Edward Witten

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我实际上在政治上大多是完全不可知论者。

Edward Witten是一位美国数学和理论物理学家。他目前是高等研究院自然科学学院的Charles Simonyi教授。Witten是弦论、量子引力、超对称量子场论和其他数学物理领域的研究者。除了对物理学的贡献外,Witten的工作对纯数学产生了重大影响。1990年,他成为首位获得国际数学联盟Fields奖的物理学家,该奖项是因为他在1981年证明了广义相对论中的正能量定理。他被认为是M理论的实际创始人。

早年生活和教育

Witten出生于1951年8月26日,在美国马里兰州Baltimore,出身于一个犹太家庭。他是Lorraine née Wollach Witten和Louis Witten的儿子,其父亲是一名理论物理学家,专门从事引力和广义相对论研究。

Witten就读于Baltimore的Park School,1968年毕业,并于1971年从Brandeis University获得文学学士学位,主修历史,辅修语言学。

他曾有志于新闻和政治工作,在1960年代末在《The New Republic》和《The Nation》上发表过文章。1972年,他在George McGovern的总统竞选活动中工作了六个月。

Witten曾在University of Wisconsin–Madison作为经济学研究生学习了一个学期后退学。他后来重新进入学术界,1973年入读Princeton University应用数学系,随后转入物理学系,并于1976年获得物理学博士学位,博士论文题为"Some problems in the short distance analysis of gauge theories",导师为David Gross。他在Harvard University获得了1976–77年的研究员奖学金,1977–78年访问了Oxford University,1977–1980年担任Harvard Society of Fellows的初级研究员,并获得1982年MacArthur基金会奖学金。

研究工作

Fields奖工作

Witten于1990年被国际数学联盟授予Fields奖,成为首位获得该奖项的物理学家。

Michael Atiyah在写给ICM的讲话中评价Witten:

尽管他绝对是一位物理学家(从他的出版物列表可以清楚地看出),但他对数学的掌握程度很少有数学家能与之相比,他将物理思想转化为数学形式的能力是独一无二的。他一次又一次地用物理直觉的精妙应用让数学界惊叹,这些应用导致了新的深刻数学定理的产生……他对当代数学产生了深远的影响。在他的手中,物理学再次成为数学中灵感和洞见的丰富来源。

作为Witten纯数学工作的例子,Atiyah引用了他将量子场论中的技术应用于低维拓扑这一数学主题的工作。在1980年代后期,Witten创造了"拓扑量子场论"这一术语,用于描述某种类型的物理理论,其中可观测量的期望值编码了关于时空拓扑的信息。特别是,Witten意识到现在称为Chern–Simons理论的物理理论可以为理解结论和3-流形的数学理论提供框架。尽管Witten的工作基于数学上定义不清的Feynman路径积分概念,因此在数学上并不严格,但数学家能够系统地发展Witten的思想,从而导致了Reshetikhin–Turaev不变量理论的产生。

Edward Witten(左)与数学家Shigefumi Mori合影,可能摄于1990年的ICM,他们在那里获得了Fields奖。

Witten获得Fields奖的另一个原因是他在1981年对广义相对论中正能量定理的证明。该定理声称在适当的假设下,引力系统的总能量总是正的,只有当时空的几何是平坦Minkowski空间的几何时才能为零。它将Minkowski空间确立为引力场的稳定基态。虽然Richard Schoen和Shing-Tung Yau对该结果的原始证明使用了变分法,但Witten的证明使用了超引力理论中的思想来简化论证。

Atiyah讲话中提到的第三个领域是Witten将超对称性与Morse理论联系起来的工作,Morse理论是数学的一个分支,利用可微函数的概念来研究流形的拓扑。Witten的工作通过用超对称量子力学来解释该理论,为经典结果Morse不等式提供了物理证明。

M理论

到1990年代中期,从事弦论研究的物理学家已经开发了该理论的五个不同的自洽版本。这些版本被称为I型、IIA型、IIB型和两种风味的杂化弦论SO(32)和E8×E8。当时的想法是,在这五个候选理论中,只有一个是真正正确的万物理论,而该理论是其低能极限与我们今天在现实世界中观察到的物理相匹配的那个。

在1995年University of Southern California举办的弦论会议上发言时,Witten提出了一个令人惊讶的建议,即这五个弦论实际上不是不同的理论,而是他称之为M理论的单一理论的不同极限。Witten的提议基于以下观察:五个弦论可以通过称为对偶性的某些规则彼此相互映射,并由这些对偶性识别。Witten的公告引发了一阵现在被称为第二次超弦革命的工作浪潮。

其他工作

他对物理学的另一个贡献涉及规范/引力对偶的结果。1997年,Juan Maldacena提出了一个称为AdS/CFT对应的结果,它建立了某些量子场论与量子引力理论之间的关系。由于其在量子引力和量子场论理论问题中的应用,Maldacena的发现在过去15年主导了高能理论物理。Witten在Maldacena结果后的基础性工作阐明了这种关系。

与Nathan Seiberg的合作中,Witten在量子场论中建立了几个强大的结果。在他们关于弦论和非交换几何的论文中,Seiberg和Witten研究了作为弦论极限出现的某些非交换量子场论。在另一篇著名论文中,他们研究了超对称规范论的方面。后一篇论文加上Witten早期关于拓扑量子场论的工作,导致了光滑4-流形拓扑的发展,特别是Seiberg–Witten不变量的概念。

Edward Witten(中)与David Gross和Stephen Hawking在2001年印度孟买TIFR的弦论大会上合影。

与Anton Kapustin合作,他在规范论的S对偶性与几何Langlands对应之间建立了深刻的数学联系。部分与Seiberg合作,他最近的兴趣之一包括凝聚态中拓扑相的场论描述的方面以及场论中的非超对称对偶性,这些除其他外在凝聚态理论中具有高度的相关性。从凝聚态和量子混沌中的SYK模型的推广,他还最近为Gurau张量模型的相关性在全息和量子引力理论中带来了重视。

总的来说,Witten在量子场论和数学物理的许多方面进行了有影响力和深刻的工作,包括异常、可积性、对偶性、定位、同调等物理和数学。他的许多结果深刻影响了理论物理的许多领域,通常远超出他的结果的原始背景,包括弦论、量子引力和拓扑凝聚态。

奖励和荣誉

Witten获得过许多奖项的荣誉,包括1982年MacArthur奖、1990年Fields奖、1997年American Academy of Achievement金奖、2000年Nemmers数学奖、2002年National Medal of Science、2005年Pythagoras奖、2006年Henri Poincaré奖、2008年Crafoord奖、2010年Lorentz奖、2010年Isaac Newton奖和2012年基础物理奖。自1999年以来,他一直是伦敦皇家学会的外国会员,2016年3月被选为爱丁堡皇家学会的荣誉研究员。教宗本笃十六世在2006年任命Witten为宗座科学院院士。他也出现在2004年《TIME》杂志100位最具影响力人物的名单中。2012年,他成为美国数学学会会士。Witten在1984年当选美国艺术与科学学院院士,在1988年当选国家科学院院士。

在1990年宇宙学会议的非正式民意调查中,Witten获得了最多的"最聪慧的在世物理学家"提名。

个人生活

自1979年以来,Witten一直与Princeton University物理学教授Chiara Nappi结婚。他们有两个女儿和一个儿子。他们的女儿Ilana B. Witten是Princeton University的神经科学家,女儿Daniela Witten是University of Washington的生物统计学家。

Witten担任"Americans for Peace Now"董事会成员和J Street咨询委员会委员。他支持两国方案,倡导抵制以色列1967年边界外的机构和经济活动,但不包括以色列本身。

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