在普林斯顿大学物理系的二楼，我们仍然可以看到爱因斯坦曾经用过的书桌静静地待在那里。在桌子的前面是一面从地板延伸到天花板的覆盖着方程式的黑板。这张桌子似乎蕴含着这位头发卷曲的天才的精神，并仿佛在问现在的系主任：“你解决问题了吗？”
爱因斯坦一直梦想着用一个统一的、连贯的框架来解释自然世界，但他从未实现找到这样一个统一理论的目标。在过去的一个世纪里，物理学家建立了一个被称为标准模型的框架来描述四种已知相互作用力中的三种。但是第四种力——引力，却一直无法被统一在一起。
○ 详见：《物理学家的夙愿是什么？》。
为了实现爱因斯坦的目标，物理学家在过去的几十年中付出了巨大的努力。如今，他们以一种与爱因斯坦的想法相去甚远的方法，朝着这一方向迈出了重要的一步。
这个20多年前建立并仍在完善的框架，揭示了爱因斯坦引力理论与物理学其他领域之间惊人的联系。这为研究人员提供了新的思路，来解决那些非常困难的大问题。
其关键的一点就在于，引力——让篮球落回到地面，并支配了黑洞成长的基本力——在数学上与构成我们周围所有物质的亚原子粒子的古怪行为有关。
J.F. Podevin
这一发现使得科学家们能够利用物理学的一个分支来理解物理学中其他看似没有联系的领域。到目前为止，这一概念已经被应用到很多领域，比如黑洞的温度为什么会上升，以及蝴蝶扇动翅膀如何在地球的另一边引发风暴等等。
引力和亚原子粒子之间的这种相关性令物理学家非常兴奋。当我们询问一个关于引力的问题时，会得到一个以亚原子粒子的语言给出的解释。反之亦然。
上世纪90年代，物理学教授Igor Klebanov在这个领域迸发出了最初的灵感，他说：“这被证明是一个极其丰富的领域，它位于许多物理学领域的交汇处。“
从很小的弦开始
回到上世纪70年代，当研究人员在探索被称为夸克的微小亚原子粒子时，这种对应关系的种子便开始萌芽。这些夸克构成了质子，质子又构成了原子核。当时，物理学家发现，无论多么努力地让两个质子撞击在一起，也无法释放其中的夸克——夸克被限制在质子内部。
后来物理学家发现，原来夸克是被其他粒子“粘在一起”。这些充当粘合剂的粒子被称为胶子。有一段时间，研究人员认为，胶子可以组合成弦，将夸克连接起来。专注于研究夸克禁闭的物理学教授Alexander Polyakov瞥见了粒子理论和弦理论之间的联系。
与此同时，基本粒子实际上是微小的、振动的弦的观点开始流行起来。到上个世纪80年代中期，“弦理论”激发了许多顶尖物理学家的想象力。这个想法很简单：就好比小提琴的琴弦若以不同方式振动，可奏出不同音高一般，基本粒子也是通过弦的不同振动状态而形成的。物理学家无法抵抗弦理论的数学之美，他们热情高涨，认为弦理论不仅可以解释粒子，还可以解释宇宙本身。
1996年，Polyakov的同事Klebanov和研究生Steven Gubser以及博士后研究助理Amanda Peet一起，利用弦理论对胶子进行计算，然后将他们的发现与用来理解黑洞的弦理论方法进行比较。他们惊奇地发现，这两种方法得到了非常相似的答案。一年后，Klebanov研究了黑洞的吸收率，并发现这一次两种方法的结论完全一致。
这项工作仅限于胶子和黑洞的例子。1997年，Juan Maldacena将这些想法延伸到一种更普遍的关系中。他发现了一种特殊形式的引力与描述粒子的理论之间的对应关系。由Gubser、Klebanov和Polyakov组成的普林斯顿研究小组看到了Maldacena猜想的重要性，他们随后发表了一篇相关论文，更精确地阐述了这个观点。
另一位立即被这个想法吸引的物理学家是Edward Witten。他写了一篇论文，进一步阐述了这一观点。1997年末至1998年初的这三篇论文一起为弦理论打开了无限的可能性。
Witten是弦理论领域的领军人物，他说：“这是一种全新的联系，20年过去了，我们还没有完全解决这个问题。”
J.F. Podevin
同一枚硬币的两面
这种关系意味着引力和亚原子粒子的相互作用就像一枚硬币的两面。一面是广义相对论（爱因斯坦在1915年提出的引力理论）的扩展版本。另一面是粗略描述亚原子粒子行为及其相互作用的理论。后一种理论包括“标准模型”中的各种粒子和力（关于标准模型的讨论详见《已知最精确的科学理论》）。
在标准模型中，量子行为被考虑在内。当我们进入粒子层面，我们的世界就是一个量子世界。值得注意的是，标准模型并不包含引力。而量子行为是其他三种力的基础。那么为什么引力是独立在外的呢？
新的框架将引力纳入讨论。它不完全是我们所知道的引力，而是稍微扭曲的、包含一个额外维度的引力。我们所知道的宇宙有四个维度，其中三个维度精确定位空间中的物体——比如爱因斯坦书桌的高度、宽度、深度——加上时间这第四个维度。
这个引力描述增加了第五个维度，使时空弯曲成一个宇宙，这个宇宙包括熟悉的四维平直空间根据它们在第五维度的位置重新调整后的拷贝。这个奇怪的弯曲时空被称为反德西特空间（AdS，anti-de Sitter space），以爱因斯坦的合作者、荷兰天文学家威廉·德西特（Willem de Sitter）的名字命名。
上世纪90年代末的突破是，对反德西特空间的边缘或边界的数学计算，可以应用于涉及亚原子粒子量子行为的问题，这些问题由一种被称为共形场论（CFT）的数学关系描述。
这种关系提供了在四维时空中的粒子理论与在五维中的弦理论之间的联系（正是Polyakov之前就已经注意到的联系）。大多数研究人员将引力和粒子之间的这种关系称之为AdS/CFT对应关系。
J.F. Podevin
解决大问题
事实证明，这种对应关系有非常广泛的实际用途。
以黑洞为例，物理学家霍金发现，黑洞的温度之所以上升，是因为每个落入黑洞的粒子都有一个相互纠缠的、可以作为热量逃逸的粒子。他的发现震惊了物理学界。利用AdS/CFT，当时在加州大学圣巴巴拉分校工作的Tadashi Takayanagi和Ryu Shinsei发现了一种用几何学研究纠缠的新方法，以一种相当了不起的方式扩展了霍金的洞见。
在另一个例子中，研究人员正使用AdS/CFT来弄清楚混沌理论。混沌理论说的是，一个随机的、无关紧要的事件（比如蝴蝶扇动翅膀），可能会导致大规模系统的巨大变化（比如一场遥远的飓风）。计算混沌是很困难的，但是黑洞——可能是最混乱的量子系统之一——可以提供帮助。斯坦福大学的Stephen Shenker和Douglas Stanford，以及Maldacena通过AdS/CFT证明黑洞如何能够模拟量子混沌。（详见：《黑洞深处的混沌》）
Maldacena希望AdS/CFT对应能够回答的一个悬而未决的问题是，无限致密的奇点栖居的黑洞内部是什么样子的。Maldacena表示，到目前为止，这种关系为我们提供了一幅从外部看到的黑洞图像。而我们希望了解黑洞内部的奇点，理解这一点可能会给宇宙大爆炸带来有趣的见解。
引力和弦之间的关系也为夸克禁闭提供了新的解释。但这些只是如何使用这种关系的几个例子。
这种关系甚至可能解开引力的量子本质。Witten说：“这是我们从量子角度理解引力的最佳线索之一。由于我们不知道还缺少什么，我无法告诉你，这最终会是多大的一幅图景。“
然而，AdS/CFT对应虽然强大，却依赖于一个简化的时空，与真实的宇宙并不完全相同。研究人员正在努力寻找方法，使这一理论更广泛地适用于日常生活，包括Gubser关于模拟重离子碰撞的研究，以及高温超导体的研究。
要做的事情还有，发展一个基于基本物理学原理的对应关系的证明。普林斯顿大学物理系主任、弦理论专家、与爱因斯坦的书桌共用办公空间的Herman Verlinde表示，没有证据，爱因斯坦不太可能感到满意。
Verlinde说：“有时我想象他还坐在那里，我不知道他会怎么看我们取得的进展。”
撰文：Catherine Zandonella
原文标题为“Beyond Einstein: Physicists find surprising connections in the cosmos”，首发于2018年12月17日的普林斯顿大学官网。原文链接：https://www.princeton.edu/news/2018/12/17/beyond-einstein-physicists-find-surprising-connections-cosmos。略有删减修改，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。
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