愛德華·威頓

愛德華·威頓(Edward Witten)是美國著名物理學家，菲爾茲獎得主，普林斯頓高等研究院查爾斯·希莫尼（Charles Simonyi）教授。威頓是超弦理論最明智與最坦率的倡導者之一，他創立的M理論結合了所有超弦理論（共五種）和十一維的超引力理論，被認為是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論。在轉向超弦理論之前，他對粒子物理學和量子場論特別是量子色動力學以及更高維理論做出過許多重要貢獻。 威頓作為第二次弦革命的主將，被美國《生活》周刊評為第二次世界大戰後第六位最有影響的人物。現在的物理學家中威頓的H指數最高，被普遍認為是當代最有影響的物理學家。

基本介紹

• 中文名：愛德華·威頓
• 外文名：Edward Witten
• 國籍：美國
• 民族：猶太人
• 出生地：馬里蘭州巴爾的摩
• 出生日期：1951年8月26日
• 職業：理論物理學家、數學家
• 畢業院校：布蘭代斯大學 普林斯頓大學
• 主要成就：提出M理論
• 代表作品：《超弦理論》
• 居住地：新澤西州普林斯頓
• 榮譽：美國國家科學院院士等
• 獎項： IMU菲爾茲獎、基礎物理學獎等
• 研究領域：理論物理 數學物理
• 導師：戴維˙格羅斯（David Gross）

成長履歷

威頓(Witten)於1951年8月26日出生於美國馬里蘭州巴爾的摩，中學畢業後進入約翰·霍普金斯大學學習，後轉學布蘭代斯大學，並於1971年獲得學士學位。他在大學裡主修的是歷史，並對語言學、經濟學有著濃厚的興趣，他原打算成為政治家或者新聞記者。為此，他曾在1972年民主黨候選人喬治·麥克格文(George Mcgovern)的總統競選團隊工作過一段時間。但威頓後來擔心，如果投身政界或者新聞界，容易迷失自我。

格羅斯，霍金，威頓，斯特羅明格，丘成桐

1973年起，他進入普林斯頓大學研究生院學習套用數學，一年後轉入物理系，主修粒子物理學，並分別於1974年和1976年獲得碩士和博士學位，他的導師是2004年諾貝爾物理學獎獲得者戴維·格羅斯教授，他的博士論文是針對深度非彈性光子—光子散射展開的。在獲得博士學位後，威頓前往哈佛大學從事博士後研究。1980年9月，威頓被聘為普林斯頓大學物理學教授。1987年起任普林斯頓高等研究院教授，1997年起任查爾斯·希莫尼（Charles Simonyi）教授。

Princeton University, Ph.D. 1976;

Harvard University, Junior Fellow, Harvard Society of Fellows, 1977–80;

Princeton University, Professor 1980–87;

Institute for Advanced Study, Member 1984, Professor 1987–97,

Charles Simonyi Professor 1997–;

MacArthur Fellowship 1982

　　

科學成就

威頓是一位享譽世界的物理學家。在他年僅29歲時，由於在量子場論方面表現出了超人的想像力和理解力，被普林斯頓大學物理系聘為教授。此後，他的研究重點集中在弦理論，並逐漸成為這一領域的領袖科學家。

弦理論（string theory），即弦論，是理論物理學上的一門學說，它預示了引力場與量子場的“大統一”前景。弦論的一個基本觀點就是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的粒子。這些看起來像粒子的東西實際上都是很小很小的弦的閉合圈（稱為閉合弦或閉弦），閉弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子。儘管弦論中的弦尺度非常小,但操控它們性質的基本原理預言,存在著幾種尺度較大的薄膜狀物體,後者被簡稱為"膜".直觀的說,我們所處的宇宙空間也許就是九維空間中的三維膜.弦論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論。它還預言了“原子是不穩定的”、“質子會發生衰變”等尚未得到實驗證實卻又振奮人心的信號。

超弦

1984—1985年，弦理論發生第一次革命，其核心是發現“反常自由”的統一理論；1994-1995年，弦理論又發生既外向又內在的第二次革命，弦理論演變成M理論。威頓所創立的M理論結合了所有超弦理論（共五種）和十一維的超引力理論。

威頓對弦論的貢獻可以簡述為以下幾點：

（1）物理學家發現，在“弦”觀念下對粒子運動的描述式十分複雜，討論起來非常困難，為此，威頓提出了對偶概念來處理模型，從而使問題變得更為簡單，為以後系列成果的獲得找到了一個合適的方法。

（2）威頓與西貝格（N.Seiberg）合作，提出了”超對稱“的概念，以進一步描述微觀粒子“夸克”的特徵，從而得到更多、更重要的成果，同時開創了一個新學科、新方向，顯示出最終完成”大統一“的新希望。在超對稱思想的影響下，形成了一門四維數學，即量子幾何。

（3）在超對稱思想下，有五種可能的宇宙，威頓證明了它們是等價的。他還運用超弦理論證明了莫爾斯不等式、正能量定理。

儘管M理論已取得累累碩果，由於實驗條件的限制，不可能用實驗手段對其進行檢驗。至今無法獲得實驗證明的原因主要有兩個：其一是尚沒有人對弦理論有足夠的了解而做出正確的預測；另一個則是已有的高速粒子加速器還不夠強大。科學家們使用已有的和正在籌備中的新一代的高速粒子加速器試圖尋找超弦理論里主要的超對稱性學說所預測的超粒子。種種跡象表明，M理論最深層的奧秘尚待揭示，什麼是M理論的真面貌，仍然是一個懸而未決的問題。為了充分了解它，威頓認為需要發明新的數學工具。

威頓在普林斯頓高等研究院個人主頁上的照片

作為一名物理學家，威頓有著非凡的數學能力，他不僅精通物理學和數學，而且將這兩門學科緊密地結合在了一起。他專長量子場論，弦理論和相關的拓撲和幾何。他的主要貢獻包括廣義相對論的正能定理證明，超對稱和莫爾斯理論，拓撲量子場論，超弦緊化，鏡像對稱，超對稱規範場論，和對M理論存在性的猜想。 他提倡的方法和途徑，在科學界產生了巨大的影響。因此，他在物理學界和數學界都享有極其崇高的榮譽。由於在理論物理學的指引下解決了一些數學難題，特別是他對“超弦理論”所作出的傑出貢獻，威頓於1990年在東京舉行的國際數學家大會上獲得了菲爾茲獎。威頓也是迄今為止唯一獲得菲爾茲獎的物理學家，他的工作集中於理論物理、數學物理領域，是當今少有的能在數學和物理兩大學科上都做出第一流成果的科學家。

　　

獎項

愛因斯坦獎，1985年（Einstein Medal 1985)

狄拉克獎，1985年（International Centre for Theoretical Physics，Dirac Prize and Medal 1985）

Alan T. Waterman Award，1986年（National Science Foundation, Alan T. Waterman Award 1986）

菲爾茲獎，1990年（Fields Medal 1990）

Dannie Heineman獎，1998年（American Institute of Physics and American Physical Society, Dannie Heineman Prize for Mathematical Physics 1998）

美國國家科學獎章，2003年（National Medal of Science 2003）

亨利·龐加萊獎，2006年（Henri Poincaré Prize 2006）

克拉福德數學獎，2008年（Crafoord Prize in Mathematics 2008）

洛倫茲獎，2010年（Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences, Lorentz Medal 2010）

伊薩克·牛頓獎章，2010年（Institute of Physics, Isaac Newton Medal 2010）

基礎物理學獎，2013年（The Milner Foundation,Fundamental Prize 2013 )

主要榮譽

美國科學與藝術院院士，1984年當選

美國國家科學院院士，1988年當選

英國皇家學會外籍會員，1998年當選

法國科學院外籍院士，2000年當選

　　

工作評價

弦理論問世已經有近40年歷史，其間受到過一些人的諷刺和質疑，但也受到過熱烈的讚揚和吹捧。因提出電弱統一理論而共享1979年諾貝爾物理學獎的溫伯格( Steven Weinberg)、薩拉姆（Abdus Salam)和格拉肖(Sheldon Glashow)三位物理學家就對弦理論有著不同的態度。

薩拉姆在晚年把注意力轉向超弦理論，雖然他個人並不相信這樣一個包羅萬象的理論，他認為“無論如何，我們不應該在一個理論可檢驗的範圍之外相信它。在可預見的將來我們無法直接檢驗超弦理論，只有間接檢驗是可能的。超弦理論之所以令人激動是因為它本身的內在的優點，至少我們發現了一個點粒子場論的真正替代品，正是這個點粒子的概念使我們過去的量子引力理論遇到難以克服的困難。這使我們有希望建立一個量子的引力理論——這是第一次，這是一個勝利，不管我們是否得到一個包羅萬象的最終理論。這個引力理論還統一了夸克，統一了規範粒子，這是個額外的優惠，不過即使沒有這種統一，我也會認為超弦是個重大的發展。”

溫伯格正在從事超弦理論的研究工作，是該理論熱情而雄辯的支持者，溫伯格認為“一個人只能幹他自己能幹的事——那是物理學的第一原則。你做力所能及的事才能做出成績來。我認為弦理論是個很好的構想，繼續在這方面做工作是很有意義的。我並不支持每個人都去搞弦理論，但超弦理論正在讓研究生們領略到很強的數學鍛鍊的“風味”。讓他們去學習所有這些數學是很有好處的。超弦理論到底是不是個好理論要取決於由它可以推出的結論。弦理論是很漂亮的，很有前途的，它在不清楚如何由它推導出與引力有關的信息的情況下，就得到了一些事情的定性上的成果。但是，數學上的困難肯定是可怕的，並可能像過去那樣時時出現。在將來的幾年中，要把這項工作做好，肯定是其樂無窮的。 ”

從科學和哲學上講，格拉肖則是一位徹底的超弦理論反對者，他說自己“正在等待著超弦的斷裂”。他曾經在一次演講中說物理學家們似乎分立成兩大陣營：鍊金術士和中世紀神學家。他說，“我對那些研究弦理論的朋友們感到特別惱火，因為他們不能對客觀物理世界作任何說明。他們當中有些人對其理論的優美性、唯一性，以及正確性都深信不疑。那么既然理論是唯一併且正確的，它理所當然地包含了對整個物理世界的描寫。在他們看來，無須用任何實驗去證實這樣一個不證自明的真理，由此他們開始抨擊實驗的價值。”格拉肖希望實驗工作者們成為建立一個世界大統一理論的勝者，這樣“觀察世界從而了解世界的這一老傳統將繼續保留下來，同時，我們絕不可能只用純粹理論本身來成功地解決基本粒子物理中的問題。”“經常有一些弦理論朋友在我耳邊鼓吹說弦理論將在未來半個世紀中統治物理，其中愛德華·威頓就這么說過。我想把這話糾正一下，把它變成：弦理論就像克萊因—卡魯扎理論那樣來統治未來50年的物理，也就是說，它根本不能統治物理。

1965年諾貝爾物理學獎獲得者費曼（Richard Feynman）被很多人認為是20世紀誕生於美國的最偉大物理學家，他曾以他的幽默自傳《別鬧了，費曼先生》贏得了廣泛的普通讀者。作為20世紀物理學的元老之一，他對超弦理論的懷疑態度尤其中肯。費曼的態度鮮明，“我不喜歡他們不作任何計算。不喜歡他們不檢驗它們的思想，不喜歡任何與實驗不符得東西，他們拼湊了一個藉口——說“好，它可能還是正確的。”

加拿大圓周理論物理研究所的創始人斯莫林則認為弦論作為一個科學理論，它失敗了。因為它吸引了大量的資源，招攬了最優秀的頭腦，嚴重傷害了在其他路線上追求的年輕物理學家。所以它也拖累了其他物理學的前進步伐。

愛因斯坦晚年致力於統一電磁理論和引力理論，但從未取得真正令人滿意的成功，但他建立統一理論的思想卻始終吸引著成千上萬的物理學家。M理論在一定程度上可以說實現了統一場論的初衷，儘管它至今沒有獲得任何強有力的實驗證據的支持。近年來，有利於M理論的證據與日俱增，已取得令人振奮的進展。此外，M理論（弦理論）對數學的發展起到了極大的推動作用，這一理論開創了黎曼曲面、無窮維李代數、量子幾何等數學領域，這也正是威頓能夠獲得數學界最高榮譽菲爾茲獎的原因。 不管最後的結果怎樣，威頓對物理學的貢獻都將是物理學史上濃墨重彩的一筆。

　　

人物評價

威頓具有深刻的物理直覺和高超的數學能力，受同行的廣泛讚賞。

英國著名數學家、菲爾茲獎獲得者麥可·阿蒂亞曾說：

“雖然他肯定是物理學家，不過他對數學的掌握很少數學家能比得上……他一次又一次地以其光輝的物理洞察能力，導致一個又一個新的更為深刻的數學定理，使數學界為之驚異……他對現代數學影響巨大……憑著他物理再次成為數學的豐富靈感和直覺源頭。”

英國物理學會的現任主席Jocelyn Bell Burnell教授在2010年牛頓獎章頒獎典禮上說：“威頓教授的獨創性、物理直覺和數學才能革新了物理學科，他是一名極具創造力且多產的理論物理學家，他在量子場論、廣義相對論、超弦理論等領域的工作對其他物理學家產生了巨大的影響。”

英國牛津大學的Rouse Ball數學講席終身榮譽教授羅傑·彭羅斯在其著作《通向實在之路》中對愛德華·威頓的特殊地位給出了評價：

“通常人們認為他是上個世紀80年代以來引領弦論（和M理論）的最權威的人物。我已經說過他在1995年發動“第二次超弦革命”中的作用，而且自那以後，他通過開啟弦論以及與弦論有關（不總是十分明顯）的其他領域的幾次重大進展從而確立了領袖地位。弦論在其30年的歷史中曾出現過好幾位“導遊”，而不論從哪方面，威頓始終是最傑出的一位。他走到哪裡，哪裡就會起一片歡騰。”

經典語錄

“我相信21世紀是生物學的黃金時代，但我同樣相信，21世紀也是物理學的黃金時代。”

“弦理論是21世紀的物理偶然落在了20世紀。”

“弦論已經有了許多有趣的數學副產品，這是因為有很多數學發現近年來重新由物理學家做出……它們是弦論中產生的各種數學結構的套用。

自述

“我的科學興趣幾經變易；從一個10來歲的娃娃直至21歲獻身物理學，我考慮過許多學科，其中包括大學時念的歷史、語言學以及經濟學。我覺得，或許只有物理學和數學的挑戰性才能激發我的熱情，充分發揮我的天賦。”

“我時常想，要是我生長在別的環境中，情況又會如何？無論怎樣，我有幸得到了學習數學和科學的極好機會，從中收穫了豐碩的果實；其間縱然也經歷過一些曲折，但同另外許多年輕人相比，我無疑是極其幸運的。此番幸運應歸功於美國靈活務實的教育制度——它使我直至21歲時仍然可能選擇做一名科學家。就此而論，雖然一些國家能夠提供優越的數學、科學教育，可是相對僵硬的體制多半會使如我這樣到21歲才決定獻身物理者失去選擇的可能。當然，如果我生長於那些國家的話，也許一開始就會被納入數學或物理學專業，而毋須像在美國這般周折。不過，缺乏主動的選擇，未必是一件好事。”

“事實上，我的選擇並非心血來潮，而是隨著對弦理論不斷深入的理解逐漸堅定信心的。當施瓦茲（John Schwarz）和格林（Michael Green）復活了弦理論，並獲得巨大成功以後，我的目標也更加明確——統一粒子相互作用的弦理論。這是一次雄心勃勃而又充滿希望的探索之旅。”

“大約20年前，我所崇敬的一位資深物理學家告訴我：功成名就且年事已高的科學家要保持科學活力，關鍵在於能夠毫不矜持地研究別人提出的問題。如今我也50歲了，也到了需要心平氣和地聽取別人意見的時候了。”