他是最接近終極理論的人，被稱為當今愛因斯坦

撰文 |《環球科學》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場，只能通過網絡觀看報告和參與討論。參會研究者的專業可謂是五花八門：量子引力、粒子物理、凝聚態物理、量子信息等等，基本涵蓋了整個現代物理學。

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一到廣義相對論中，建立一個“統一場論”，但基本上徒勞無功。后來的物理學家提出了數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。他的發現把弦論和物理學家已經研究得相當透徹的量子場論聯系起來，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“你可以在瓶子中創造一個宇宙”。

1998年初，馬爾達西那在Advances in Theoretical and Mathematical Physics上發表了有關該研究的論文The Large N Limit of Superconformal Field Theories and Supergravity，接下來短短的幾個月，物理學界就涌現出了上百篇相關的論文，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

馬爾達西那關于應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注，于是在1997年，博士畢業僅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已經超過了15 000次。這20年來，幾乎每兩天，就會有人發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于Ads/CFT對偶的）。馬爾達西那本人也成了弦論領域的代表人物，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實際上就是這種德西特空間的二維類比。（不過，目前的觀測結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）的時空結構。