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1978年春,理察和我利用这个方法,先解决了猜想的一个特殊情况,即所谓时轴对称的情况,这是杰勒西原来就提出的。我们采用反证法,简单而言,假如孤立空间的总质量是负时,我们可在这空间中构造一个极小面积曲面,利用宇宙间物质密度非负的事实,可推导出这曲面的曲率必须为0,从而得出“这个空间必须是平坦的”这一矛盾结论。于是,我们证明了时空在时轴对称而又是非平坦时,空间的总质量必须大于0。这是正质量猜想中极为重要的一步。
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然而,很多物理学者认定我们摘不掉时轴对称的假设。布兰代斯大学的斯坦利·德塞尔(Stanley Deser)和拉里·斯马特(Larry Smart)当时在哈佛访问,他们说除非在一般情况下证明了正质量猜想,否则这猜想不可能视为解决。其实在1978年夏天,访问伯克利一年后回到斯坦福,理察和我重拾这项目,我们借用了韩国物理学家P. S. Jung所研究的一条非线性方程,观察到它和我们考虑的极小曲面方程有相似之处。利用这方程,我们最终把整个猜想归结到早已证明的特殊情况上去。
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证明了最一般的情况具有深远的意义。当宇宙的能量是正时,它意味着能量永远在零值之上,即它具有下界。另一方面,当总体能量取负值时,它并没有下界,能量可以持续地递减而不停止,这样宇宙会变得很不稳定,最后分崩离析。如此结局,以“困扰”二字来形容,还嫌不足。如果说,理察和我的证明拯救了整个宇宙,未免夸张了些,但它的确沿这方向前进了一步。这项工作可以视为几何分析的一个主要成就,它亦显示出这科目在数学中大有可为。求解这问题时发展出来的诸多工具至今还在使用,有些人甚至相信,这些工具和证明本身同样重要。
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虽然如此,当我们的文章在1979年发表时,并没有引起许多物理学者的附和,或许里面的非线性计算令他们却步,甚至许多数学家也有同感。马里兰大学的物理学者胡比乐是我的中学校友,后来在高研院我还参加了他领导的毛泽东思想研读小组。他和许多研究者一样,完全不相信我们的证明。他在约翰·惠勒的指导下取得博士学位,惠勒是广义相对论方面数一数二的权威。比乐直截了当地说:“数学家怎可能证明这样重要的物理问题?”然而,经过四十多年,我们的证明依然屹立不倒。而这件工作的可信性,也因1978年8月斯蒂芬·霍金邀请我到剑桥访问而迅速提升。
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我愉快地接受了邀请,并打算在赴剑桥的途中顺道应邀访问巴黎、罗马和赫尔辛基,并在赫尔辛基的国际数学家大会上演说。但这次旅程并不顺利,英国领事馆不久前取消我的香港身份证,理由是我拿了美国绿卡。于是我变成了无国籍的人,我不是任何国家的公民,只是美国的合法居民而已。由这段日子到1990年成为美国公民为止,我是个不折不扣的无国之民,夹在两个国家和两种文化之间。因此之故,海外旅行常常带来极大的困扰。我要先用“白卡”申请离开美国,如果程序有少许错漏,或许不能返回美国。
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我拿不到去意大利的签证,只好把罗马从行程中删去。其实我已付了“额外的费用”给意大利领事,他本来说是可以搞定的,但最后还是不行。同样的情况在我再要去意大利时又重复了一次,付了额外的费用,却拿不到签证。另外有一次,迈克尔·阿提耶邀请我到威尔士,在伦敦数学学会的年会上演讲。当拿着白卡通过伦敦的海关时,他们给我诸多为难。他们如此问:“你到英国干什么?”我答道此行是为观光。“打算去哪里?”我答道:“去威尔士。”关员说道:“很明显那里不是观光的地方。”问到最后,我说我会和友人希钦教授一起去威尔士,希钦是牛津的名教授,至此我才被放行。总的来说,拿白卡旅游教人十分头痛。
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回到1978年的8月,我拿到法国、德国和芬兰的签证,最后也到了英国与霍金和他的同事见面。我停留的第一站是巴黎,在法国高等科学研究所(IHES)我跟布吉尼翁、尼古拉斯·凯珀(Nicolaas Kuiper)和其他数学家见面。
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我也遇见劳森,他从石溪来此地访问。我告诉他正质量定理的一些后续工作,其中包括有关具正纯量曲率流形的定理,以及理察和我有关这类流形结构的深入研究。特别地,我提到利用米尔诺和其他人引入的割补技巧,足以构造一大类几何上相似的三维流形。这种方法在数学上称为割补手术(surgery),因为它和人体器官的移植相似。它的基本想法是先把流形的某一部分(如一球面)移除,然后接上其他东西(如不同位置或维数的嵌入球面),手术前后不改流形纯量曲率为正的性质。这一点很要紧,因为我们可以大量利用拓扑的方法,来构造这纯量曲率为正的空间。在广义相对论中,由于物质密度必须为正,理察和我证明了黑洞以外的空间都存在纯量曲率为正的黎曼尺度,所以上述的拓扑方法可以用来了解宇宙的拓扑性质。
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我们同时也证明了,如果拿两个同是三维的具正纯量曲率的流形,即如两个不同的宇宙,用一根管子或一座桥连在一起,可以造出一个新的三维流形或宇宙,其纯量曲率保持为正值。我详细地把方法跟劳森解释了,并且阐明如何在正纯量曲率空间中去完成割补手术的方法。
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一年后即1979年,理察和我的文章发表在一份名声稍逊的学报《数学手稿》上。文中阐述的割补手术方法,后来成了研究具有正纯量曲率的流形的重要工具。现在大家都知道,每当割补手术使用得当,很多拓扑结果都会水到渠成。我们并没有在上文中探讨这些性质,毕竟当时的兴趣在于正质量猜想和更一般的广义相对论上。
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在这期间,劳森和格罗莫夫合作,探讨这种割补蕴含的拓扑性质。他们的文章紧接我们的论文,发表于《数学年刊》上。
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几何学家凯珀当时是IHES的院长,他邀请我和罗伯特·康奈利一起吃饭。来自康奈尔的康奈利一年前有一个重要的发现。当时他在研究大数学家欧拉于1766年提出的问题:“在空间中封闭的形体,除非把它撕开,否则它是不会变形的。”三维空间中的封闭曲面有“可塑”的概念;如果曲面能连续地变形,而其内在结构包括它的几何却始终不变的话,则称该曲面为可塑的曲面。
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试以一简单例子说明这概念。把一张平放的纸逐渐卷起来成一圆筒,在这过程中纸作为一个曲面不断地在改变,但它的几何却是不变的,事关纸上两点在曲面上的距离,无论它是扁平或管状时,都没有改变。在这个例子中,纸张是可塑(但不是封闭)的。
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1813年,法国数学家奥古斯丁—路易·柯西(Augustin-Louis Cauchy)论证三维空间中的凸多面体具有“刚性”,即是非可塑的。多面体由若干个多边形接合而成。凸多面体即其表面每点皆向外突出,如一个充了气的足球。可是,凹的多面体,如泄了气的足球,原则上是可塑的。
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1977年,康奈利找到了第一个可塑的闭多面体,它由18个三角形作为面构成。每个三角形都是坚实不可拗弯的,但每一对相接的三角形的边就像铰链,可以向外或向内弯曲。就如前面例子中的纸张,多面体表面任何两点之间的最短距离,和这些三角形接边拗出或拗入无关。康奈利的多面体具可塑性,欧拉两个多世纪前的命题,数学家一直找不到的例子,终于给找出来了。其后康奈利和其他人更进一步,证明这些多面体虽然不断变形,体积却保持不变。
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这个多面体后来被称为康奈利球面。他带了一个模型到巴黎,凯珀很喜欢这个模型。不久之后,他和当时也在IHES的皮埃尔·德利涅(Pierre Deligne)修改了它,又得到另外一种可塑的、具有18个面的多面体。
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1760年代欧拉猜测所有多面体都具有刚性,但到了1970年中期,罗伯特·康奈利找到一个反例,即一个可塑的多面体。这类多面体必须是非凸的,并具有某些特殊的几何属性。这个建于IHES的“康奈利球面”建基于康奈利较早前的工作。其后,人们找到了更简单的可塑多面体。(感谢让—皮埃尔·布吉尼翁和IHES,图片引自康奈利和西蒙·格斯特的新书Frameworks, Tensegrities and Symmetry
:Understanding Stable Structures)
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在访问期间,凯珀邀请我、康奈利和美国数学家肯·里贝(Ken Ribet)一起去探访巴黎的艺术家,把康奈利的模型也拿上了。我们十分惊讶地发现,这些艺术家早就创造了可塑的多面体,并且制成了雕像。纵使并未正式学过几何,他们对几何具有极深刻的体会。艺术家和数学家的出发点大异其趣,方法截然不同,然而大家追求的都是美。恐怕创造美丽之物,或揭露大自然隐藏之美,乃是人类的通性,和职业与国籍并无关系。
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那次逛巴黎挑起我的兴趣,虽然IHES离巴黎三十多公里之遥,我尽可能往城里走走。一天晚上,我和一位在IHES的斯坦福研究生在巴黎溜达,我们打算去看一部叫《希特勒》的电影,怎料在街上碰到法国数学家伯纳德·圣多纳(Bernard Saint Dona),他建议我们和他一起去听歌剧。可是,那位研究生坚持要看电影。失望的圣多纳只能慨叹两个美国来的乡巴佬,竟为了看一部讲述疯子和暴君的电影,而放弃城中更高雅的表演艺术。不过也要辩解一下,我稍后也参观了不少出色的博物馆,而且以后每次到巴黎,也会这样做。
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下一站到了波恩,希策布鲁赫邀请我做报告。弗里德里希·希策布鲁赫是伟大的代数几何学家,我很钦佩他的工作,并从他的书《代数几何中的拓扑方法》中首次认识陈类。在波恩我还结识了斯特凡·希尔德布兰特(Stefan Hildebrandt)和威廉·克林根贝格(Wilhelm Klingenberg),他们后来都向我推荐过很出色的学生。我也有幸周游德国其他充满数学史迹的名城,德国是数学巨人高斯、黎曼、希尔伯特等人的家乡,它丰富的数学传统令人难忘。
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我从波恩乘火车到法兰克福,打算从那里再乘飞机到赫尔辛基,参加国际数学家大会。邻座是同样前往大会的日本数学家盐田彻治,途中我们交谈了颇长的时间,其中谈到汉字。盐田坚定认为汉字完全没有用,部分原因是它不能用于打字机。我则持反对意见。争辩虽然时而变得激烈,但始终没有过火。三十五年后在东京重遇盐田,喜见他终于改变了看法,承认汉字确是具有一定价值的了。
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1978年芬兰之旅,我受邀在国际数学家大会发表主题演说。除我之外,发表主题演说的还有拉斯·阿尔福斯(Lars Ahlfors)、罗伯特·朗兰兹(Robert Langlands)、罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)和安德雷·韦依。我当时只有二十九岁,是所有人中最年轻的。
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就在大会召开前几天,斯坦福那边传来可怕的消息,一个精神错乱的研究生西奥多·斯特莱尔斯基(Theodore Streleski),闯进了卡雷尔·德莱乌(Karel deLeeuw)教授的办公室,用锤子杀害了他。德莱乌是三个孩子的父亲,为人和善,他的办公室距我的只有两门之遥。他的被杀是个惨剧,与会者闻此莫不痛惜。大会还是如期举行,只是不免蒙上一层哀伤的气氛。
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我打算把主题演讲作为几何分析的导引,当时这科目仍未广为人知。我尝试解释它的理念及阐述其发展,指出非线性微分方程如何能应用于几何。但是一看见讲演厅这么大时,之前的准备就明显不足以应付了。我一直以为自己能在黑板前讲话,就像教书一般,但讲堂是如此之大,在黑板前讲话实在不行。斯坦福聘萧荫堂时我出了点力,他那时已鼎鼎有名,也要在会上做报告。在普林斯顿当研究生时,他曾替米尔诺的书准备奇点的图像。他拔刀相助,替我的演讲配了些图。
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