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科学家首次呈现最美数学结构:共248维

作者:   来源:      发布日期:2011-04-23   浏览:

科学家首次呈现最美数学结构:共248维

最美的数学结构

在有关奇特晶体的实验室实验中,一个复杂的与弦理论有关的数学对称形态第一次呈现在真实世界面前,它就是248维对称结构。

19世纪晚期,数学家发现了复杂的248维对称结构,被称之为“E8”。这个结构的维数所代表的并不是一个与我们生活的三维空间类似的必要空间,但它们却与数学自由度相符合,每一个维数代表一个不同的变量。

20世纪70年代,这种对称形态出现在与弦理论有关的计算中。弦理论是“万有理论”的一个候选者,可能解释宇宙中所有的力,但它仍需要通过实验进行验证。此外,248维对称结构也是2007年由物理学家加勒特·里希提出的另一个万有理论的基础。他将E8称之为“最美的数学结构”。现在,物理学家又在一个截然不同的领域——超低温晶体实验——发现E8。

牛津大学的拉杜·科尔迪亚及其同事对一个由钴和铌构成的晶体进行冷冻,使其温度降至只比绝对零度高0.04摄氏度的程度。晶体内的原子排列成长长的平行链。由于一种被称之为“旋转”的量子特性,依附在这些原子链上的电子表现出类似条形磁铁的特性,每一个的指向只能是向上或者向下。

在对晶体施加一个强大的5.5特斯拉磁场,与这些电子“磁铁”的方向垂直时,奇怪的事情发生了。链条内旋转的电子会自发地呈现出各种样式,拿3个电子这样一个简单例子来说,它们的方向会是上上下或者下上下以及其它可能性。每一个截然不同的样式拥有与之相关的不同能量。这些不同能量水平的比率显示,旋转电子按照E8对称结构中的数学关系自我调整。

现在就职于新泽西州皮斯卡塔韦大学的亚历山大·查莫罗德契可夫在1989年指出,在理论上预测的类似系统能量与根据E8对称结构得出的预期相符合。但其深层次的原因仍旧是一个谜。纽约厄普顿布克海文国家实验室的罗伯特·科尼克表示,事实是:这样一个简单系统——基本上由一维磁铁链构成——应该表现出令人吃惊的负责对称性。

科尼克并没有参与这项实验。他在接受《新科学家》杂志采访时说:“面对这个系统,你并不会期望它能够在现实世界出现。能够在现实世界观察到数学世界这个如此怪异的角度真的是一件非常引人注目的事情。”

科尼克指出,虽然E8确实在弦理论计算中出现,但在磁晶体实验中观察到这种对称结构并不能为弦理论本身提供任何证据。他说:“事实是,你在这样一个旋转链中看到这个独特的对称结构对于弦理论本身并不意味着什么。这种对称结构存在的意义在于,能够与任何独特的物理学现象分离开来。”出于某种原因,这项实验同样无法为里希提出的立基于E8的万有理论提供任何支撑。