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卡拉比猜想:探索卡-丘空间

时间:2023-10-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:起初,卡拉比本人还给出了证明思路,然而许多数学家认为卡拉比猜想是错的,包括美国华裔数学家丘成桐。什么是“卡拉比-丘成桐空间”呢?而“卡-丘空间”有六个维度,其维度的长度相比欧氏空间实在太小了。“卡-丘空间”,对于“生活”在其中的夸克、电子、光子来说,已经足够大了。“卡-丘空间”迂回而曲折,就像长蛇缠绕在一起。图3.4卡拉比-丘成桐空间前面提到的欧拉数是什么意思呢?

卡拉比猜想:探索卡-丘空间

卡拉比,1923年出生于意大利,美国著名数学家。在麻省理工学院获学士学位,1950年在普林斯顿大学获得博士学位,1964年就职于宾夕法尼亚大学数学系,1967年成为教授,1971年任宾夕法尼亚大学数学系主任,1991年获得美国数学会斯蒂尔奖,主要研究方向是微分几何和偏微分方程。他的研究领域偏离生活实际,高度抽象,一般人看不懂他的研究论文,所以他的名字只有少数人知晓。不过,在1954年的一次国际数学家大会上,他提出了一个著名猜想,后来人称“卡拉比”猜想。

Mn 是一个紧复流形,在其上允许具有主形式ω 和里奇形式Σ的无限可微凯勒度量,如果 Σ/是(1,1)型的任意闭实值无限可微形式,且上同调于Σ,则存在唯一的一个凯勒度量,它具有主形式ω/,上同调于ω,且里奇形式与 Σ/相等。这个度量总是无限可微的;如果 Σ/是解析的,它也是实解析的。

通俗地讲,卡拉比猜想就是:在封闭空间有可能存在没有物质分布的引力场。

起初,卡拉比本人还给出了证明思路,然而许多数学家认为卡拉比猜想是错的,包括美国华裔数学家丘成桐。卡拉比要求丘成桐给出完整的证明过程,丘成桐终于发现,证明卡拉比猜想错误是错的。1976年6月,丘成桐对卡拉比猜想这个世界难题给出了严密证明,这一年,他才27 岁。接着,他又一鼓作气完成了史密斯猜想、爱因斯坦猜想、狄利赫里问题、闵可夫斯基问题等一系列世界数学难题的证明!丘成桐即刻名声大震,成为世界科学界的新秀。他1949年出生于香港,1966年香港培正中学毕业,旋即考入香港中文大学数学系,1969年去美国加州大学读博士,1971年获得博士学位,1983年被授予菲尔兹奖,成为普林斯顿高级研究所终身教授。

什么是“卡拉比-丘成桐空间”呢?我们熟悉的欧几里得空间有三个维度,每个维度的长度为无限远。而“卡-丘空间”有六个维度,其维度的长度相比欧氏空间实在太小了。质子半径rp=1.11×10-15米,“卡-丘空间”维度半径只有质子半径的亿万分之一。住楼房的人每天进出房门,房门高约2米,宽约0.5米;蚂蚁从蚁穴的大门进进出出,忙个不停。蚂蚁认为蚁穴大门足够大了,人类的房门犹如无边无际的宇宙;反过来,人如何看待蚁穴的大门呢?连一个指头都伸不进去!“卡-丘空间”,对于“生活”在其中的夸克电子、光子来说,已经足够大了。夸克等客体的线度仅为普朗克线度,Lp=1.6×10-35米,而“卡-丘空间”的半径大约10-20米,相差15个量级,犹如地球人观察银河系,夸克们足以畅游“太空”了!

“卡-丘空间”迂回而曲折,就像长蛇缠绕在一起。若你有幸来到该空间,就会看到你无数的“倩影”。当你凝视某一方向,发现很多装有镜子的墙壁围绕着你,可以看到的可能不是你的正面像,而是你的“背影”。你对着背影投掷乒乓球,这只小球在六维空间折转翻腾,最后可能停在你的面前,真是不可思议!见图3.4。

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图3.4 卡拉比-丘成桐空间

前面提到的欧拉数是什么意思呢?为此先说说拓扑学。拓扑学就是“橡皮泥几何学”。一个立体在不破坏其表面孔洞的情况下,可以任意伸缩、变形,这种变形不会增减孔洞的数量,这种性质称为物体的拓扑性质。一根闭合的橡皮筋,任凭你如何扭转、拉伸,只要不剪断,它总是个圈。任意三角形和圆,从拓扑观点看是等价的,即同胚的。研究同胚的拓扑空间共有性质的学科叫拓扑学。例如,莫比乌斯带与长方形纸条同胚,因为它是由长方形纸条扭转一次后把两端黏在一起做成的。其原理是,在三维空间中可以做成二维图形,沿着一个不变的方向可以走遍这个图形的任何地方。生产中的传送带如果做成莫比乌斯带的形状,便可以减少对某一面的磨损,从而延长使用周期。

再说欧拉数。欧拉数有两种,一是指欧拉数e=2.718281828459…,这是数学中最常用的无理数。另一个是拓扑学中的欧拉数。对于凸多面体,若顶点数为W,边数为Q,边所围成的区域个数R,则欧拉数

威腾等研究发现,“卡-丘空间”欧拉数的绝对值为6,该值应该是夸克、轻子世代数的2 倍,那么,夸克、轻子的世代数不是3 又是几呢?

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