弦理论最深的奥秘之一,就是为什么它只被定义在10维或26维


弦理论最深的奥秘之一,就是为什么它只被定义在10维或26维


文章图片


弦理论最深的奥秘之一,就是为什么它只被定义在10维或26维


文章图片



弦理论尚未被充分认识的最深的奥秘之一 , 就是为什么它只被定义在10维或26维 。 如果弦理论是3维的 , 它就不能以任何合理方式统一已知的物理学定律 。 因此 , 正是高维几何 , 才是弦理论的核心特点 。
如果我们计算弦在N维空间中如何分解和重组 , 我们常常发现一些无意义的项意外出现 , 这损害了弦理论那些奇妙性质 。 幸运的是 , 这些讨厌的项是(N-10)的倍数 。 所以 , 为了消除这些异常 , 我们除了取N等于10外别无他法 。 事实上 , 弦理论是唯一特别要求时空维数固定为一个数的已知的量子理论 。
不幸的是 , 弦理论家们目前很难解释为什么10维被选中 。 答案完全在于数学 , 在一个所谓模函数范围之内∶无论什么时候我们运用由相互作用弦产生的KSV圈图 , 我们都碰到这些奇怪的模函数 , 数10出现在其中最奇怪的地方 。 这些模函数与一个研究它们的东方人一样神秘莫测 。 如果我们透彻认识了这个印度大才的工作 , 我们或许能理解为什么我们生活在我们现在的宇宙之中 。
模函数之谜拉马努金(拉马努詹)是数学史上亦可能是整个科学史上最为奇怪的人 。 他在33岁时 , 不幸被肺结核夺去生命;在此之前 , 他被当作一颗突发的超新星 , 照亮了数学最隐蔽、最有意义的角落 。 拉马努金完全孤立于他的领域的主流之外工作 , 居然能独自重新导出相当于西方数学100年的东西 。 他一生的悲剧在于 , 他的大部分工作浪费在重新发现已知的数学 。 散布在他笔记本中的那些字迹模糊的方程 , 就是这些模函数 。 这些函数属于数学史中所发现的最为奇怪的东西 。 它们重新出现在相去甚远、无甚关联的数学分支之中 。 在模函数理论中反复出现的一个函数 , 现在为了纪念拉马努金而被命名为拉马努金函数 。 这个古怪怪函数含有一个高达24次幂的项 。

在拉马努金的工作中 , 24这个数反复出现 。 这就是数学家称之为魔数的一个例子 , 魔数在没人知道缘由的情况下不断出现 , 而且出现在我们没想到的地方 。 令人称奇的是 , 拉马努金函数也出现在弦理论中 。 拉马努金函数中出现的数24 , 竟也是出现在弦理论中神奇抵消的根源 。 在弦理论中 , 拉马努金函数中24个模的每一个 , 都对应于弦的某种物理振动 。 无论何时弦通过在时空中分解和重组而执行它的复杂运动 , 大量高度复杂的数学恒等式都必须得到满足 。 这些恒等式 , 恰好是拉马努金发现的数学恒等式 。

因为物理学家在计算出现在相对论中的振动总数时又添加了2维 , 这意味着时空必定有24+2=26时空维 。
当拉马努金函数被推广时 , 数24被数8所取代 。 于是 , 超弦理论的临界数是8+2 , 即10 。 这就是第10维的起源 。 弦所以振动在10维之中 , 是因为为了保持自洽 , 它需要这些广义拉马努金函数 。 也就是说 , 物理学家一点也不理解为什么10和26维被选作弦的维数 。 就好像在这些没人理解的函数中存在着某种有待证实的数字命理学一般 。 正是这些出现在椭圆模函数中的魔数 , 决定了时空的维数是10 。
总之 , 10维理论的起源像拉马努金本人一样神秘 。 听众问为什么自然可能存在于10维之中时 , 物理学家被迫回答 , “我们不知道 。 ”我们含混地知道时空的某些维为什么被选择(否则弦不能以自洽的量子形式振动) , 但是我们不知道这些特殊数被选择的原因 。 没准答案要等到在拉马努金丢失的笔记本中被发现 。
再创百年数学
拉马努金于1887年出生于印度的埃罗德 。 虽然他家是婆罗门(印度最高的种姓) , 但全家仍然穷困 , 靠拉马努金的父亲在一个服装商的办公室里作职员的菲薄薪水来维持生活 。
到10岁时 , 拉马努金显然不喜欢别的孩子 。 像黎曼一样 , 他因惊人的计算能力而闻名全村 。 还是孩子的他就已重新导出了三角函数与指数之间的欧拉恒等式 。
在每一个年轻科学家一生中 , 都有一个转折点 , 对于爱因斯坦而言 , 它是对观察罗盘针的迷恋 。 对于黎曼 , 它是读勒让德关于数论的书 。 对于拉马努金 , 它是他偶然发现卡尔(George Carr)写的一本含糊又被遗忘的数学书 。 这本书由于以下事实而名垂千古∶它记下了人们所知拉马努金唯一一次对现代西方数学的发觉 。 据他妹妹说 , \"正是这本书唤发了他的天才 。 他决心建立在书里给出的公式 。 他没有别的参考书 , 只要他感兴趣 , 每一个解就是研究的一部分 。

推荐阅读