近日，CERN Courier專訪了數學實體大師愛德華·威騰。威騰談到了“自然性（naturalness）”的問題，似乎這不再是未來指導實體學的原則。他還提到了可能發現新實體的線索，在實驗和理論兩方面，仍有許多可能。50年來，粒子實體學和宇宙學發生了天翻地覆的變化，最令他感興趣的又是哪些理論？與大師對話，不容錯過。
采訪人 | 馬修·查默斯（Matthew Chalmers）
受訪人 | 愛德華·威騰（Edward Witten）
翻譯 | 劉航
引領者愛德華·威騰 普林斯頓高等研究院查爾斯·西蒙尼教授丨圖檔來源：B Lacombe/Breakthrough Prize
愛德華·威騰（Edward Witten），被視為當代最偉大的實體學家之一，在理論實體和數學實體前沿領域耕耘近50年。在這次訪談中，他談到了大型強子對撞機（LHC）及其他最新研究成果是如何影響他對自然的看法，并探讨“自然性（naturalness）”[1]是否仍然是這個領域的指導法則。
譯者注：實體學中，自然性是指實體理論具有這樣的性質：自由參數和實體常數間的比值應該在一階水準，且自由參數是不需要精細調節的。從這個意義上說，令人滿意的理論應該是“自然的”。這是一個标準，源于實體學家對标準模型的探索，涉及等級問題、精細調節和人擇原理等更廣泛的主題。而且，它确實傾向于表明目前理論（例如标準模型）可能存在弱點，其中一些參數變化會多許多數量級，并且需要對相關模型的目前值進行廣泛的“精細調節”。在粒子實體學史上，自然性原理三度給出了正确的預測——在電子自能、π介子品質差和K介子品質差的情況下。
标準模型（Standard Model，SM）的希格斯玻色子的發現，如何影響了你對自然的看法?
标準模型的希格斯玻色子的發現是可重整場理論的偉大勝利，特别是從簡單性（simplicity）來說。大型強子對撞機開始運轉時，不包含基本希格斯場的标準模型——例如品質産生的動力學機制——已經變得過于複雜。事實證明，就我們目前所了解的情況來看，關于基本希格斯粒子的最初想法是正确的。這也意味着“自然”選取了包含所有可能的重整化場的理論——自旋0,1/2和1的場以及其所允許的靈活性。（譯者注：最小标準模型是已知的最簡單的希格斯機制模型，隻包含一個希格斯場,希格斯粒子二重态或三重态的模型也是可能的。）
另一個關鍵事實是，希格斯粒子是獨自出現的，沒有任何機制可以解釋弱互相作用的能量标度為何如此之小，而引力、大統一和宇宙膨脹的假定能量标度則要大得多。從我們這一代的粒子實體學家的角度來看（我想說，可能不僅是我們這一代），這是一個相當大的沖擊。當然，20多年前我們也經曆過類似的沖擊，當時我們發現宇宙正在加速膨脹——最簡單的解釋就是一個非常小且是正數的宇宙常數，真空的能量密度。至少在這兩種情況下，似乎伴随我們長大的“自然性”的想法似乎令人失望的想法失敗了。
你覺得解決“fine-tuning（精細調節）”問題的新方法“relaxion”[2]和“Nnaturalness”[3]怎麼樣？
譯者注：“relaxion”弛豫子的方法是使弱互相作用場以動态方式獲得，這個場演變并最終停止在某個平衡點。“Nnaturalness”的主要方法是引入 N 個标準模型的副本，每個副本具有不同的希格斯粒子的品質參數值。
對于暗能量和等級問題，很難找到一個正常的順理成章的解釋。雖然不情願，但我認為我們必須認真考慮人擇原理。根據這個理論，我們生活在一個充滿可能性的宇宙中，這些可能性在空間的不同區域實作，或以量子力學波函數的不同部分實作，我們必然地生活在我們可以生活的地方。我不知道這種解釋是否正确，但它提供了衡量其他方案的标準。20年前，宇宙的人擇原理令我不安，部分原因可能是因為它給了解實體學帶來困難。這些年來，我經驗更多了。我想，我是不情願地接受了這個事實：宇宙不是為了我們友善了解它而創造的。
目前，實體學家應該優先考慮哪些實驗方向呢?
深入探索宇宙加速膨脹以及電弱能标如此之小這兩個孿生之謎是極其重要的，這可以檢驗我們對事實的解釋是否正确，并且是否有可能發現新層次的結構。在宇宙加速膨脹的情況下，我們要盡可能精确地測量參數w（壓力和能量的比值）。如果宇宙膨脹的加速度隻由一個簡單的宇宙常數控制，那麼w等于-1，但在大多數替代模型中，它将大于-1。在粒子實體方面，我們希望盡可能精準地探索深層結構，既可以通過間接的方式，比如對希格斯玻色子的精确地研究，也希望能夠進一步提高對撞機的能量進而進行直接探測。
超出大型強子對撞機的能量，可能潛伏着什麼？
如果最終可以進入更高的能量尺度，我可以想象幾種可能的結果。
很明顯，“自然性”的傳統觀念并不是故事的全部，我們手上有一個“裸”希格斯粒子，沒有解釋其品質的機制。或者，我們可能會發現“自然性”的這種明顯的失敗其實是一種錯覺，額外粒子和力可以解釋電弱能标，而現在沒看到，是因為它們剛好超出了我們目前的實驗範圍。還有一種中間可能性，我覺得很有趣。那就是電弱能标在習慣意義上不是自然的，不過額外的粒子和力，可以幫助我們了解在能量超過 LHC 能量不太多的情況下發生了什麼。這種類型的一個引人入勝的理論是Nima Arkani-Hamed 等人提出的“分裂超對稱（split supersymmetry）”。
然而這裡有一個明顯的陷阱。我們很容易就能說“在能量不超過LHC能量太多的時候會發生這樣那樣的情況”。但在實際實驗中，能量是3倍LHC能量，6倍LHC能量，25倍LHC能量，或是更多，而這将有天壤之别。在分裂超對稱等理論中，我們現有的線索還不足以給出一個真正的答案。我們非常期望從實驗中可以得到一條具體線索，即超出希格斯粒子以外的新實體學的能量尺度。
味反常有可能提供一些線索麼？
新線索可能來自多個方面。在歐洲核子研究中心（CERN）的重味 b 實體實驗（譯者注：與重味bottom底誇克相關的實體實驗）中，已觀察到的反常如果成立的話，則意義重大。尋找電子或中子的電偶極矩也非常重要，它可能給出一個新實體的信号，而且是在我們目前已經觀測到的能标下。另一種可能性是， μ 子的磁矩與标準模型預測之間的輕微差異的原因。我覺得不斷提高格點規範理論對 μ 子磁矩的計算結果的精确度非常重要，尤其是強子部分的貢獻 ，以檢驗現在已有的非常精确的測量是否真的與标準模型的結果不一緻。當然，還有許多其他方面。比如，在下一個新的實驗能标處，标準模型可能需要修正，從希格斯粒子的精确研究到搜尋标準模型中不存在的 μ 子反常衰變模式等。這些都可能提供新的線索。
六維的Calabi-Yau 流形。Calabi-Yau流形對于超弦理論很重要。在最正常的超弦模型中，弦論中有十個猜想中的次元，除了我們所知的4個時空次元，再加上某種纖維化，纖維的次元為6。威滕等人發現，Calabi-Yau流形的緊緻化很重要，因為它們保持一些原有的超對稱性不被破壞。丨圖檔來源：A J Hanson
目前理論方面的進展，哪個最令你感到興奮？
關于引力和量子力學的新想法，一般稱為“it from qubit（萬物源自量子比特）”（編者注：參見《文小剛談實體新革命：萬物起源于量子資訊 | 衆妙之門》），确實令人興奮。黑洞熱力學，是在20世紀70年代通過雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）、史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）等人的工作發現的。這些結果很吸引人，但在我看來，幾十年來——無論對錯——這一領域的發展與理論實體學的其他領域相比是緩慢的。然而在過去十年左右的時間裡，其領域發展迅速。在很大程度上，這種變化來自于将“熵”視為微觀或細粒度的馮·諾伊曼熵，而不是貝肯斯坦等人所考慮的熱力學熵。細粒度熵的公式使得新的表述和更一般的表述成為可能。當熱力學有效時，這些表述可以退化為傳統的表述。這些發展源自引力和規範理論之間的全息二進制性的洞見。
與你剛進入這一領域時相比，現在該領域有何不同?
如果說該領域發生了翻天覆地的變化一點也不誇張。1973 年 9 月，我開始在普林斯頓讀研究所學生。在那之前幾個月，大衛·格羅斯（David Gross）、弗蘭克·威爾切克（Frank Wilzcek）和大衛·波利策（David Politzer）剛剛發現了非阿貝爾規範理論的漸近自由。這是使我們今天所知的标準模型成為可能所需的最後一個關鍵要素。從那時起，我們對标準模型實驗的了解發生了一場革命。那時，幾個關鍵的成分——誇克、輕子和希格斯粒子還是未知的。強子化過程中的噴注也僅僅是一個想法，更不用說實驗實作了；對電弱理論中的CP 破壞和量子色動力學中的标度破壞還一無所知，我這裡僅提及了後期發展較快的兩個領域。
我們現在不僅對标準模型實驗的知識比 1973 年豐富得多，理論了解上更是如此。今天對量子場論的了解比 1973 年要好得多，确實沒有可比性。
我們對宇宙學的了解或許也發生了同樣驚人的變化。1973 年，關于宇宙學知識，可以用幾個數字很好地概括——主要是宇宙微波溫度和哈勃常數。而在這些數字中，那時隻有第一個數字以合理的精度被測量出來了。随後，宇宙學逐漸成為了一門精确的科學，也是一門更加雄心勃勃的科學，因為宇宙學家已經學會了如何處理宇宙結構形成的複雜過程。在微波背景的不均勻性中，我們可以觀察到結構形成的種子。與1973年了解的宇宙學架構相比，從1980年開始發展起來的宇宙膨脹理論，可以算是真正的進步，盡管它确實還不完整。
最後我想說，50年前，粒子實體學和引力之間的鴻溝似乎是不可逾越的。今天仍然有很大的距離。但弦理論中給出了一種研究引力與粒子力統一的架構，這改變了這一局面。這個架構已經被證明是非常強大的，即使不是為了解釋引力，而隻是為了尋找量子場論的新了解。我們今天還不清楚如何統一這些力，如何得到我們在現實世界中看到的粒子和互相作用。但我們确實對它是如何工作的有一個大緻的概念，這與我們在1973年的情況相比是一個很大的變化。對弦理論架構的探索導緻了一系列非凡的發現。這口井還沒有枯竭，這也是我對未來感到樂觀的原因之一。
在你對粒子和數學實體學做出的衆多貢獻中，哪一項最讓你感到自豪？
我最滿意的是，1994 年我與内森·塞伯格（Nathan Seiberg）在量子場論中的電磁對偶性方面所做的工作（譯者注：N=2超對稱楊米爾斯理論中單極子的凝聚和限制[4]），以及我在接下來一年年建構弦論的相關性的工作（譯者注：不同次元的弦論動力學 [5]）。
誰知道呢，說不定我以後有幸再做一些同樣重要的事情。
參考資料
[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
本文譯自Witten eflects，CERN Courier，原文位址：
https://cerncourier.com/a/witten-reflects/
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