大概在1978年的时候,已经有人猜测了魔群的存在,但是完整的证明还没有找到。可以确定的是,假如这个群真的存在,它不能作为对称群以任何非平凡的方式在低维空间的对象上作用(当然,它可以“平庸”地作用在任何低维对象上,包括1)。实际上,计算结果表明魔群能够作用的对象至少得是196883维。更一般地来说,魔群最小的几个表示的维数——也即魔群能够有不可约化的作用的空间维数——是1,196883,21296876,…… 三、 函数登场 约翰·麦凯(John McKay)是思考魔群的数学家中的一员。1978年的一个夜晚,他决定休息片刻。毫无疑问,思考这样维度数以万千(甚至更多)的对称群是项相当艰苦的工作。 就像我们许多人在放松消遣时所做的一样,他翻阅了一篇近期关于数论的论文。研读这篇论文的时候,他遇到了在数论中具有重要地位的Klein 函数,这一函数由如下的无穷级数展开表示(省略了常数项): 此时他的思绪还没有完全跳离魔群,他立刻意识到 。 也就是说, 函数级数展开式中第一个不平凡的系数,竟然和魔群的第一个非平凡表示的维数惊人地接近! 随后,他和约翰·汤普森(John Thompson,菲尔兹奖得主,群论专家)意识到,这个“巧合”竟还延续到函数的高阶展开系数,例如 。 从这些对数字的朴素观察中,“魔群月光”领域诞生了,其目标正是揭开和解释最大的散在单群(sporadic simple symmetry groups)与模函数(modular functions)理论(研究函数及其“同类”)之间玄妙的联系。 让我们暂停片刻,先来了解一下模函数指的是什么。考虑一个复变量的函数,它在如下两种变量替换(下文中称它们为变换和变换)下函数值均不变: 即 定义,如果某个函数可以用和来展开(译者注:为的复共轭),那么很显然:在做类型的变量替换时,函数值不变。全纯函数(holomorphic functions)是只依赖于的函数(与无关)。如果一个全纯函数在上述和两种变换下均不变,那么就称为模函数。 对函数做和这两个变换看似怪异且缺乏动机,然而在了解如下背景后,我们会发现引入它们变得顺理成章:环面(亦可看做“甜甜圈”)可以用复平面上的二维点阵来定义(图4)。如果上半复平面中由或者相联系的点都被看作同一个点,那么我们就得到了一个“甜甜圈”,其形状仅由来决定(译者注:读者不妨想象将图4中平行四边形的对边两两粘起来)。
图4. 由矢量1和τ构成的点阵的基本域。将平行四边形的对边看作是相同的一边就得到环面。 然而,几何学告诉我们,不相同的值并不总是给出不等价的环面。如果两个环面所对应的可以由、两种变换以及它们的组合相联系,那么两个环面实际上是完全等价的,因为它们的形状一模一样。另一方面,调节可以改变环面的形状:同样大小的环面,看作一个甜甜圈的话,可以有相对“胖”或者“瘦”的环柄(图5)。 图5. 改变参数会改变环面的形状,使得两个圆圈的相对周长变化,但总的体积保持不变。 同样的、变换出现在环面和模函数两个看似不同的问题中绝非偶然。模函数正好是从所有可能的环面映射到复数的全纯函数,而函数是这类模函数中最简单的一个,它对的级数展开形式,提供了“魔群月光”令人啧啧称奇的第一个暗示。事实上,函数最重要的作用(也是它最初被引入的原因)是,对于一些定义了环面的多变量多项式方程,相对应的环面的很容易通过这些方程来计算。由于函数将不等价的一一映射到复数上,这就给出了一个分类/区分不等价环面的简单方法。 四、弦论与24维杂货铺 (责任编辑:本港台直播) |