纤维丛看似很深奥,其实,与日常生活密切相关。
- 底空间(或底流形)是纤维丛的基底(即物理学中所
- 说的时空),就是李一桐和白鹿的形体相似。
- 全空间是由众多纤维组成的空间,其实就是两人
- 的精神。形体相似,但是精神不同。
- 能气场就是一维纤维丛上的截面,流形上的光滑
- 函数、切向量场、余切向量场、张量场等都可以
- 看作是某个特定纤维丛的截面。纤维丛之间存在
- 各种映射关系,这些关系就是物理规律。
- 这些截面的不同,就是气场的不同,具体表现
- 上,就是两人的笑的表现形式不同。白鹿的笑更
- 开放,更强烈,其实,就是气感应强度更大。
遗传基因决定了形体,而纤维丛决定了精神。
有时候,纤维丛更重要。
中医总结:精气神,精=底空间(或底流形),
气神=众多纤维组成的空间。
明明长相很相似,一个成顶流,一个却死活红不了,连于正都发愁
01纤维丛的起源
美国数学家惠特尼在1937年提出了纤维丛的概念,他将流形及其上的切向量组构成的空间称为“纤维丛”。之后,陈省身、斯廷罗德、塞尔等数学家进一步发展了纤维丛理论,引入了示性类、联络等概念。从数学的视角来看,纤维丛理论是一门研究拓扑空间之间的映射关系的数学分支,整合了微分几何、拓扑学、流形和群论(尤其是李群)等理论。
纤维丛理论的前身是微分几何。微分几何是一门研究曲面和曲线性质的学科,其发展受到很多自然现象的启发,如光的折射、地球的形状、行星的运动等。微分几何的一个重要概念是流形,流形是一种由局部平坦空间“拼接”起来的曲面。例如,地球表面就是一个流形,在局部看起来像一个平面,但实际上是一个球体。流形本身并不包含任何物理信息,仅是一个抽象的数学对象。为了让流形能够描述物理现象,需要给它附加一些额外的结构,如度规、联络、张量等。这些结构定义了流形上的距离、角度、曲率、速度、加速度等物理量。这样,流形就变成了一个具有物理意义的空间。纤维丛理论就是在这个基础上发展而来的。它不仅考虑了流形本身,还考虑了流形上那些附加的对象,如向量场、张量场、微分形式等。由此可知,纤维丛理论的产生与非欧几何具有密切的关系,可以用来构造非欧几何空间上的结构。非欧几何空间反过来也可以刻画纤维丛的性质,如陈类、指标定理和对称性等。在现代物理学中,广义相对论、量子场论和弦论等重要理论都是纤维丛理论与非欧几何结合的产物。
02纤维丛理论基础
纤维丛理论的一个核心思想是将物理量看作是一个流形(纤维)在另一个流形(底空间)上连续分布而形成的结构(全空间)。如图1(a)所示,底空间(或底流形)是纤维丛的基底(即物理学中所说的时空),而全空间是由众多纤维组成的空间。这样,就可以用两个流形之间的映射 (投影π和逆投影π^(-1))来描述物理现象。时空上各个点的纤维本质上是相同的(同构空间),纤维丛的联络定义了纤维在全空间中的相互连接。形象地说,纤维丛就是在每一点x长出来的一族“数”(这里说的“数”,可以是标量函数、矢量函数或群等)。将每一点对应的“数”连接起来就在整个纤维丛空间中确定了一个“截面”。纤维丛的截面是从底空间到全空间的连续映射,在微分几何和物理学中有着重要的意义。例如,电磁场就是一维纤维丛上的截面,流形上的光滑函数、切向量场、余切向量场、张量场等都可以看作是某个特定纤维丛的截面。纤维丛之间存在各种映射关系,这些关系就是物理规律。结构群决定了纤维丛是如何“粘连”起来的。例如:当结构群为U(1)群时,纤维丛描述的是电磁相互作用(图1(b)),对应的是麦克斯韦方程;当结构群为SU(2)群时,纤维丛描述的就是弱相互作用(图1(c)),对应的是杨-米尔斯方程[2]。