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1700934477 所以,如果我们不能用极高能量的普朗克尺度粒子的碰撞来制造出黑洞,也许我们可以用它们放大后的版本——胶子球、介子或核子做碰撞——产生一个放大版的黑洞。但是等一下,这样就不需要大量的能量了吗?是的,它不需要,为了理解原因,我们需要回忆一下在第16章中20世纪的大小和质量间反直觉的关系:小的是重的,大的是轻的。核物理发生的尺度要比基本弦理论的尺度大很多,这意味着,集中在一个大得多的体积内,相应现象所需要的能量要少很多。当我们代入数字并进行计算后,在RHIC的普通的核碰撞中,一些非常类似于慢速的放大的黑洞的东西应该形成。
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1700934479 为了了解RHIC是如何制造黑洞的,我们必须回到全息原理和胡安·马尔达西纳的发现。马尔达西纳以一种前人没有预见过的方式,发现两种不同的数学理论实质上是相同的——用弦论的行话讲就是“互相对偶”。存在一种带有引力子和黑洞的弦理论,不过是在(4+1)维的反德西特空间(AdS)中。(在第22章中,为了方便想象,我降低了维数。在这章中,我恢复那个去掉的维度。)
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1700934481 四维空间对于核物理来说,它太大也太烦了,但是记住全息原理:发生在AdS空间中的所有事情都可以用少一维的空间的数学理论完备描述的。因为马尔达西纳是从四维空间开始的,所以全息的对偶理论只有三维,这是我们每天生活的空间的维数。这个全息描述,真是类似于任何一个我们用来描述传统物理学的理论吗?
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1700934483 这个答案是肯定的:全息对偶在数学上与关于夸克、胶子、强子和原子核的量子色动力学(QCD)非常相似。
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1700934485 AdS中的量子引力↔QCD
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1700934487 对我来说,主要兴趣在于马尔达西纳是如何证明全息原理,以及如何把量子引力的工作方式表述清楚的。但是马尔达西纳和威顿看到了另一次机会。他们意识到全息原理是一条双通道的路,我必须说这是一个非常聪明的看法。为什么我们不反过来去看呢?即用我们所知道的引力的知识——在这种情况下,是AdS中(4+1)维的引力——告诉我们关于普通量子场论的东西呢。对我而言,这可是一个完全没有想到的脑筋急转弯,一个全息原理带来的额外的从未想过的奖赏。
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1700934489 要完成这些,还需要一点点工作。QCD与马尔达西纳的理论并不是完全相同,但是主要的差异可以通过对AdS的一种简单修正来消除。回顾AdS,让我们从一个非常接近边界的位置来看(最后一个可见的魔鬼的地方)。我把那个边界叫做UV-胚[220]。UV的意思为紫外,这个术语也用来形容短波长的光。(这些年来紫外这个词,开始代表那些在小尺度上的任何现象。在这里,这个词讲的是埃舍尔画中边界附近渐渐缩小成无穷小的天使和魔鬼。)UV-胚这个词中,胚这个字确实是用词不当,但是因为它已经那么叫了,所以我也就用它了。UV-胚是一个接近于边界的面。
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1700934491 想象一下离开UV-胚进入内部,在那里魔鬼以平方的速率无限地变大,时钟也以平方的速率无限地变慢。当我们走向AdS深处的时侯,UV-胚附近那些既小又快的物体,变得又大又慢。但是AdS并不是描写QCD的正确的理论。虽然区别并不是很大,但是修正的空间需要它自己的名字;我们称其为Q-空间。就像AdS一样,Q-空间也有一个UV-胚,那里物体变小变快了,但是不像AdS,它有第二边界,被称为IR-胚(IR的意思是红外,一个用来描述长波长光的词)。这个IR-胚是第二个边界——一块难以渗透的屏栏,在那里天使和魔鬼达到最大。如果UV-胚是一块带有无限深裂缝的天花板,那么Q-空间是一个普通的有天花板有地面的房间。如果忽略时间维度,仅仅画二维的空间维度,那么AdS和Q-空间看起来就是:
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1700934496 设想把一根弦状的粒子放入Q-空间,一开始放在UV-胚的附近。就好像有许多天使和魔鬼围绕着它,它将看起来十分的小——很可能是普朗克尺度的——而且极快速的振动。但是,如果同样的粒子移向IR-胚,它似乎会变大一些,就像被投影到一个后退的屏幕上。现在观察弦的振动。振动可以定义某种时钟,而且就像所有的钟一样,当它接近UV-胚的时候它高速振荡,当它移向IR-胚的时候速度就渐渐慢下来。一根IR边界附近的弦,不仅看起来是一根收缩的UV弦被放大的巨型版本,而且它会慢很多。这个区别听起来像真实的苍蝇,与它们的电影图像的区别一样——或者是基本弦和它们的核对应物的区别一样。
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1700934498 如果弦论中极其微小的普朗克尺度粒子“生活”在UV-胚附近而它们的放大版本——强子——生活在IR-胚附近,那么它们之间相隔多远呢?从某种意义上来说,并不是那么远;你只需要往下穿过大约66个魔鬼方块就能从普朗克尺度的物体到达强子。但是,记住每一步都是要比前面的大2倍。倍增66次等于膨胀了1020倍。
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1700934500 对于基本弦和核物理之间的相似性有两种观点。一种相对保守的观点是认为它们是偶然的,或多或少就像原子和太阳系一样。这种相似性在原子物理的早期是有用的。尼尔斯·玻尔,在他的原子理论中用了牛顿用在太阳系的同样的数学。但是玻尔和其他任何人,都没有真正认为太阳系就是原子的放大版本。根据这种相对保守的观点,量子引力和核物理之间的联系只是一个数学上的类比,但是这个重要的类比,使得我们可以应用引力的数学,来解释某些核物理的特性。
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1700934502 让人更为兴奋的观点是,核弦跟基本弦实际上是同一样东西,只不过是通过透镜的扭曲使得它们的图像延伸速度减慢。根据这种观点,当一个粒子(或者弦)被放置在UV-胚附近时,它看起来很小,能量很高而且运动很快;所以它必定是一根基本弦。例如,一根在UV-胚上的闭弦会是一个引力子。但是同样的弦,如果它移动到了IR-胚附近,尺寸变大,速度变慢。从任何方面看,它看起来表现得都像一个胶子球。在这种观点中,引力子和胶子球是完全相同的东西,只是它们在胚上的位置不同。
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1700934504 设想一对引力子(在UV-胚附近的弦)要相互碰撞。
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1700934509 如果它们有足够的能量,当它们在UV-胚附近相撞时,一个普通的小型黑洞会形成:一个团能量会留在UV-胚上。这可以想象成一滴流体悬挂在天花板上面。组成它的视界的信息是普朗克尺度的。
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1700934514 这当然是一个我们可能永远无法做的实验。
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1700934516 但是现在把引力子换成是两个原子核(在IR-胚附近的)并使它们相互撞击。
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1700934521 IR-胚附近即将相撞的两个原子核
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1700934523 这时对偶性显示其威力。一方面,我们可以用四维版本来看,在那里两个物体碰撞并形成一个黑洞。这时黑洞在IR-胚附近,就像地板上的一个巨大的水坑。这需要多少能量呢?要比在UV-胚附近形成黑洞少得多。实际上,对于RHIC来说这个能量很容易达到。
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