Nhà Vật lý của Vật lý Suy ngẫm về Bản chất của Hiện thực năm 2025
Giữa những nhà lý thuyết tài năng được cô lập tại khuôn viên yên tĩnh của Viện Nghiên cứu Nâng cao ở Princeton, New Jersey, Edward Witten nổi bật như một loại linh mục cao cấp. Là người duy nhất từng đoạt Fields Medal, giải thưởng hàng đầu của toán học, Witten cũng nổi tiếng với việc khám phá ra M-theory, ứng cử viên hàng đầu cho một “lý thuyết vật lý tổng thể” thống nhất. Với trí tuệ thiên tài, Witten cao lớn và hình chữ nhật, với đôi mắt mơ hồ và bức phác về việc chỉ có một phần tư của ông đang được kết nối với hiện thực cho đến khi có ai đó đưa ông trở lại từ những suy nghĩ trừu tượng hơn.
Trong một chuyến thăm vào mùa thu này, tôi nhìn thấy Witten trên bãi cỏ trung tâm của Viện và yêu cầu một cuộc phỏng vấn; bằng giọng nhanh, alto của mình, ông nói ông không thể hứa sẽ có thể trả lời được câu hỏi của tôi nhưng sẽ thử. Sau đó, khi tôi đi qua ông trên những con đường đá, ông thường dường như không nhìn thấy tôi.
Các nhà vật lý từ thời Albert Einstein, người sống hết đời mình tại nơi trú ẩn tư duy giống nhau, đã tìm kiếm sự thống nhất giữa trọng lực và các lực khác của tự nhiên bằng cách tìm ra một lý thuyết lượng tử cơ bản hơn để thay thế hình ảnh xấp xỉ của Einstein về trọng lực như là các đường cong trong hình học của không gian-thời gian. M-theory, mà Witten đề xuất vào năm 1995, có thể cung cấp mô tả sâu sắc hơn này, nhưng chỉ có một số khía cạnh của lý thuyết được biết đến. M-theory tích hợp trong một cấu trúc toán học duy nhất tất cả năm phiên bản của lý thuyết dây, biến các yếu tố của tự nhiên thành những dây nhỏ rung lên. Năm lý thuyết dây này kết nối với nhau thông qua các “đối ngẫu,” hoặc sự tương đương toán học. Trong 30 năm qua, Witten và những người khác đã biết rằng các lý thuyết dây cũng là đối ngẫu toán học với lý thuyết lượng tử trường—mô tả về các hạt di chuyển qua các lĩnh vực điện từ và các lĩnh vực khác mà là ngôn ngữ của “Mô hình Tiêu chuẩn” của vật lý hạt nhân. Mặc dù ông được biết đến như một nhà lý thuyết dây, Witten đã khám phá nhiều lý thuyết lượng tử mới và khám phá cách mà tất cả những mô tả khác nhau này liên quan đến nhau. Cái nhìn vật lý của ông đã dẫn đến những khám phá toán học sâu sắc lần nữa.
Các nhà nghiên cứu nghiền ngẫm trên công việc của ông và hy vọng ông sẽ quan tâm đến công việc của họ. Nhưng mặc dù có tác động lớn trong nghiên cứu, Witten, 66 tuổi, không thường xuyên công bố quan điểm của mình về những hệ quả của những khám phá lý thuyết hiện đại. Ngay cả đồng nghiệp thân thiết của ông cũng đề xuất một số câu hỏi họ muốn tôi hỏi ông.
Khi tôi đến văn phòng của ông vào giờ hẹn vào một ngày thứ Năm mùa hè tháng trước, Witten không ở đó. Cửa ông đang mở. Giấy phủ lên bàn cà phê và bàn làm việc của ông—không phải là đống, mà là lũ: văn bản hướng theo mọi hướng, một số trang gần như tràn ra sàn nhà. (Nhưng ông sau này giải thích, các bài nghiên cứu bị mất trong cơn bão khi ông hoàn thành với chúng, và đôi khi ông vứt đi chúng.) Hai cô gái mỉm cười từ một bức ảnh được đặt trên kệ; tranh của trẻ em trang trí trên tường, một bức kỷ niệm Ngày của Ông Bà. Khi Witten đến vài phút sau đó, chúng tôi nói chuyện trong một giờ và một nửa về ý nghĩa của sự đối ngẫu trong vật lý và toán học, triển vọng hiện tại của M-theory, những gì ông đang đọc, điều ông đang tìm kiếm và bản chất của hiện thực. Cuộc phỏng vấn đã được rút gọn và chỉnh sửa để rõ ràng.
Các nhà vật lý gần đây đang nói nhiều hơn về sự đối ngẫu, nhưng ông đã nghiên cứu về chúng từ hàng thập kỷ. Tại sao chủ đề này làm ông quan tâm?
Mọi người liên tục tìm ra những khía cạnh mới của sự đối ngẫu. Sự đối ngẫu thú vị vì chúng thường trả lời những câu hỏi mà nếu không có chúng thì không thể đạt được. Ví dụ, bạn có thể đã dành nhiều năm để suy nghĩ về một lý thuyết lượng tử và bạn hiểu những gì xảy ra khi tác động lượng tử nhỏ, nhưng sách giáo trình không nói cho bạn biết bạn phải làm gì nếu tác động lượng tử lớn; bạn thường gặp vấn đề nếu muốn biết điều đó. Thường xuyên sự đối ngẫu trả lời những câu hỏi như vậy. Chúng cung cấp cho bạn một mô tả khác, và những câu hỏi bạn có thể trả lời trong một mô tả là khác nhau so với những câu hỏi bạn có thể trả lời trong một mô tả khác nhau.
Có những khía cạnh mới của sự đối ngẫu là gì?
Nó là mở, vì có nhiều loại sự đối ngẫu khác nhau. Có sự đối ngẫu giữa một lý thuyết đồng đẳng [một lý thuyết, như một lý thuyết trường lượng tử, tôn trọng một số đối xứng nhất định] và một lý thuyết đồng đẳng khác, hoặc giữa một lý thuyết dây cho sự kết hợp yếu [mô tả những dây di chuyển gần như độc lập từ nhau] và một lý thuyết dây cho sự kết hợp mạnh. Sau đó là sự đối ngẫu AdS/CFT, giữa một lý thuyết đồng đẳng và mô tả về trọng lực. Sự đối ngẫu đó được phát hiện cách đây 20 năm, và nó đến mức độ đáng kinh ngạc nó vẫn còn mặt trái. Và đó chủ yếu là do khoảng 10 năm trước, những ý tưởng mới đã được giới thiệu làm tái sinh nó. Mọi người có cái nhìn mới về nhiệt động học trong lý thuyết trường lượng tử—toàn bộ câu chuyện về “nó từ qubit.”
Đó là ý tưởng rằng không gian-thời gian và mọi thứ trong đó nảy sinh như một hình ảnh ba chiều từ thông tin được lưu trữ trong trạng thái lượng tử liên kết của các hạt.
Đúng vậy. Sau đó, có những sự đối ngẫu trong toán học, mà đôi khi có thể được hiểu theo cách vật lý như hậu quả của sự đối ngẫu giữa hai lý thuyết trường lượng tử. Có nhiều cách mà những điều này liên kết với nhau đến mức bất kỳ tuyên bố đơn giản nào tôi cố gắng đưa ra ngay lập tức, ngay sau khi tôi nói, tôi nhận ra rằng nó không thể hiện đầy đủ thực tế. Bạn phải tưởng tượng một mạng lưới của các mối quan hệ khác nhau, nơi cùng một vật lý có những mô tả khác nhau, tiết lộ những đặc tính khác nhau. Trong trường hợp đơn giản nhất, chỉ có hai mô tả quan trọng, và điều đó có thể là đủ. Nếu bạn hỏi tôi về một ví dụ phức tạp hơn, có thể có nhiều, nhiều loại khác nhau.
Với mạng lưới các mối quan hệ này và vấn đề về khó khăn của việc đặc trưng tất cả các đối ngẫu, bạn có cảm thấy rằng điều này phản ánh sự thiếu hiểu biết về cấu trúc, hay là chúng ta đang thấy cấu trúc, chỉ là nó rất phức tạp?
Tôi không chắc chúng ta nên hy vọng điều gì. Theo truyền thống, lý thuyết trường lượng tử được xây dựng bằng cách bắt đầu với hình ảnh cổ điển [của một trường mịn] và sau đó làm lượng tử hóa nó. Bây giờ chúng ta đã học được rằng có rất nhiều điều xảy ra mà mô tả đó không thể làm công bằng. Và cùng một lý thuyết lượng tử có thể xuất phát từ các lý thuyết cổ điển khác nhau. Bây giờ, Nati Seiberg [một nhà lý thuyết vật lý làm việc cùng hành lang] có thể nói với bạn rằng ông tin rằng có một biểu thức lý thuyết trường lượng tử tốt hơn mà chúng ta không biết có thể làm cho mọi thứ trở nên rõ ràng. Tôi không chắc bạn nên mong đợi điều đó tồn tại đến mức độ nào. Đó sẽ là một giấc mơ, nhưng có thể là quá nhiều để hy vọng; tôi thật sự không biết.
Còn một sự thật kỳ lạ khác mà bạn có thể muốn xem xét, đó là lý thuyết trường lượng tử rất quan trọng đối với vật lý và thực sự cũng rất quan trọng đối với toán học. Nhưng nó lại rất khó cho các nhà toán học nghiên cứu; cách mà nhà vật lý định nghĩa nó là rất khó cho các nhà toán học theo dõi với một lý thuyết chặt chẽ. Điều đó thực sự là kỳ lạ, rằng thế giới dựa nhiều vào một cấu trúc toán học mà lại rất khó khăn.
Bạn nhìn nhận mối quan hệ giữa toán học và vật lý như thế nào?
Tôi thích không đưa ra một câu trả lời vũ trụ mà chỉ bình luận về nơi chúng ta đang ở. Vật lý trong lý thuyết trường lượng tử và lý thuyết dây có một cách nào đó nhiều bí mật toán học trong đó, mà chúng ta không biết cách trích xuất theo cách có hệ thống. Những người vật lý có thể đưa ra những điều làm ngạc nhiên các nhà toán học. Bởi vì khó mô tả theo cách toán học đã biết, những điều bạn học về lý thuyết trường lượng tử bạn phải học từ vật lý.
Tôi cảm thấy khó tin rằng có một biểu thức mới là phổ quát. Tôi nghĩ đó là quá nhiều để hy vọng. Tôi có thể chỉ ra các lý thuyết mà tiếp cận tiêu chuẩn thực sự dường như không đủ, vì vậy ít nhất đối với những lớp lý thuyết trường lượng tử đó, bạn có thể hy vọng có một biểu thức mới. Nhưng thực sự tôi không thể tưởng tượng nó sẽ là gì.
Bạn không thể tưởng tượng hoàn toàn à?
Không, tôi không thể. Theo truyền thống, người ta nghĩ rằng lý thuyết trường lượng tương tác không thể tồn tại trên bốn chiều, và có sự thú vị là đó là chiều chúng ta sống trong đó. Nhưng một trong những phát sinh từ những đối ngẫu dây của những năm 1990 là phát hiện ra rằng lý thuyết trường lượng tồn tại thực sự ở năm và sáu chiều. Và đáng kinh ngạc là có rất nhiều điều được biết đến về tính chất của chúng.
Tôi nghe nói về lý thuyết bí ẩn (2,0), một lý thuyết trường lượng mô tả hạt trong sáu chiều, nó kéo dài đến lý thuyết M mô tả dây và trọng lực trong không gian AdS bảy chiều. Liệu lý thuyết (2,0) này có đóng vai trò quan trọng trong mạng lưới đối ngẫu không?
Có, đó là điểm cao nhất. Liên quan đến lý thuyết trường lượng tự nhiên mà không có trọng lực, không có gì giống nó ở trên sáu chiều. Từ sự tồn tại và tính chất chính của lý thuyết (2,0), bạn có thể suy luận một lượng đáng kinh ngạc về những gì xảy ra ở chiều thấp hơn. Rất nhiều sự đối ngẫu quan trọng trong bốn chiều và ít hơn xuất phát từ lý thuyết sáu chiều này và những tính chất của nó. Tuy nhiên, trong khi những gì chúng ta biết về lý thuyết trường lượng thường là từ việc lượng tử hóa một lý thuyết trường cổ điển, không có điểm xuất phát cổ điển hợp lý nào của lý thuyết (2,0). Lý thuyết (2,0) có các tính chất [như sự kết hợp của đối xứng] mà khi bạn nghe về chúng lần đầu tiên, có vẻ không thể.
Đôi khi, đối ngẫu làm cho việc duy trì cảm giác về cái gì là thực tế trong thế giới trở nên khó khăn, vì có nhiều cách khác nhau và mô tả một hệ thống duy nhất. Làm thế nào bạn mô tả cái gì là thực tế hoặc cơ bản?
Mặt nào của thực tế bạn quan tâm? Điều gì nói lên việc chúng ta tồn tại? Hoặc là chúng ta làm thế nào để vừa với những mô tả toán học của chúng ta?
Phần sau.
Vâng, một điều tôi sẽ nói cho bạn là nói chung, khi bạn có những sự đối ngẫu, những điều dễ nhìn thấy trong một mô tả có thể khó nhìn thấy trong mô tả khác. Vì vậy, ví dụ, bạn và tôi là khá đơn giản để mô tả trong cách tiếp cận thông thường của vật lý được phát triển bởi Newton và những người kế nhiệm của ông. Nhưng nếu có một mô tả đối ngẫu hoàn toàn khác về thế giới thực, có lẽ một số vấn đề mà các nhà vật lý lo lắng có thể trở nên rõ ràng hơn, nhưng mô tả đối ngẫu có thể là một trong đó cuộc sống hàng ngày khó mô tả.
Bạn nghĩ gì về triển vọng của một ý tưởng lạc quan hơn nữa rằng có thể có một mô tả duy nhất về trọng lực lượng tử thực sự giúp bạn trong mọi trường hợp trong thế giới thực?
À, thật không may, ngay cả nếu đó là đúng tôi cũng không thể đảm bảo nó sẽ giúp ích. Một phần của việc làm cho nó khó giúp đỡ là mô tả chúng ta có bây giờ, ngay cả khi nó không hoàn chỉnh, thực sự giải thích rất nhiều. Vì vậy, đôi khi khó nói, thậm chí nếu bạn có một mô tả thực sự tốt hơn hoặc một mô tả hoàn chỉnh hơn, liệu nó có giúp ích trong thực tế hay không.
Bạn nói về M-theory phải không?
M-theory là ứng cử viên cho mô tả tốt hơn.
Bạn đề xuất M-theory 22 năm trước. Triển vọng của nó là gì ngày nay?
Cá nhân tôi, tôi nghĩ rằng nó rất rõ ràng nó tồn tại từ 22 năm trước, nhưng mức độ tự tin phải cao hơn nhiều ngày nay vì AdS/CFT đã mang lại cho chúng ta các định nghĩa chính xác, ít nhất là trong không gian thời gian AdS. Tôi nghĩ hiểu biết của chúng ta về nó, tuy nhiên, vẫn rất mơ hồ. AdS/CFT và những gì đến từ nó là quan điểm mới chính so với 22 năm trước, nhưng tôi nghĩ hoàn toàn có thể rằng AdS/CFT chỉ là một phía của một câu chuyện đa chiều. Có thể có những khía cạnh quan trọng khác.
Một ví dụ về điều khác chúng ta có thể cần?
Có thể là một mô tả chung về các tính chất lượng tử của không gian-thời gian chính mình, thay vì một mô tả biên hình học. Chưa có nhiều tiến triển trong thời gian dài để có một mô tả chung tốt hơn. Và tôi nghĩ đó có thể là do câu trả lời thuộc một loại khác biệt so với bất cứ điều gì chúng ta đã quen thuộc. Đó sẽ là đoán của tôi.
Bạn có sẵn lòng đầu cơ về cách nó sẽ khác biệt không?
Tôi thực sự nghi ngờ tôi có thể nói điều gì hữu ích. Tôi đoán rằng có một tầng lớp trừu tượng hơn so với những gì chúng ta đã quen thuộc. Tôi thường nghĩ rằng không có một mô tả lượng tử chính xác của không gian-thời gian—trừ trong những tình huống chúng ta biết rằng có, như trong không gian AdS. Tôi thường nghĩ, nếu không, mọi thứ sẽ ít nhiều mơ hồ hơn một mô tả lượng tử chính xác. Nhưng tôi không thể nói điều gì hữu ích.
Một đêm, tôi đang đọc một bài luận cũ của nhà vật lý Princeton thế kỷ 20 John Wheeler. Anh ấy là một nhà tầm nhìn, chắc chắn. Nếu bạn đọc những gì anh ấy nói một cách đen trắng, nó quá mơ hồ. Và do đó, nếu tôi đã đọc bài luận này khi nó được xuất bản 30 năm trước, điều này có thể đã xảy ra, tôi đã từ chối nó vì quá mơ hồ để bạn có thể làm việc với nó, ngay cả khi anh ấy đang đi đúng hướng.
Bạn đang đề cập đến Thông tin, Vật lý, Lượng tử, bài luận năm 1989 của Wheeler mô tả ý tưởng rằng vũ trụ vật lý nảy sinh từ thông tin, mà anh ấy gọi là "it from bit." Tại sao bạn đang đọc nó?
Tôi đang cố gắng tìm hiểu về những gì mọi người đang cố nói với cụm từ "it from qubit." Wheeler nói về "it from bit," nhưng bạn phải nhớ rằng bài luận này có lẽ được viết trước cụm từ "qubit" được đặt ra và chắc chắn trước khi nó trở nên phổ biến. Đọc nó, tôi thực sự nghĩ rằng anh ấy đang nói về qubits, không phải bits, vì vậy "it from qubit" thực sự chỉ là một bản dịch hiện đại.
Đừng mong tôi có thể nói cho bạn biết điều gì hữu ích về nó—về việc liệu ông ấy có đúng hay không. Khi tôi là một sinh viên năm đầu, họ đã tổ chức một loạt bài giảng của các giáo viên cho sinh viên mới về nghiên cứu lý thuyết, và một trong những người đã thuyết trình là Wheeler. Ông ta vẽ một bức tranh trên bảng đen về vũ trụ được hình dung như một đôi mắt nhìn vào chính nó. Tôi không hiểu ông ấy đang nói gì. Rõ ràng với tôi khi nhìn lại là anh ấy đang giải thích ý nghĩa của việc nói về cơ học lượng tử khi quan sát viên là một phần của hệ thống lượng tử. Tôi tưởng tượng có điều gì đó chúng ta không hiểu về điều đó.
Quan sát một hệ thống lượng tử làm thay đổi nó một cách không thể đảo ngược, tạo ra sự phân biệt giữa quá khứ và tương lai. Vì vậy, vấn đề về người quan sát có thể có liên quan đến vấn đề về thời gian, mà chúng ta cũng không hiểu. Với sự đối ngẫu AdS/CFT, chúng ta đã biết rằng các chiều không gian mới có thể xuất hiện như một hình ảnh ảo từ thông tin lượng tử ở biên. Ông nghĩ thời gian cũng là điều nảy sinh—nó nảy sinh từ mô tả đầy đủ không thời gian?
Tôi thường cho rằng không gian-thời gian và tất cả mọi thứ trong đó một cách nào đó là nảy sinh. Nhân tiện, bạn nhất định sẽ thấy đó là điều mà Wheeler mong đợi trong bài luận của mình. Như bạn sẽ đọc, ông ấy nghĩ rằng liên tục là sai trong cả vật lý và toán học. Ông ta không nghĩ rằng mô tả vi mô của không gian-thời gian nên sử dụng một liên tục nào cả—không phải là liên tục của không gian, cũng không phải là liên tục của thời gian, thậm chí còn không phải là liên tục của số thực. Về không gian và thời gian, tôi đồng cảm với điều đó. Về số thực, tôi phải thừa nhận sự không hiểu biết hoặc thờ ơ. Đó là điều tôi tự hỏi về, nhưng tôi đã cố tưởng tượng xem điều đó có thể có nghĩa là không sử dụng liên tục của số thực hay không, và người logic học mà tôi thử thảo luận cùng không giúp tôi.
Bạn coi Wheeler là một anh hùng không?
Tôi không chắc có thể gọi ông ta là một anh hùng, không nhất thiết vậy. Thực sự, tôi chỉ trở nên tò mò về ý ông ta định nghĩa gì bằng cụm từ “nó từ bit,” và ông ta đang nói gì. Ông ta nhất định có những ý tưởng tầm nhìn, nhưng chúng quá xa trước thời đại của chúng. Tôi nghĩ rằng tôi đã kiên nhẫn hơn trong việc đọc một bài luận mơ hồ nhưng truyền cảm hứng hơn so với 20 năm trước. Ông ta cũng có khoảng 100 tài liệu thú vị theo cách âm thanh trong bài luận đó. Nếu bạn quyết định đọc tất cả chúng, bạn sẽ phải dành nhiều tuần để làm điều đó. Tôi có thể quyết định xem một vài trong số chúng.
Tại sao bạn kiên nhẫn hơn với những điều như vậy bây giờ?
Tôi nghĩ khi còn trẻ, tôi luôn nghĩ rằng điều tiếp theo tôi làm có thể là điều tốt nhất trong cuộc đời tôi. Nhưng ở giai đoạn cuộc đời này, tôi ít thuyết phục hơn về điều đó. Nếu tôi lãng phí một chút thời gian đọc bài luận của ai đó, nó không có vẻ quá tồi tệ.
Liệu bạn có bao giờ đưa tâm trí ra khỏi vật lý và toán học không?
Sở thích yêu thích của tôi là tennis. Tôi là một vận động viên tennis trung bình nhưng rất nhiệt huyết.
Khác biệt so với Wheeler, có vẻ như phong cách làm việc của bạn là tìm ra những hiểu biết thông qua các phép toán, thay vì đuổi theo một tầm nhìn mơ hồ.
Trong sự nghiệp của tôi, tôi chỉ có thể thực hiện những bước nhảy nhỏ. Tương đối nhỏ. Điều mà Wheeler đang nói về là một bước nhảy khổng lồ. Và ông ta thậm chí còn nói ở đầu bài luận rằng ông ta không biết liệu điều này sẽ mất 10, 100 hay 1,000 năm.
Và ông ta đang nói về việc giải thích làm thế nào vật lý xuất hiện từ thông tin.
Vâng. Cách ông ấy diễn đạt rộng lớn hơn: Ông ấy muốn giải thích ý nghĩa của sự tồn tại. Đó thực sự là lý do tại sao tôi nghĩ bạn đang hỏi liệu tôi có muốn giải thích ý nghĩa của sự tồn tại hay không.
Tôi hiểu rồi. Ông ta có bất kỳ giả thuyết nào không?
Không. Ông ta chỉ nói về những điều bạn không nên làm và những điều bạn nên làm khi cố gắng đạt đến một mô tả cơ bản hơn về vật lý.
Bạn có ý kiến gì về ý nghĩa của sự tồn tại không?
Không. [Cười.]
Chỉnh sửa: Bài viết này đã được cập nhật vào ngày 29 tháng 11 năm 2017, để làm rõ rằng M-theory là ứng cử viên hàng đầu cho một lý thuyết thống nhất về mọi thứ. Có những ý kiến đề xuất khác cũng tuyên bố thống nhất các lực lượng cơ bản.
Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập về biên tập của Quanta Foundation, nhiệm vụ là nâng cao sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách báo cáo về các phát triển và xu hướng nghiên cứu trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.
0 Thích
