怎麼理解維度的捲曲?

時間 2021-05-30 03:46:04

1樓:tammico

弦論中的11維,是10個空間性維度和1個時間性維度,另外的7個空間性維度被「捲曲」,學術的說是「緊化」到無法再微小的蒲朗克尺度了。

在2023年,奧斯卡·克萊因(Oskar Klein)提議了第四個空間維度捲曲成乙個半徑非常小的圓,所以粒子沿著這個軸移動很短的距離,就會回到起始點。粒子在回到起始點前所能行進的距離則稱作是該維度的大小。這個額外維度(extra dimension)是乙個緊集,而時空具有緊緻維度的現象則稱作是緊化。

維度蜷縮的說法來自於弦理論,它的計算表明宇宙必須有更多的空間維度,規律才能完美統一起來。那更多的空間維度為什麼沒能讓我們觀察到?有人突發奇想說,3個空間維度在巨集觀展開著,被我們觀察到。

其餘的空間維度由於某種原因蜷縮在微觀,所以在巨集觀無法觀察到。蜷縮進微觀,就是只在蒲朗克常數層面的空間尺度以下起作用,超出範圍就不起作用。這其實與量子力學的測不准原理有一定關係。

如果我們能探索進蒲朗克尺度以下的空間範圍(這是量子力學不允許的),那我們就能發現,巨集觀展開的空間維度在微觀就如同筆直的線條,就像三維直角座標系那樣。而那些蜷縮維就像懸掛在座標線上的無數個小圓環,乙個維度體現的是一種小圓環。在同乙個三維空間位置是掛著多個不同種類的圓環的,每乙個種類表示一種維度,見10那個塗鴉圖。

蜷縮就是僅僅體現在微觀之下的圓環這種自我封閉形式的形象說法。蜷縮的維度是不可被觀察到的,除非我們能把眼睛伸進蒲朗克尺度以下。

數學中,緊化(compactification)是將乙個拓撲空間擴大為緊的過程或結果。緊化的方法有多種,但每一種方法都是以某種方式新增「無窮遠點」控制「跑向無窮遠」的點或阻止這樣的「逃逸」。

考慮帶有通常拓撲的實數線。這個空間不是緊的;在某種意義上說,點向左或向右可以跑向無窮遠。可以通過新增乙個「無窮遠點」,我們記作 ∞,將其變為乙個緊空間。

所得的緊化可以想象為乙個圓周(作為歐幾里得平面的有界閉子集它是緊的)。實在線每個跑向無窮的序列在緊化中將收斂到 ∞。

直覺上,這個過程可視為:首先將實數線收縮為 x-軸上的開區間 (-π,π);然後將這個區間的兩端向上(y-軸正方向)彎曲,並移動使它們靠近,直到得到乙個去掉一點(最上點)的圓周。這個點是我們的新點 ∞ 無窮遠點,將它添進來成為乙個完整的緊圓周。

稍微正式一點:我們將單位圓周上的點以角度表示,在弧度下,取從 -π 到 π。將每個這樣的點 θ 與實數線上對應的 tan(θ/2) 等同。

這個函式在點 π/2 沒有定義,因為 tan(π/2) 沒有定義;將這個點等同於我們的 ∞。

卡拉比–丘流形

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