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“职业”的全息学家

来源:环球科学

全息学家用一种弦理论的对应关系将黑洞和诸如金属与超导体之类的凝聚态系统联系了起来。 (图片来源:美国物理学会/Carin Cain)

基于理论预测,弦论中“弦性”(stringiness) 出现所需要的能级远远超出了我们的实验能力,这也成为了众多嘲笑和反对该理论的原因之一。然而,研究人员发现,弦理论中一些特定的数学解可以被应用到解决多体物理学中较低能量的问题。这种所谓的全息对应关系为我们提供了对超导体、流体动力学和混沌学的见解。这一成功促使了一个新的研究领域出现,全息学家在其中可以利用黑洞模型来揭示我们周围物质的新关系。

全息理论是连接“弦”和强相互作用系统的桥梁。弦理论家已经跨过这座桥梁,进入了许多不同的领域。但有一些全息学家正沿着这座桥朝着不同的方向走。他们从凝聚态的角度出发,以弦理论为工具来构造量子多体系统的模型。这种方法成为了马德里理论物理研究所(IFT in Madrid)近期举行的“全息会议”(Holomatter Conference)的焦点。受新冠疫情的影响,许多场所被迫关闭,这场会议的时长也被缩短了。会议召集了弦理论家和凝聚态物理的研究人员来讨论他们研究的具体问题在哪里能够相互融合。据IFT的马特奥·巴焦利(Matteo Baggioli)介绍,此次会议的目标之一是引起人们关注研究领域介于弦理论和凝聚态物质之间的全息学家们。

全息理论的历史起始于1997年胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)在arXiv上发表的一篇论文。胡安教授现在在新泽西州高级研究所(the Institute of Advanced Studies in New Jersey)工作。该论文在一个被称作“反德西特空间”(Anti-de Sitter Space, 简称AdS)的空的宇宙中的弦理论模型和一个被命名为“共形场论”(Conformal Field Theory,简称CFT)的装满粒子的世界中的量子理论之间建立了联系。这个联系基于这样一种对应关系:CFT的世界是AdS宇宙的低维投影,或者说是全息图。虽然很抽象,但是反德西特/共形场论对偶(简称AdS/CFT对偶)却具有现实意义,因为它可以解决AdS中的诸多问题(在这里存在引力和黑洞,但无需担心粒子),并将答案应用到使量子多体问题活跃起来的混乱相互作用中。

AdS/CFT对偶的第一个成功之处是在核物理方面,特别是2001年对夸克-胶子等离子粘度的预测中。此后不久,几个小组开始将AdS/CFT应用于凝聚态物质。全息学家发现在正确的临界条件下,黑洞周围的区域可以被影射到强关联的量子系统中。例如,在表面上带有激发作用(或者说是“毛”)的黑洞可能会经历一个类似于超导性开端的相变。最近,一些全息学家在寻找这种对偶关系与混沌和流体动力学的其他联系。加州斯坦福大学的肖恩·哈特诺尔(Sean Hartnoll)表示:“和任何一个富于创新的领域一样,全息理论在它存在的20多年里从来没有固步自封。”

全息理论的奏效看起来或许是一件很让人不可思议的事情。例如,为什么和黑洞相关的物理学可以帮我们理解金属的相变或者流体中湍流的增长呢?哈特诺尔解释说,全息理论是一种获取复杂微观世界的粗粒图像(或有效场论)的方法。类似的方法还有流体动力学,它忽略了液体中分子的个别运动,而用速度场来描述它们的集体行为。在全息理论中,引力方程(特别是爱因斯坦方程)提供了一种对物质的“类流体”描述,同时忽略了许多微观细节。

来自法国高等理工学院的布莱斯·古特罗(Blaise Gouteraux)说,全息理论并不是在凝聚态中获得有效场论的唯一途径,但在某些情况下,它是唯一一个允许科学家们计算的方法。他表示:“较最初的凝聚态方程而言,爱因斯坦方程要容易解得多。”通过解决AdS/CFT对偶在引力层面的问题,全息论学者可能会幸运地发现一些意想不到的东西,比如一种新的关系或者对称性。古特罗说,下一步是拿出“全息词典”,将这一发现翻译成凝聚态物质的语言。最近一个与此过程相关的例子是耗散(dissipation)。全息论学家表明,黑洞以一定的速率耗散能量,这似乎与所谓奇异金属的耗散相吻合。他们现在正试图研究是否存在一种有可能为高温超导提供新的见解的普遍耗散形式。

但是,“全息词典”的编纂工作还在进行中,仍有许多翻译工作有待完成。“长在低处的果子已经被摘了。”来自荷兰莱顿大学的杨·扎南(Jan Zaanen)这样说道。他表示,现在要研究全息理论,就必须对凝聚态物理有更多的了解。古特罗也持这样的看法,他说:“凝聚态物质非常丰富,原子和电子的相互作用给它们带来了很多令人难以理解的效应。”全息理论不能被应用在凝聚物的每个特定情况。古特罗说,“需要将特定于系统的效果与更通用的效果区分开来。”

为了确定更加普遍的问题,全息论学家在凝聚物的领域花了越来越多的时间。来自剑桥麻省理工学院的刘宏说,“与过去几代从事弦理论或者全息理论的人相比,新一代全息学家对凝聚物的了解往往要多得多。”另一方面,新一代人在弦论方面的专业知识也越来越少,巴焦利说。他指出,“原始的AdS/CFT模型基于一个非常特别的弦理论设置,”“但是现在在我的圈子中,我们所使用的模型比量子引力的弦更接近于经典引力。”

扎南认为全息理论正处于过渡时期。他说,“全息论学者与最初的弦理论家大不相同。”在他看来,纯弦理论的理论家已经将研究重点转向了诸如量子信息之类的其他的问题,把全息理论留给了更专注于凝聚态物质的研究人员。然而,哈特诺尔持不同的看法。他将全息理论比喻成了一幢建筑,在这个建筑里有许多相互连接的房间。有一段时间,很多人都挤在了与凝聚态相对应的房间里,现在他们已经搬到其他房间去了。“但毕竟这是同一栋楼,”哈特诺尔说。

撰文:Michael Schirber,法国里昂Physics杂志的通讯编辑。

翻译:钱政融

审校:贺旎妮

引进来源:美国物理学会

引进链接:https://physics.aps.org/articles/v13/57

 

 

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