“穿越數學家”——拉馬努金,為最深奧的物理學奠定數學基礎

2022年11月27日01:56:02 科學 1093

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弦理論尚未被充分認識的最深的奧秘之一,就是為什麼它只被定義在10維或26維。如果弦理論是3維的,它就不能以任何合理方式統一已知的物理學定律。因此,正是高維幾何,才是弦理論的核心特點。

如果我們計算弦在N維空間中如何分解和重組,我們常常發現一些無意義的項意外出現,這損害了弦理論那些奇妙性質。幸運的是,這些討厭的項是(N-10)的倍數。所以,為了消除這些異常,我們除了取N等於10外別無他法。事實上,弦理論是唯一特別要求時空維數固定為一個數的已知的量子理論

不幸的是,弦理論家們目前很難解釋為什麼10維被選中。答案完全在於數學,在一個所謂模函數範圍之內∶無論什麼時候我們運用由相互作用弦產生的KSV圈圖,我們都碰到這些奇怪的模函數,數10出現在其中最奇怪的地方。這些模函數與一個研究它們的東方人一樣神秘莫測。如果我們透徹認識了這個印度大才的工作,我們或許能理解為什麼我們生活在我們現在的宇宙之中。

模函數之謎

拉馬努金拉馬努詹)是數學史上亦可能是整個科學史上最為奇怪的人。他在33歲時,不幸被肺結核奪去生命;在此之前,他被當作一顆突發的超新星,照亮了數學最隱蔽、最有意義的角落。拉馬努金完全孤立於他的領域的主流之外工作,居然能獨自重新導出相當於西方數學100年的東西。他一生的悲劇在於,他的大部分工作浪費在重新發現已知的數學。散布在他筆記本中的那些字跡模糊的方程,就是這些模函數。這些函數屬於數學史中所發現的最為奇怪的東西。它們重新出現在相去甚遠、無甚關聯的數學分支之中。在模函數理論中反覆出現的一個函數,現在為了紀念拉馬努金而被命名為拉馬努金函數。這個古怪怪函數含有一個高達24次冪的項。

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在拉馬努金的工作中,24這個數反覆出現。這就是數學家稱之為魔數的一個例子,魔數在沒人知道緣由的情況下不斷出現,而且出現在我們沒想到的地方。令人稱奇的是,拉馬努金函數也出現在弦理論中。拉馬努金函數中出現的數24,竟也是出現在弦理論中神奇抵消的根源。在弦理論中,拉馬努金函數中24個模的每一個,都對應於弦的某種物理振動。無論何時弦通過在時空中分解和重組而執行它的複雜運動,大量高度複雜的數學恆等式都必須得到滿足。這些恆等式,恰好是拉馬努金髮現的數學恆等式。

因為物理學家在計算出現在相對論中的振動總數時又添加了2維,這意味着時空必定有24+2=26時空維。

當拉馬努金函數被推廣時,數24被數8所取代。於是,超弦理論的臨界數是8+2,即10。這就是第10維的起源。弦所以振動在10維之中,是因為為了保持自洽,它需要這些廣義拉馬努金函數。也就是說,物理學家一點也不理解為什麼10和26維被選作弦的維數。就好像在這些沒人理解的函數中存在着某種有待證實的數字命理學一般。正是這些出現在橢圓模函數中的魔數,決定了時空的維數是10。

總之,10維理論的起源像拉馬努金本人一樣神秘。聽眾問為什麼自然可能存在於10維之中時,物理學家被迫回答,“我們不知道。”我們含混地知道時空的某些維為什麼被選擇(否則弦不能以自洽的量子形式振動),但是我們不知道這些特殊數被選擇的原因。沒準答案要等到在拉馬努金丟失的筆記本中被發現。

再創百年數學

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拉馬努金於1887年出生於印度的埃羅德。雖然他家是婆羅門(印度最高的種姓),但全家仍然窮困,靠拉馬努金的父親在一個服裝商的辦公室里作職員的菲薄薪水來維持生活。

到10歲時,拉馬努金顯然不喜歡別的孩子。像黎曼一樣,他因驚人的計算能力而聞名全村。還是孩子的他就已重新導出了三角函數與指數之間的歐拉恆等式

在每一個年輕科學家一生中,都有一個轉折點,對於愛因斯坦而言,它是對觀察羅盤針的迷戀。對於黎曼,它是讀勒讓德關於數論的書。對於拉馬努金,它是他偶然發現卡爾(George Carr)寫的一本含糊又被遺忘的數學書。這本書由於以下事實而名垂千古∶它記下了人們所知拉馬努金唯一一次對現代西方數學的發覺。據他妹妹說,"正是這本書喚發了他的天才。他決心建立在書里給出的公式。他沒有別的參考書,只要他感興趣,每一個解就是研究的一部分。

由於他才華橫溢,他能獲得獎學金去上中學。但是因為他厭煩課堂教學的乏味,和全神貫注於那些不斷縈繞在他腦中的方程,他沒有進入高年級班,他的獎學金被取消了。受挫之後,他離家出走。最後他返回家中,但只是因為生病,並且又一次未能通過考試。

在朋友的幫助下,拉馬努金設法成為馬德拉斯港務信託公司的一名低級辦事員,一年只掙微不足道的20英鎊。但是,像愛因斯坦在瑞士專利局一樣,它使拉馬努金自由自在地在業餘時間追求着自己的夢想。拉馬努金繼而把他“夢想”的一些結果寄給了三個知名的英國數學家,希望與別的數學頭腦取得聯繫。收到這封未受過正規教育的無名印度辦事員的信後,有兩個數學家立即就把它扔掉了。第三個是傑出的劍橋大學數學家哈代。由於他在英國的崇高威望,哈代習慣於收到怪人的郵件。在濃密的潦草字跡中,他注意到許多已被發現的數學定理。他認為它是一個明顯的飄竊之作,也把它扔掉了。但是事情不大對頭,有什麼東西使他不安,他情不自禁關注起這封怪信來。

1913年1月16日的晚餐上,哈代和他的同事利特爾伍德討論這封怪信,決定再看一次它的內容。信的開頭非常天真地寫道,

請原諒我向您作自我介紹,我是馬德拉斯港務信託公司帳目辦公室的一個辦事員,年薪只有20 英鎊。

但是這位馬德拉斯貧窮辦事員的信中,竟含有西方數學家一無所知的許多定理。加起來,它含有120個定理。哈代被驚呆了。他記得證明其中若干定理就"完全使我折服了"。他回憶道,

我以前從沒見過哪怕是稍許類似的東西。僅僅看一眼它們,就足以表明它們只能出自頂尖水平的數學家之手。

利特爾伍德和哈代達成相同的驚人結論∶這顯然是一個天才的傑作,他致力於重新導出歐洲的百年數學。他在逾越難以逾越的障礙,一個貧窮、孤獨的印度人用它的智力對抗着歐洲人積累的智慧。

哈代請拉馬努金去他那兒,經過一段周折之後,於1914年安排他呆在劍橋。拉馬努金頭一次能定期與他的同行(歐洲數學界)交流。於是開始了猛勁的工作∶在劍橋三一學院與哈代合作的短暫而緊張的3年。

後來,哈代試圖評價拉馬努金所擁有的數學技能。他給公認為19世紀西方最偉大的數學家之一希爾伯特打80分。對於拉馬努金,他給100分。哈代給自己打25分。據哈代回憶,

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記得有一次他生病住在普特涅,我去看他,乘坐的是一輛號碼為1729的出租馬車,我注意到這個數字似乎是一個相當沒勁的數字,只希望它不是一個凶兆。拉馬努金立刻意識到1729是一個很有趣的數,它是能用兩種不同方式表示成兩個數立方和的最小的數。

它是1×1×1和12×12×12之和,也是9×9×9和10×10×10之和。他能馬上用算式列舉出需要現代計算機來證明的複雜定理。

與哈代合作3年後,拉馬努金一病不起。他於1919年設法回到了故鄉,1年以後病逝。

拉馬努金的遺產

拉馬努金的遺產是他的數學研究,他的研究由密密麻麻寫在3大卷筆記本上的4000個公式組成,那些公式有不可思議的冪次,卻沒有任何注釋;那些令人困惑的定理,沒有任何證明。然而,1976年,有了新的發現。包含他一生最後一年工作成果的130頁散佚論文,在三一學院的一個箱子中被偶然發現。現在這被稱為拉馬努金“失散筆記本”。數學家阿斯基在為“失散筆記本”加註時說∶

他面臨死亡那一年的工作相當於一個大數學家一生的工作。他完成的工作令人難以置信。假如它是一一本小說,那也沒人會相信它。

看着拉馬努金方程的演算,好比是我們多年受貝多芬西方音樂的熏陶,突然聽到另一種音樂,一種在西方音樂中從來沒有聽過的和諧韻律交融、神秘美妙的東方音樂。

如物理學家所知道,"事件"不會無緣無故地發生。當物理學家完成了一個冗長、困難的計算,突然有好幾千個討厭的項奇蹟般地合計為零時,他們知道,如沒有一個深層的內在原因,這是不會發生的。現在,物理學家們知道,這些“事件”表明對稱性在起作用。就弦而言,此種對稱性稱為共形對稱性,即拉伸或變形弦的世界面的那種對稱性。

這正是拉馬努金的工作奏效的地方。為了保護原來的共形對稱性不被量子理論所破壞,大量的數學恆等式必須奇蹟般地得到滿足。這些恆等式恰好是拉馬努金模函數的恆等式。

自然定律在高維中表述時得到了簡化。然而,鑒於量子理論,正確的說法現在應該是∶自然定律在高維中自洽地表述時得到簡化。增加自洽地這個字眼至關重要。這一限制條件迫使我們使用拉馬努金的模函數,它把時空維數固定為10。這使得我們有了解釋宇宙起源的一個決定性線索。

愛因斯坦常問自己,上帝是否有選擇地創造宇宙。根據超弦理論家的說法,一旦我們要求量子理論與廣義相對論統一,上帝就別無選擇。他們宣稱,單單自洽這一條,就必定迫使上帝像他所創造的那樣創造這個宇宙。

雖然由超弦理論所引進的數學複雜性已達到令人目眩的地步,也震驚了數學家,但該理論的批評者們仍然在其最脆弱點敲擊它。他們指出,任何理論都必須是可檢驗的。既然定義在10^28電子伏普朗克能量的理論不可檢驗,超弦理論就不是真正的理論。

如上所述,關鍵問題在於理論而不在於實驗。如果我們聰明絕頂,我們就能徹底解決這理論,找到真正的非微擾解。然而,這不能成為我們不尋求用實驗手段驗證理論的理由。為了檢驗理論,我們必須等待來自第十維的信號。

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