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]    RichardSchwartz说:“简直不敢想,在三维空间里,球体占方块总体积那是很大的。”

    2006年,Cohn和Kur通过比较能量函数与具有良好性质的较小“辅助”函数,开发了一种求基态能量下限的方法。

    球体堆积问题属于这一体系的边缘问题,只要把球体不重叠的条件转换为当两球中心距小于直径时,会出现无穷大的斥力就可以了。

    这一体系包括物理世界的众多常见力,例如电荷的库仑平方反比定律。

    准确地说,他们考虑的条件是完全单调的,即点之间的距离越近,斥力越强。

    RichardSchwartz说:“这如何去得知的?”

    她的论证核心是找出一个“魔法”函数,以证明E8是球体堆积的最优方式。

    MarynaViazovska说:“8维、24维与1维一同成为了已知具有普遍最优构型的维度。数学家怀疑二维平面上的等边三角形晶格也是一个普遍最优构型,但是没有证据。”

    要证明空间中某种点的构型是普遍最优的,必须先指定所讨论的问题体系。

    SylviaSerfaty说:“在所有高于3的维度中,构建一个类似于金字塔堆积的结构都是可能的,并且随着维度的增加,球体之间的空隙会增大。当达到8维时,空隙突然增大到足以将新的球体放入。这就产生了一种被称为E8晶格的高度对称构型。同样,在24维中,会产生Leech晶格,可以将额外的球体放入另一个已被研究透彻的球体堆积空隙中。”

    对于这些完全单调的力,问题就变成:对于无限多的粒子集合,其最低能量构型,或者说“基态”是什么。

    但是,没有人能给出三角形晶格普遍最优的概念解释,而这有望由数学证明解答。

    不存在对所有目标都是最优的点的构型,例如,当引力作用于点上时,最低能量的构型不是任何一种晶格,而是所有点都位于同一个点上的大规模堆积。

    Viazovska、Cohn和他们的合作者关注的是斥力体系。

    布朗大学的数学家RichardSchwartz说有点懵,说:“为什么要研究这个?”

    MarynaViazovska说:“这些点可以是无限多个相互排斥的电子的集合,它们需要达到最低能量构型;还可以代表溶液中具有聚合物长链的中心,它们需要避免与其他聚合物碰撞。”

    对于球体堆积问题,这正是Viazovska三年前的工作:她在模函数中找到了完美的“魔法”辅助函数,模函数的特殊对称性使它们数世纪以来一直是数学家的研究对象。

    直到2016年,Viazovska证明了这两种晶格是最优的球体堆积法。

    当涉及到其他排斥点问题,例如电子问题时,每个魔法函数需要满足的特性是已知的:其必须在特定点上具有特殊值,而其傅立叶变换(用于量化函数的固有频率)则需要在其他点上具有特殊值。研究人员只是不知道这样的函数是否存在。

    Viazovska的魔法函数很强大,甚至超乎预期。

    在8和24维中证明普遍最优性的五位论文作者:从左上顺时针分别为HenryCohn,AbhinavKur,MarynaViazovska,StephenMiller和DanyloRadchenko。

    SylviaSerfaty说:“考虑一个更高维度的球体,将它定义为与某一中心点等距的点的集合。如果比较球体与能装下它的最小立方体的体积,当维度增加时,球体占据立方体的体积比越小。如果你想把一个8维的足球装进最小的立方体盒子,那么这个球只占盒子体积的不到2%,剩下的空间全部被浪费了。”

    通常,构造一个在某些点上有期望效果的函数很简单,但是同时控制函数及其傅立叶变换是非常困难的。Cohn说:“当你强行调整它们中的一个时,另一个总会与你的期望背道而驰。”

    球体堆积问题只关心附近点之间的相互作用,但是Viazovska的方法似乎也适用于远程相互作用,例如电子之间的相互作用。

    在大量的实验和模拟基础上,物理学家们提出假设,这一晶格在广泛的范围中都是最佳的。

    但是,8维和24维是例外。它们各自包含一个特殊的高度对称的点构型,能同时解决所有问题。用数学语言来说,这两种构型是‘普遍最优的’。”

    匹兹堡大学的数学家ThosHales评价道,他于1998年证明了在三维空间中,球体的最密堆积法是金字塔型。

    RichardSchwartz说:“有其他维度的被解决吗?”

    RichardSchwartz说:“我们熟知的三维空间的呢?”

    Cohn和Kur发现在大多数维度中,他们找到的数值边界与最广为人知的构型的能量大相径庭。但是在8和24维中,Cohn和Kur尝试模拟了所有的斥力,其数值边界与E8和Leech晶格的能量都惊人地相似。自然,接下来的疑问就是,对于任何给定的斥力,是否存在一个完美的辅助函数,其给出的边界与E8或Leech晶格能量完全匹配。

    事实上,这一特性属于物理中著名的不确定原理。海森堡不确定原理就是这样一个特例,因为一个粒子的动量波是其位置波的傅立叶变换。

    MarynaViazovska说:“在大多数维度中,这都是不太可能的。”MarynaViazovska觉得,证明普遍最优性要比解决球体堆积问题困难得多。这是因为普遍最优性同时包含无数不同问题,而这些问题本身也很难解决。在球体堆积问题中,只用考虑每个球体附近球的位置;但是对于分散在空间中的电子,不管相距多远,每个电子还会与所有其他电子相互作用。

    MarynaViazovska说:“三维空间则复杂得多:不同情形中存在不同的最优点构型,而对于某些问题,数学家对它们的最优构型甚至毫无头绪。”

    除8和24维之外,二维是唯一一个Cohn和Kur的数值下界可以良好运作的维度。这强烈暗示了二维中应该也存在魔法函数。

    MarynaViazovska说:“解决上述问题的构型,还可以用来解决无数个不重合点的最佳排列问题。”

    Viazovska的E8证明只有短短23页。

    RichardSchwartz不知道为何数学宇宙会这样古怪。

    他们发现每个维度都存在无限多的辅助函数,但无法确定哪个是最好的。

    与E8和Leech晶格不同,二维三角形晶格在自然界中无处不在,从蜂窝结构到超导体中的漩涡状排列均在此列。

    RichardSchwartz说:“能说的清晰一点吗?举个例子。”

    2016年,瑞士洛桑联邦理工学院的MarynaViazovska说:“我找出了在8维和24维空间中大小相等球体的最密堆积法。”

    纽约大学的数学家SylviaSerfaty说:“你还没见过更加古怪的呢。8和24维的表现会与7、18或25维不同。在不同的维度里,物体的堆积方式是不同的。”

    对于8或24维中的斥力,Viazovska大胆地推测:研究团队想要在他们的魔法函数上施加的边界限制,及其傅立叶变换都恰好落在可能和不可能之间的界线上。她怀疑,再多一点限制,就不可能存在这样的函数;再少一点限制,则可能存在太多函数。而在团队所研究的条件下,恰好只有一个函数完全合适。

    RichardSchwartz说:“为什么研究8维和24维,这个不能在任何一个维度通用吗?”

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