。1973 年 9 月,我开始在普林斯顿读研究生。在那之前几个月,大卫·格罗斯(David Gross)、弗兰克·威尔切克(Frank Wilzcek)和大卫·波利策(David Politzer)刚刚发现了非阿贝尔规范理论的渐近自由。这是使我们今天所知的标准模型成为可能所需的最后一个关键要素。从那时起,我们对标准模型实验的理解发生了一场革命。那时,几个关键的成分——夸克、轻子和希格斯粒子还是未知的。强子化过程中的喷注也仅仅是一个想法,更不用说实验实现了;对电弱理论中的CP 破坏和量子色动力学中的标度破坏还一无所知,我这里仅提及了后期发展较快的两个领域。

 

我们现在不仅对标准模型实验的知识比 1973 年丰富得多,理论理解上更是如此。今天对量子场论的理解比 1973 年要好得多,确实没有可比性。

 

我们对宇宙学的理解或许也发生了同样惊人的变化。1973 年,关于宇宙学知识,可以用几个数字很好地概括——主要是宇宙微波温度和哈勃常数。而在这些数字中,那时只有第一个数字以合理的精度被测量出来了。随后,宇宙学逐渐成为了一门精确的科学,也是一门更加雄心勃勃的科学,因为宇宙学家已经学会了如何处理宇宙结构形成的复杂过程。在微波背景的不均匀性中,我们可以观察到结构形成的种子。与1973年理解的宇宙学框架相比,从1980年开始发展起来的宇宙膨胀理论,可以算是真正的进步,尽管它确实还不完整。

 

最后我想说,50年前,粒子物理学和引力之间的鸿沟似乎是不可逾越的。今天仍然有很大的距离。但弦理论中给出了一种研究引力与粒子力统一的框架,这改变了这一局面。这个框架已经被证明是非常强大的,即使不是为了解释引力,而只是为了寻找量子场论的新理解。我们今天还不清楚如何统一这些力,如何得到我们在现实世界中看到的粒子和相互作用。但我们确实对它是如何工作的有一个大致的概念,这与我们在1973年的情况相比是一个很大的变化。对弦理论框架的探索导致了一系列非凡的发现。这口井还没有枯竭,这也是我对未来感到乐观的原因之一。

 

在你对粒子和数学物理学做出的众多贡献中,哪一项最让你感到自豪?

 

我最满意的是,1994 年我与内森·塞伯格(Nathan Seiberg)在量子场论中的电磁对偶性方面所做的工作(译者注:N=2超对称杨米尔斯理论中单极子的凝聚和约束[4]),以及我在接下来一年年构建弦论的相关性的工作(译者注:不同维度的弦论动力学 [5])。

 

谁知道呢,说不定我以后有幸再做一些同样重要的事情。

 

参考资料

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Naturalness_(physics)

[2] https://arxiv.org/pdf/1610.02025.pdf

[3] https://arxiv.org/pdf/1607.06821.pdf

[4] https://arxiv.org/abs/hep-th/9407087

[5] https://arxiv.org/abs/hep-th/9503124

 

本文译自Witten eflects,CERN Courier,原文地址:https://cerncourier.com/a/witten-reflects/

 



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