丘成桐:人类生活在十维宇宙里
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-18
"人类生活在十维的宇宙中。"
这可不是什么《三体》看上头后的狂言,而是出自丘成桐之口。
这位数学最高奖 -- 菲尔兹奖首位华人得主,曾在公开演讲中谈到:
人类生活在十维的宇宙中,但只有四维时空可见,剩下的六维空间蜷缩在一个几何结构特异的空间中。
没想到,这个看上去玄乎又难以理解的概念,会被世界级数学家肯定。
但实际上,弦论的支持者们始终认为平行宇宙必定具有十个维度,并一直力求证明其存在。
对,就是 Sheldon 痴迷的那个弦论。
而更让人意想不到的是,正是丘成桐 27 岁时的成名之作,成为了弦论学者笃信十维空间的关键论据之一。
1985 年,物理学家坎德拉斯、霍洛维茨等人合著论文《超弦的真空结构》指出,多出来的六个维度,必须隐藏于卡拉比-丘流形之中。
隐藏六维的空间
事情还要从爱因斯坦的广义相对论说起。
基于黎曼几何这种包含弯曲空间的几何学,爱因斯坦成功把重力理论和狭义相对论统一了起来,完成了著名的广义相对论。
也就是说,广义相对论这颗明星,正是几何学和物理学的一个闪亮交点。
爱因斯坦本人就这样解释道:
这套理论指出重力场由物质的分布决定,并随之而演化,正如黎曼所猜测的那样,空间并不是绝对的,它的结构与物理不能分割。我们宇宙的几何绝不像欧氏几何那样孤立自足。
这颗明星,自然而然吸引了专注于几何学的青年丘成桐的注意。
上世纪 70 年代,在研究爱因斯坦方程组时,丘成桐开始思考一个问题:
能否找到一个真空,即没有物质的时空,但其曲率并不平凡,即其重力非零。
并且这个时空光滑不带奇点,是紧致而封闭的。
其实,这就是几何学家卡拉比在 1954 年提出的卡拉比猜想:在封闭的空间,有无可能存在没有物质分布的引力场?
卡拉比猜想不仅指出封闭而具有重力的真空存在,而且还给出了系统地大量构造这类空间的途径。
但在这一猜想提出的 22 年间,包括卡拉比自己在内,没有人能够证明它是否正确。
直到 1976 年,时年 27 岁的丘成桐一举实现突破,证明卡拉比猜想成立,自此名动世界。
这一成果让他在 1982 年成为数学界最高奖菲尔兹奖首位华人得主。
也正是卡拉比猜想的证明,带来了"超弦理论的基石"-- 卡拉比-丘流形。
具体而言,丘成桐在证明猜想的过程中,构建出了不带物质的凯勒流形。也就是卡拉比-丘流形(又称卡拉比-丘空间)。
1984 年,丘成桐接到了物理学家加里・霍洛维茨(Gary Horowitz)和安迪・斯特鲁明格(Andy Strominger)的电话。
他们两人都是弦论的支持者。这里所说的弦论指的是"超弦理论",其基本假设包括,所有基本粒子都是由不断振动的弦线组成,时空具有超对称性,并且是十维的。
他们告诉丘成桐,他们正在研究三维空间和时间之外,弦论中另外六个维度存在的形式。
具体而言,他们需要找到一种具有超对称性的流形,并且根据弦理论,这个流形不带任何物质分布,是真空的。
丘成桐回复说:
这些流形(卡拉比-丘流形)在维数等于 6 时,确实能满足弦理论的要求。
次年,霍洛维茨、斯特鲁明格,以及另外两位物理学家坎德拉斯(Philip Candelas)和威滕(Edward Witten)合作发表了论文《超弦的真空结构》。
这篇文章指出,多出来的六个维度,必须隐藏于卡拉比-丘流形之中。此六维独立于四维时空的每一个点。
更重要的是,如丘成桐本人所说:
(弦论)进一步指出卡拉比-丘空间的几何,决定了这个宇宙的性质和物理定律。
哪种粒子能够存在,质量是多少,它们如何相互作用,甚至自然界的一些常数,都取决于卡拉比-丘空间。
物理学家布莱恩・格林(Brian Greene)也说:
宇宙的密码,也许就刻在卡拉比-丘空间的几何之中。
最初打算找到卡拉比猜想的反例
鲜为人知的是,丘成桐最初了解到卡拉比猜想时,是想证明其所描述的空间并不存在。
理由很简单:
这个猜想不仅指出封闭而具有重力的真空的存在性,还给出系统地大量构造这类空间的途径,大家都认为世间哪有这样便宜的东西可捡!
当时,不少几何学家都在质疑卡拉比猜想的,不过还没有人能给出反例。
根据猜想定义,一个第一陈类为 0 的紧致 n 维凯勒流形上应该有一个里奇平坦的度量。
只要找出一个这样的流形上,不存在里奇平坦度量,猜想即可被推翻。
丘成桐花了差不多 3 年时间,来找寻这种反例。
1973 年,他终于得出了成果,并在出席国际几何会议期间,将此消息告诉了几位朋友。
消息一下子传了开来,引发圈内震动,以至于他被要求在当天晚上对自己的成果另作报告。
丘成桐回忆,那晚有三十多位几何学家聚在数学大楼的三楼,其中包括卡拉比、陈省身和其他知名学者。
他把自己如何构造出这一反例说了一遍,大家似乎都非常满意,卡拉比本人甚至还为这一构造给出了一个解释。
陈省身则在大会闭幕时拉着丘成桐说,这个反例或许可被视为整个大会最好的成果。
要知道,卡拉比猜想中涉及到的"陈类"概念,便是因陈省身而得名。
丘成桐描述自己当时的心情:"既意外,又感到兴奋不已。"
但反转却来得很快。
仅仅过去两个月后,卡拉比致信丘成桐,希望他能为自己解释反例中一些没有弄清楚的问题。
看到这封信,丘成桐马上明白,自己出错了。
在他的自述中提到,自此之后两个星期,他不眠不休,希望能重新构造一个反例。
身心差不多要垮掉。
可是真理总爱捉弄人,每当他似乎找到一个理想中的反例时,总是瞬间有推翻它的理由出现。
如此经历数次后,丘成桐选择 180 度调转研究方向,开始证明卡拉比猜想。
终于在 1976 年,卡拉比-丘空间和世人见面,轰动数学界,并为之后超弦理论的物理应用、"超弦热"奠定了数学基础。
而顺着这条研究路线,丘成桐之后还进一步论证了镜像对称猜想。
镜对称是指两个具有不同拓扑的卡拉比-丘空间,看起来甚至没什么共通点,但却拥有相同的物理定律。
最初是物理学家菲利普・坎德拉斯等人发现了这一问题,并从物理角度证明镜像对称可用于计算卡拉比-丘空间上有理曲线的数目。
丘成桐形容,镜对称是对偶性的一个重要例子。
它就像一面窗,让我们窥见卡拉比-丘流形的隐秘。
实际上,很多在卡拉比-丘空间上要解决的难题,如果放到镜像上考虑,问题往往迎刃而解。
1996 年,丘成桐和前文提到的斯特鲁明格,以及埃里克・扎斯洛(Eric Zaslow)共同提出 SYZ 猜想,这是理解镜对称猜想的一次尝试。
SYZ 猜想提出,六维卡拉比-丘空间本质上可以分成两个三维空间,其中之一是三维环面。如果模仿把半径 r 变成 1 / r 的操作,把这些三维环面"翻转",并与另一个三维空间结合起来,就会得到原卡拉比-丘空间的镜伴。
紧接着 1997 年,丘成桐和连文豪、刘克峰合作(与 Givental 同时),用局部化技巧完全证明关于卡拉比-丘空间上有理曲线计数的镜猜想。
值得一提的是,其中连文豪是美国布兰迪斯大学教授,于 2013 年获陈省身奖。
刘克峰曾于 1998 年获得斯隆奖。
正是他与丘成桐一起,发起创建了丘成桐数学英才班、创办丘成桐中学数学论文奖和丘成桐大学生数学竞赛。
他现任美国加州大学洛杉矶分校数学系教授、浙江大学数学中心执行主任。
One More Thing
在丘成桐的自传中曾提到,由于卡拉比-丘空间流传甚广,甚至他自己有时都会产生错觉:
卡拉比是否也是我的名字?
的确,从坎德拉斯等人在 30 年前将卡拉比-丘连接起来后,这个组合词的意义有时已经超出了数学物理范围。
比如伍迪・艾伦 2003 年在《纽约客》上发表的故事,里面提到一位女士的微笑,"向上弯成卡拉比-丘的形状"。
对此,丘成桐并不介意"卡拉比"是否会被混淆为他的名字。他觉得,很荣幸能和卡拉比一起并称。
而另一位主人公卡拉比也曾说道:
我很高兴我的名字和丘永远连在一起。
参考链接:
[1] 丘成桐《我们真的活在十维时空里吗?》:https://web.math.sinica.edu.tw/ math_media / d354/35401.pdf
[2] 丘成桐《我的几何人生:丘成桐自传》
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Calabi%E2%80%93Yau_manifold
[4]https://www.um.edu.mo/zh-hant/news-and-press-releases/presss-release/detail/18478/
本文来自微信公众号:量子位 (ID:QbitAI),作者:明敏 鱼羊
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