数学和物理如何走在一起.doc

卡拉比—丘空间丘成桐 1949年出生于广东汕头1983年获得素有数学诺贝尔奖之称的菲尔兹奖,迄今仍是华人数学家中唯一的获奖者1979年后,丘成桐把主要精力转向振兴祖国数学事业上,先后创建了香港中文大学数学所、中科院晨兴数学中心、浙江大学数学中心和清华大学数学中心,并亲自担任这些研究机构的负责人他还为这些研究机构募集资金1.5亿元他是当今世界公认的最著名的国际数学大师之一,被国际数学界公认为四分之一世纪里最有影响的数学家他现任美国哈佛大学讲座教授、国际顶尖数学杂志《微分几何杂志》主编,所获荣誉还有:瑞士皇家科学院的克雷福特奖、美国国家科学奖、美国国家科学院院士、中国科学院首批外籍院士、俄罗斯科学院外籍院士、台湾中研院院士、世界华人数学家大会主席、中华人民共和国国际科学技术合作奖数学和物理如何走在一起广义相对论卡拉比猜想弦论结语数学和物理如何走在一起演讲人：丘成桐 地点：三亚·第二届国际数学论坛今天要讲的，是数学和物理如何互动互利，这种关系在卡拉比—丘（Calabi—Yau）空间和弦论的研究中尤为突出这个题目非出偶然，它正是我和史蒂夫·纳第斯（Steve Nadis）的新书《内空间的形状》的主旨。

书中描述了这些空间背后的故事、个人的经历和几何的历史我写这本书，是希望读者透过它，了解数学家是如何看这世界的数学并非一门不食人间烟火的抽象学问，相反地，它是我们认识物理世界不可或缺的工具现在，就让我们沿着时间，或更确切地沿着时空从头说起黎曼几何学黎曼的创见，颠覆了前人对空间的看法，给数学开辟了新途径几何的对象，从此不再局限于平坦而线性的欧几里德空间内的物体黎曼引进了更抽象的、具有任何维数的空间1969年，我到了伯克利研究院在那里我了解到，十九世纪几何学在高斯和黎曼的手上经历了一场翻天覆地的变化黎曼的创见，颠覆了前人对空间的看法，给数学开辟了新途径几何的对象，从此不再局限于平坦而线性的欧几里德空间内的物体黎曼引进了更抽象的、具有任何维数的空间在这些空间里，距离和曲率都具有意义此外，在它们上面还可以建立一套适用的微积分大约五十年后，爱因斯坦发觉包含弯曲空间的这种几何学，刚好用来统一牛顿的重力理论和狭义相对论，沿着新路迈进，他终于完成了著名的广义相对论在研究院的第一年，我念了黎曼几何学它与我在香港时学的古典几何不一样，过去我们只会讨论性空间里的曲线和曲面在伯克利，我修了斯巴涅尔（Spanier）的代数拓扑、劳森（Lawson）的黎曼几何、莫雷伊（Morrey）的偏微分方程。

此外，我还旁听了包括广义相对论在内的几门课，我如饥似渴地尽力去吸收知识课余的时间都呆在图书馆，它简直成了我的办公室我孜孜不倦地找寻有兴趣的材料来看圣诞节到了，别人都回去和家人团聚我却在读《微分几何学报》上约翰·米尔诺（John Milnor）的一篇论文,它阐述了空间里曲率与基本群的关系我既惊且喜，因为它用到了我刚刚学过的知识上米尔诺的文笔是如此流畅，我通读此文毫不费力他文中提及普里斯曼（Preissman）的另一篇论文，我也极感兴趣从这些文章中可以见到，负曲率空间的基本群受到曲率强烈的约束，必须具备某些性质基本群是拓扑上的概念虽然，拓扑也是一种研究空间的学问，但它不涉及距离从这角度来看，拓扑所描绘的空间并没有几何所描绘的那样精细几何要量度两点间的距离，对空间的属性要知道更多这些属性可以由每一点的曲率表达出来，这便是几何了举例而言，甜甜圈和咖啡杯具有截然不同的几何，但它们的拓扑却无二样同样，球面和椭球面几何迥异但拓扑相同作为拓扑空间，球面的基本群是平凡的，在它上面的任何闭曲线，都可以透过连续的变动而缩成一点但轮胎面则否，在它上面可以找到某些闭曲线，无论如何连续地变动都不会缩成一点由此可见，球面和轮胎面具有不同的拓扑。

普里斯曼定理讨论了几何(曲率) 如何影响拓扑(基本群)，我作了点推广在影印这些札记时，一位数学物理的博士后阿瑟·费舍尔（Arthur Fisher）嚷着要知道我干了什么他看了那些札记后，说任何把曲率与拓扑扯上关系的结果，都会在物理学中用上这句话在我心中留下烙印，至今不忘广义相对论爱因斯坦研究重力的经历，固然令人神往，他的创获更是惊天动地但是黎曼几何学在其中发挥的根本作用，也是昭昭然不可抹杀的狭义相对论告诉我们，时间和空间浑为一体，形成时空，不可分割爱因斯坦进一步探究重力的本质，他的友人马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossman）是数学家，爱氏透过他认识到黎曼和里奇（Ricci）的工作黎曼引进了抽象空间的概念，并且讨论了它的距离和曲率爱因斯坦利用这种空间，作为他研究重力的舞台爱因斯坦也引用了里奇的工作，以他创造的曲率来描述物质在时空的分布里奇曲率乃是曲率张量的迹，是曲率的某种平均值它满足的比安奇恒等式，奇妙地可以看成一条守恒律爱因斯坦利用了这条守恒律来把重力几何化，从此我们不再视重力为物体之间的吸引力新的观点是，物体的存在使空间产生了曲率，重力应当看作是这种曲率的表现对历史有兴趣的读者，爱因斯坦的自家说辞更具说服力。

他说：“这套理论指出重力场由物质的分布决定，并随之而演化，正如黎曼所猜测的那样，空间并不是绝对的，它的结构与物理不能分割我们宇宙的几何绝不像欧氏几何那样孤立自足讲到自己的成就时，爱因斯坦写道：“就学问本身而言，这些理论的推导是如此行云流水，一气呵成，聪明的人花点力气就能掌握它然而，多年来的探索，苦心孤诣，时而得意，时而气馁，到事竟成，其中甘苦，实在不足为外人道爱因斯坦研究重力的经历，固然令人神往，他的创获更是惊天动地但是黎曼几何学在其中发挥的根本作用，也是昭昭然不可抹杀的半个多世纪后，我研习爱因斯坦方程组，发现物质只能决定时空的部分曲率，为此心生困惑，自问能否找到一个真空，即没有物质的时空，但其曲率不平凡，即其重力为零当然，著名爱因斯坦方程史瓦兹契德（Schwarzschild）解具有这些性质它描述的乃是非旋转的黑洞，这是个真空，但奇怪地，异常的重力产生了质量然而这个解具有一个奇点，在那里所有物理的定律都不适用我要找的时空不似史瓦兹契德解所描绘的那样是开放无垠的，反之，它是光滑不带奇点，并且是紧而封闭的即是说，有没有一个紧而不含物质的空间——即封闭的真空宇宙——其上的重力却不平凡？这问题在我心中挥之不去，我认为这种空间并不存在。

如果能从数学上加以论证，这会是几何学上的一条美妙的定理卡拉比猜想在证明卡拉比猜想时，我引进了一个方案，用以寻找满足卡拉比方程的空间，这些空间现在通称为卡拉比—丘空间我深深地感到，我无心插柳，已经进入了一界数学高地它必定与物理有关，并能揭开自然界深深埋藏的隐秘从上世纪七十年代开始，我便在考虑这个问题当时，我并不知道几何学家欧亨尼奥·卡拉比（Eugenio Calabi）早已提出差不多同样的问题他的提问透过颇为复杂的数学语言来表述，其中涉及到克勒（Kaehler）流形、里奇曲率、陈类等等，看起来跟物理沾不上边事实上，卡拉比抽象的猜想也可以翻过来，变为广义相对论里的一个问题新的内容乃是要求要找的时空具有某种内在的对称性，这种对称物理学家称之为超对称于是上述的问题便变成这样：能否找到一个紧而不带物质的超对称空间，其中的曲率非零，即具有重力？我与其他人一起试图证明卡拉比猜想所描述的空间并不存在，花了差不多三年这猜想不仅指出封闭而具重力的真空的存在性，而且还给出系统地大量构造这类空间的途径，大家都认为世间哪有这样便宜的东西可捡可是，纵然不乏怀疑卡拉比猜想的理由，但没人能够反证它1973年我出席了在斯坦福举行的国际几何会议。

这会议是由奥斯曼（Osserman）和陈省身老师组织的或是由于我与两人的关系，我有幸作出两次演讲在会议期间，我告诉了一些相识的朋友，说已经找到了卡拉比猜想的反例消息一下子传开了，徇众要求，当天晚上另作报告那晚三十多位几何工作者聚集在数学大楼的三楼，其中包括卡拉比、陈师和其他知名学者我把如何构造反例说了一遍，大家似乎都非常满意卡拉比还为我的构造给出一个解释大会闭幕时，陈师说我这个反例或可视为整个大会最好的成果，我听后既感意外，又兴奋不已可是，真理总是现实的两个月后我收到卡拉比的信，希望我厘清反例中一些他搞不清楚的细节看见他的信，我马上就知道我犯了错接着的两个礼拜，我不眠不休，希望重新构造反例，身心差不多要垮掉每次以为找到一个反例，瞬即有微妙的理由把它打掉经过多次失败后，我转而相信这猜想是对的于是我便改变了方向，把全部精力放在猜想的证明上花了几年工夫，终于在1976把猜想证明了在斯坦福那个会上，物理学家罗伯特·杰勒西（Robert Geroch）在报告中谈到广义相对论中的一个重要课题——正质量猜想这猜想指出，在任何封闭的物理系统中，总质量/能量必须是正数我和舒恩（Schoen）埋头苦干，利用了极小曲面，终于把这猜想证明了。

这段日子的工作把我引到广义相对论，我们证明了几条有关黑洞的定理与相对论学者交流的愉快经验，使我更能开放怀抱与物理学家合作至于参与弦论的发展，则是几年之后的事了在证明卡拉比猜想时，我引进了一个方案，用以寻找满足卡拉比方程的空间，这些空间现在通称为卡拉比—丘空间我深深地感到，我无心插柳，已经进入了一界数学高地它必定与物理有关，并能揭开自然界深深埋藏的隐秘然而，我并不知道这些想法在那里会大派用场，事实上，当时我懂得的物理也不多弦论弦论认为时空的总数为十我们熟悉的三维是空间，加上时间，那便是爱因斯坦理论中的四维时空此外的六维属于卡拉比—丘空间，它独立地暗藏于四维时空的每一点里我们看不见它，但弦论说它是存在的1984年，我接到物理学家加里·霍罗威茨（Gary Horowitz）和安迪·斯特罗明格（Andy Strominger）的他们兴冲冲地谈到有关宇宙真空状态的一个模型，这模型是建基于一套叫弦论的崭新理论上的弦论的基本假设是，所有最基本的粒子都是由不断振动的弦线所组成的，时空必须容许某种超对称性同时时空必须是十维的我在解决卡拉比猜想时证明存在的空间得到霍罗威茨和斯特罗明格的喜爱他们相信这些空间会在弦论中担当重要的角色，原因是它们具有弦论所需的那种超对称性。

他们希望知道这种看法对不对，我告诉他们，那是对的他们听到后十分高兴不久，爱德华·威滕（Edward Witten）打给我，我们是上一年在普林斯顿相识的他认为就像当年量子力学刚刚面世那样，理论物理学最激动人心的时刻来临了他说每一位对早期量子力学有贡献的人，都在物理学史上留名早期弦学家如迈克尔·格林（Michael Green）和约翰·施瓦茨（John Schwarz）等人的重要发现，有可能终究把所有自然力统一起来爱因斯坦在他的后半生花了三十年致力于此，但至死也未竟全功当时威滕正与凯德勒斯（Candelas）、霍罗威茨和斯特罗明格一起，希望搞清楚弦论中那多出来的六维空间的几何形状他们认为这六维卷缩成极小的空间，他们叫这空间为卡拉比—丘空间，因为它源于卡拉比的猜想，并由我证明其存在弦论认为时空的总数为十我们熟悉的三维是空间，加上时间，那便是爱因斯坦理论中的四维时空此外的六维属于卡拉比—丘空间，它独立地暗藏于四维时空的每一点里我们看不见它，但弦论说它是存在的这个添了维数的空间够神奇了，但弦理论并不止于此，它进一步指出卡拉比—丘空间的几何，决定了这个宇宙的性质和物理定律哪种粒子能够存在，质量是多少。