⼏何在物理学中的妙⽤

作者: 董唯元

来源: 返朴

发布日期: 2023-09-21 08:01:52

物理学发展到20世纪,数学中的⼏何被引⼊到物理理论中,推动了物理学的发展。⼏何理论和相关概念在物理理论中⼤显身⼿,不仅在基础物理学中发挥重要作用,还深⼊到⼤⽓科学、信息科学等许多领域,为⼏何学带来新的⽣命⼒。

物理学发展到20世纪,数学中的⼏何被引⼊到物理理论中。爱因斯坦借助黎曼⼏何构建了⼴义相对论,杨振宁发现规范场与纤维丛的对应关系,⽽到1980年代后拓扑量⼦场论的诞⽣,⼜将物理学推向了新的⾼峰。⼏何理论和相关概念在物理理论中⼤显身⼿,以⾄于有很多⼈说“物理就是⼏何”。如今这些由⼏何诞⽣的物理概念,已经深⼊到⼤⽓科学、信息科学等许多领域,也为⼏何学带来新的⽣命⼒。

物理理论经常会被跨领域借鉴使⽤。近⼏年⽓象学家在研究海洋和⼤⽓波动规律时,将地球类⽐为拓扑绝缘体,从⽽借助物理学家研究拓扑相变的⽅法和结论,深刻理解了⾚道开尔⽂波的形成机制。开尔⽂波是⼀种因地球⾃转偏向⼒(即科⾥奥利⼒)⽽形成的海洋和⼤⽓波动。其最⼤的特点就是群速度与相速度相同,所以这种波不会在⾏⾛的过程中耗散,能够跨越数千公⾥持续搬运能量,是形成厄尔尼诺等⽓候现象的重要因素之⼀。

现代物理学中⼏乎⽆处不浸染着⼏何概念和⼏何语⾔,其深度和⼴度是⼗九世纪的物理学家根本⽆法想象的。微分⼏何进⼊物理学1915年横空降世的⼴义相对论,是物理学⼏何化的第⼀个⾥程碑,微分⼏何从此成为物理学家必须掌握的⼀⻔数学语⾔。既然引⼒的本质是时空弯曲,引⼒场强是时空曲率,那么摆弄弯曲流形的学问,⾃然成了学习⼴义相对论的⾸要预备知识。

纤维丛与规范场1954年闪亮登场的杨-⽶尔斯理论,为后续物理学⼏何化的第⼆次浪潮埋下了伏笔。⼗⼏年之后,物理学家突然发现纤维丛正是描述这⼀理论最恰当的语⾔。所谓纤维丛,可以简单粗暴地理解为浑身⻓⽑的流形,每根⽑对应底流形上⼀点。这⾥的⽑,也就是纤维,具有颇为抽象的内涵,在不同的纤维丛理论中代表流形身上不同的附加物。

拓扑学常被戏称为玩弄橡⽪泥的科学,它并不关⼼⼏何图形具体的形状或⼤⼩,⽽只关注图形在连续变化过程中那些不变的成分。咖啡杯可以连续地变成甜甜圈,所以在拓扑视⻆看来,咖啡杯与甜甜圈就是同⼀种对象,因为⼆者身上孔洞的数量相同。显然,孔洞的数量就是⼀种拓扑不变量。

在近⼏⼗年的发展过程中,现代物理学与现代⼏何理论不仅相辅相成共同成⻓,⽽且还⼀同发展出许多通⽤性更强⼤的理论⼯具,⼴泛服务于信息科学、经济学、社会科学等领域。⽂章开头提到的⽓象学研究成果,正是拓扑量⼦场论为这⼀领域做出的贡献。

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