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

康托的天堂 2022-11-27 00:07:21

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。

由于他才华横溢,他能获得奖学金去上中学。但是因为他厌烦课堂教学的乏味,和全神贯注于那些不断萦绕在他脑中的方程,他没有进入高年级班,他的奖学金被取消了。受挫之后,他离家出走。最后他返回家中,但只是因为生病,并且又一次未能通过考试。

在朋友的帮助下,拉马努金设法成为马德拉斯港务信托公司的一名低级办事员,一年只挣微不足道的20英镑。但是,像爱因斯坦在瑞士专利局一样,它使拉马努金自由自在地在业余时间追求着自己的梦想。拉马努金继而把他“梦想”的一些结果寄给了三个知名的英国数学家,希望与别的数学头脑取得联系。收到这封未受过正规教育的无名印度办事员的信后,有两个数学家立即就把它扔掉了。第三个是杰出的剑桥大学数学家哈代。由于他在英国的崇高威望,哈代习惯于收到怪人的邮件。在浓密的潦草字迹中,他注意到许多已被发现的数学定理。他认为它是一个明显的飘窃之作,也把它扔掉了。但是事情不大对头,有什么东西使他不安,他情不自禁关注起这封怪信来。

1913年1月16日的晚餐上,哈代和他的同事利特尔伍德讨论这封怪信,决定再看一次它的内容。信的开头非常天真地写道,

请原谅我向您作自我介绍,我是马德拉斯港务信托公司帐目办公室的一个办事员,年薪只有20 英镑。

但是这位马德拉斯贫穷办事员的信中,竟含有西方数学家一无所知的许多定理。加起来,它含有120个定理。哈代被惊呆了。他记得证明其中若干定理就"完全使我折服了"。他回忆道,

我以前从没见过哪怕是稍许类似的东西。仅仅看一眼它们,就足以表明它们只能出自顶尖水平的数学家之手。

利特尔伍德和哈代达成相同的惊人结论∶这显然是一个天才的杰作,他致力于重新导出欧洲的百年数学。他在逾越难以逾越的障碍,一个贫穷、孤独的印度人用它的智力对抗着欧洲人积累的智慧。

哈代请拉马努金去他那儿,经过一段周折之后,于1914年安排他呆在剑桥。拉马努金头一次能定期与他的同行(欧洲数学界)交流。于是开始了猛劲的工作∶在剑桥三一学院与哈代合作的短暂而紧张的3年。

后来,哈代试图评价拉马努金所拥有的数学技能。他给公认为19世纪西方最伟大的数学家之一希尔伯特打80分。对于拉马努金,他给100分。哈代给自己打25分。据哈代回忆,

记得有一次他生病住在普特涅,我去看他,乘坐的是一辆号码为1729的出租马车,我注意到这个数字似乎是一个相当没劲的数字,只希望它不是一个凶兆。拉马努金立刻意识到1729是一个很有趣的数,它是能用两种不同方式表示成两个数立方和的最小的数。

它是1×1×1和12×12×12之和,也是9×9×9和10×10×10之和。他能马上用算式列举出需要现代计算机来证明的复杂定理。

与哈代合作3年后,拉马努金一病不起。他于1919年设法回到了故乡,1年以后病逝。

拉马努金的遗产

拉马努金的遗产是他的数学研究,他的研究由密密麻麻写在3大卷笔记本上的4000个公式组成,那些公式有不可思议的幂次,却没有任何注释;那些令人困惑的定理,没有任何证明。然而,1976年,有了新的发现。包含他一生最后一年工作成果的130页散佚论文,在三一学院的一个箱子中被偶然发现。现在这被称为拉马努金“失散笔记本”。数学家阿斯基在为“失散笔记本”加注时说∶

他面临死亡那一年的工作相当于一个大数学家一生的工作。他完成的工作令人难以置信。假如它是一一本小说,那也没人会相信它。

看着拉马努金方程的演算,好比是我们多年受贝多芬的西方音乐的熏陶,突然听到另一种音乐,一种在西方音乐中从来没有听过的和谐韵律交融、神秘美妙的东方音乐。

如物理学家所知道,"事件"不会无缘无故地发生。当物理学家完成了一个冗长、困难的计算,突然有好几千个讨厌的项奇迹般地合计为零时,他们知道,如没有一个深层的内在原因,这是不会发生的。现在,物理学家们知道,这些“事件”表明对称性在起作用。就弦而言,此种对称性称为共形对称性,即拉伸或变形弦的世界面的那种对称性。

这正是拉马努金的工作奏效的地方。为了保护原来的共形对称性不被量子理论所破坏,大量的数学恒等式必须奇迹般地得到满足。这些恒等式恰好是拉马努金模函数的恒等式。

自然定律在高维中表述时得到了简化。然而,鉴于量子理论,正确的说法现在应该是∶自然定律在高维中自洽地表述时得到简化。增加自洽地这个字眼至关重要。这一限制条件迫使我们使用拉马努金的模函数,它把时空维数固定为10。这使得我们有了解释宇宙起源的一个决定性线索。

爱因斯坦常问自己,上帝是否有选择地创造宇宙。根据超弦理论家的说法,一旦我们要求量子理论与广义相对论统一,上帝就别无选择。他们宣称,单单自洽这一条,就必定迫使上帝像他所创造的那样创造这个宇宙。

虽然由超弦理论所引进的数学复杂性已达到令人目眩的地步,也震惊了数学家,但该理论的批评者们仍然在其最脆弱点敲击它。他们指出,任何理论都必须是可检验的。既然定义在10^28电子伏普朗克能量的理论不可检验,超弦理论就不是真正的理论。

如上所述,关键问题在于理论而不在于实验。如果我们聪明绝顶,我们就能彻底解决这理论,找到真正的非微扰解。然而,这不能成为我们不寻求用实验手段验证理论的理由。为了检验理论,我们必须等待来自第十维的信号。

20 阅读:8461
评论列表
  • 2022-11-28 13:21

    我有一个理论可以统一一切已知的和未知的物理学定律,那就是屁理论,因为我把它定义在1001维。

    YMXL 回复:
    我反而觉得,如果宇宙大爆炸理论方向是正确的,那宇宙肯定不止四维或三维这么简单了,而且十维和二十六维是推导出来的,弦理论也挺有道理的,前沿科学就是天马行空的思维转化为理论,保留下无法被现有已证实理论和数学推导推翻的结论,最后在通过实验去验证啊,而不是你随意就否认的……
    不再乎 回复:
    实际上,所有称之为“论”的东西,都是无法完全验证的,论这个东西最重要的就是要能够完成自洽,那么概论就成立了,如果它能解释一部分世界上已有的现象,并且没有什么现象和它产生明显的矛盾,那么这个了就已有一定的利用价值。论的成立和论的价值是两个概念。
  • 无眠 10
    2022-11-30 04:09

    虽然不懂,但感觉弦理论是为了强行统一力学而为之的,有点物理给数学强行解释的意思,总感觉力学大统一的终极奥义应该不会这么扭捏[笑着哭]

  • 2022-12-01 14:35

    一群困在星球上的原始人,妄想用他们浅薄的知识完美的解释宇宙运行的机理……

  • 2022-11-28 00:19

    从黎曼开始就是有病,数学、物理走入歧途,,,

  • 2022-11-29 22:01

    很早以前第一次看到有关拉马努金的文章就被震撼过了。他可能是天界不小心落入凡间的一个神,然后很快被找到,然后怕他继续在凡间胡说八道,就把他带回去了……拉马努金的存在,为印度赢得了巨大的尊严……

  • 2022-12-25 19:25

    充分说明民科也不是一无是处的,有可能是天才。

  • 2022-11-27 22:12

    胡说八道的弦理论想定义几维就几维

  • 2022-11-27 08:57

    好文章[点赞][点赞][点赞][点赞][点赞][呲牙笑][呲牙笑][呲牙笑][呲牙笑][呲牙笑]

  • 2022-11-28 03:36

    漏洞太多补出来的,再说维数少了,能看懂的人就多了,那咋个玄法?

  • 2022-11-27 16:21

    好神奇

  • 2022-11-27 17:06

    天才容易早夭,因为上天征收。

  • 2023-01-25 11:29

    怎样去理解超出认知的世界,,一旦超出我们的观察对比联想推理,,从统一中发现矛盾,从予盾中寻找更深层的统一,构建推理自洽是一种方法,然而它依旧是已知的延伸。。现在较多地注重激发涌现,也是一种无奈

  • 2022-11-27 17:54

    看看矩阵,很明显的是4行列矩阵,相对于对角线对称情况下,元素就是10个。 10个特征值可以表示闵氏时空任意一点的张量。 1维弦在这10个值上活动。

  • 2022-11-30 02:11

    拉马努金的故事看过很多次了,我经常在想,如果这个天才没有英年早逝,这个世界的数学会是什么样子的?

  • 2023-01-01 13:12

    拉马努金接近神的人。

  • 2023-01-27 04:29

    [得瑟]对啊,为什么定义?为什么维度不会增加?

  • 2023-01-28 11:59

    虽然我不是研究数学和物理的,但我觉得,或者感觉弦理论有一定的欺骗性,不能你弄出来了是10维,26维,后面的所有就一定是10维或者26维,当然,按照你这个模型可能一定是10的倍数维,这也能证明,但可不可以不按照你这个模型或不严格按照已有的模型,虽然现有模型如此,难道就不该有其他另外的模型了?不要禁锢思维。还有,什么是维?

  • 2022-11-28 13:39

    太可惜了,英国的天气害死了天才

  • 2022-11-28 14:00

    [笑着哭]纬度都是科幻小说家杜撰出来的

  • 2022-12-20 19:23

    没有新发现,只能先套上壳,不然怎么办。

  • 2023-01-11 00:42

    算了,我都懒得说了,这种不实际的东西,看的人心烦,说的好听点,是高深的科学理论,说不好听,叫做用科学来忽悠世人!一维世界都搞不懂,老是谈什么二三四五六七八九十维!不是号称四维世界灭我们只是呼吸之间吗?你灭一个二维世界看看!你又灭一个一维世界给我看看。你要研究那些有的没的,请先搞清楚自己的维度先吧!呆在宇宙的一颗尘埃上,有了一点基础的科学理论,个个都以为是神了!就这点科学理论基础都是几千年来的观察总结成果,没有时间和空间的积累,一切理论都不可靠!

  • 2023-01-23 22:09

    由下一个爱因斯坦来解决!

  • 2023-01-26 21:34

    绝世天才!太伟大了!

  • 2022-11-28 21:08

    让机器人和我对话。

  • 2022-11-30 18:48

    不找不到让质量消失的方法,任何理论都站不住脚

  • 2023-01-25 15:26

    弦理论不就是爱咋滴咋滴,反正你也证不了它是错的

  • 2023-01-29 23:25

    宇宙是10维的,所以弦理论正确。还是,因为弦理论正确,所以宇宙必须是10维的?爹生儿子还是儿子生爹?

  • 2023-01-04 16:45

    玄理论这和玄学有什么区别,反正在三维世界证明不了我,我爱说什么都是对的。

  • 2023-01-24 13:10

    有没有可能,维度是个假概念

  • 2023-01-27 09:59

    又要开始吹了哇![笑着哭][笑着哭][笑着哭]

康托的天堂

简介:科学如此美妙,我想让你知道