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1705578140 试想象,四维的时空如一条直线,向两端无限延伸。直线是没有厚度的,但如用放大镜去看却不然。它拥有一个额外的维数,那就是截面圆的直径,见上图。弦理论采取了相同“额外维”的观点,而且更进一步,见下图。仔细检视我们身处的四维时空,可见有一个六维的卡拉比—丘流形蜷缩在内。无论如何把线切开,皆可见其中深藏的卡拉比—丘流形,而所有这些流形都是一样的。(原图引自顾险峰和尹晓田)
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1705578142 卡拉比—丘这个名词是由坎德拉斯和他的合作者在三十年前率先叫起来的。搜索此词,相关的讯息有四十万条。更进一步,“卡拉比—丘”也是2001年一出话剧的剧名。而“卡拉比—丘空间”则是底特律乐队“多普勒效应”一张专辑的名字。意大利艺术家弗朗西斯科·马丁也有几幅作品,标题中含有“卡拉比—丘”这个词。伍迪·艾伦2003年在《纽约客》上发表的故事,里面提到一位女士的微笑,“向上弯形成卡拉比—丘的形状”。这名称如此普遍,有时也产生错觉,卡拉比是否也是我的名字?我并不介意,我钦佩卡拉比的创造能力,很荣幸能和他并称。卡拉比也说:“我很高兴我的名字和丘永远连在一起。”
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1705578144 有一个问题斯特鲁明格和威滕都觉得很重要,那就是有多少个卡拉比—丘空间。1984年斯特鲁明格就向我提出这个问题,他心中希望只有一个,那么一切都会变得顺利。当时我只知道有两个卡拉比—丘流形,过了不久又找到了几个。从建构这些流形的方法看,例子会有更多。我估计卡拉比—丘流形有上万个,不同的流形对应弦理论方程不同的解,并具有不同的拓扑结构。现在,我们知道,卡拉比—丘流形比我原先的想象还要多许多。我曾提出这样的猜想,就是六维(或复三维)的卡拉比—丘空间只有有限个(但数目也不少)。
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1705578146 回到1984年弦理论才刚刚起步时,当时斯特鲁明格对我的回答感到沮丧。从理论家的观点看,只要有一个或仅仅几个这样的流形,一切都会变得简单。1985年在伊利诺伊州的阿贡国家实验室召开了早期弦理论的主要会议,我在会上向大批物理学者宣布了这个消息,使大家的狂热冷却了一点。
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1705578148 这次会议中,所有弦理论的领军人物和其他领域的高手都来了。他们做报告,提交论文,其中包括戴维·格罗斯和赫拉尔杜斯·霍夫特(Gerard’t Hooft)两位未来的诺贝尔物理学奖的得主。上面提过的格林、施瓦茨和威滕也来了。我也提交了有关卡拉比—丘空几何的论文,题目很专业,叫《具零里奇曲率的紧三维凯勒流形》,题目中的凯勒流形是复流形,三维复流形的实维数等于6,符合弦理论的要求。
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1705578150 到阿贡开会之前,霍罗威茨、斯特鲁明格和威滕问我能否找到一个欧拉数为+6或—6的卡拉比—丘流形。欧拉数(或欧拉特征)是把拓扑空间分类的简易方法,它是个可正可负的整数,人们用它来测试两个拓扑空间是否等价。试看一个简单的例子,四面体或“三角形金字塔”含有四个三角形的面,它的欧拉数为2,即由面的数目(4)加上顶点的数目(4),然后减去棱边的数目(6)而成。
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1705578155 欧拉数或欧拉特征原来是用来分类多面体的,后来发现也可用来描述更复杂的拓扑空间(包括卡拉比—丘流形)。对多面体来说,欧拉特征由公式F+V—E给出,其中F为面的数目,V为顶点的数目,E为棱边的数目。用这简明的公式,即知正立方体的欧拉特征为6+8—12=2。四面体则为4+4—6=2。1750年欧拉首先发现所有凸多面体的欧拉特征皆等于2。
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1705578157 威滕说明了粒子类别的数目必须等于流形欧拉数绝对值的一半。因此,物理界的友人都希望能找到一个欧拉数为+6或—6的卡拉比—丘流形。一个欧拉数绝对值为6的流形,刚好能导致三大类粒子,这是现代物理的“标准模型”中的基本特征。
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1705578159 弦理论学者的宏图大计,首先是要说明如何从弦理论推导出物理学界众所周知的“标准模型”,然后始能更进一步。可是,坎德拉斯他们利用的卡拉比—丘流形只能导出四类粒子,虽然离三不远,但还不够。相差了一类是严重的偏差,就像在电影《小鬼当家》中,一个小孩给弄丢了,情况必须尽快解决。
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1705578161 出发前往阿贡之前,我没有时间考虑这个问题。在从圣迭戈飞往芝加哥途中,我在飞机上开始思考,到达奥黑尔国际机场前,就找到了一个欧拉数为—6的卡拉比—丘流形。我巴不得立刻把消息传开去,但在这样做之前必须先找人送我到会场。有个人上前和我打招呼,我以为他就是大会安排的司机。可是上车后才知道他从来未闻阿贡实验室,当然亦不知它在那里。四十多公里的路程,绕道而行,车资竟花了五十美元,而且已经是狠狠地杀了价。
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1705578163 我在这次会议上的讲话反响很好。我曾参加过很多科学上的集会,尤以这次的印象最为深刻。大会弥漫着一片激动的气氛,充满乐观的情绪。与会者对大会主题的专注亦使人难忘,他们不仅把自己的工作成果和大家分享,而且对于同一个主题,天大的主题,竭尽心力去破解它。媒体方面也派人来了,他们字字留心,大家都有这样的想法,科学研究到了一个万众期待的关键时刻,这将是场影响深远的会议。
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1705578165 要长久地保持这种激情是不可能的,可是弦理论的终极目标是如此恢宏,就算真的能完全实现,也要花上很多年的时间。理论刚开始时,大家都满怀希望,想要创造一套包罗万象的理论,可是迄今还未成功,亦可能永远不会完全成事。纵然如此,弦理论对物理和数学已有了许多意想不到的贡献,就算弦理论终究成不了大自然的终极理论,至少它是迈向这方向的一步。到了现在,这套理论已有许多有趣的结果,使人们赞叹不已。所以,就算到了最后,弦理论达不成人们原来对它的指望,我们也不能视之为失败,毕竟弦理论引发出来的数学发展可以说是划时代的。
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1705578167 而我个人,则带着雀跃的心情从阿贡实验室回到圣迭戈,急不可待地投入弦理论的研究。我请了一个物理学博士后布赖恩·哈特菲尔德(Brian Hatfield),他的博士论文和弦理论有关。那年我有十五个研究生,我跟他们讲述如何构造卡拉比—丘流形,那是在往芝加哥的飞机上想到的。学生田刚指出这方法能用来构造更多欧拉数为—6的流形,稍后确实也造出来了。不过,后来发现这些所谓新的流形,虽然看来非常不同,其实它们都可以由我找到的那个流形通过形变产生,因此它们和原来的流形在拓扑上是等价的。
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1705578169 卡拉比—丘流形既然对弦理论和数学大有用处,我便继续研究这些流形的诸般性质,更编辑了一本名为《弦理论的数学》的书。然而,正如在前面说过,我很少在同一时间只专注一事,弦理论并没有占据我全部的心思,我仍然希望在几何分析上多做点工作。事实上,弦理论中用上的卡拉比—丘流形便出自几何分析,我的“同伙”理察和汉密尔顿都在UCSD,大家一起在这方面努力。
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1705578171 理察和我继续合作,例如研究正纯量曲率流形的分类,还有紧流形的山边问题(Yamabe Problem)。理察努力攻克后面的课题,终于在1984年成功了,这是他的一项主要成就。1982年我们在高研院讲课,现在到了圣迭戈便继续下去。在这课上讲述的是我们原创的工作,其中包含尚未发表的想法。有时我们工作过了午夜,为的就是准备次日的课。
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1705578173 我们要找人好好做笔记,把课上的内容保存下来,以便最终整理成两本书:《微分几何讲义》和《调和映射讲义》,打算几年后出版。由于总希望帮助中国的学者来美国访问,让他们既能体验一下研究的气氛,同时又能挣点钱,我便向杨乐打听有无适当的人选。中科院有位姓许的研究人员毛遂自荐。为了这份差事,我付了超过一年的酬劳给他,后来才知犯了大错。许对数学虽然不算外行,却追不上我们的进度,很多时候听不明白,可他又不愿意向理察或我求教。有时,他会私底下问我的学生,但他们对他并不友好,或许觉得他年纪太大,又或许他们不愿花时间。
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1705578175 最后,他整理出来的讲义全无价值,这对理察和我是一大打击。我们并没有把所有东西记下来,到了发现许的讲义不能用时,要重新再做一次为时已晚了。
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1705578177 到了许要向中科院呈交进展报告时,事情变得更糟了。为了掩饰未能把工作做妥,他把报告变成对我的攻击,说我图谋反对陈先生,又说我想营结他所谓的“丘党”,专门和我的老师作对。其做法是如此拙劣,中科院的人都看出他无中生有。杨乐知道后非常意外,他把许的报告信件给我看了,并且对派遣他来一事道歉,不久许就回去了。
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1705578179 或是命中注定,时不时就遇上这类疯狂的事。幸好,上天做出补偿,我在UCSD工作开展得很顺利。一直以来,我都喜欢理察在我身边一起工作,我们的兴趣和思想方式都很合拍,合作非常成功,他是我最好的合作者。弗里德曼不久前才完成有关四维庞加莱猜想的著名论文,他有时也参与讨论,带来新鲜感和独到的见解。
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1705578181 汉密尔顿的办公室就在我的旁边,我们常常聊天,这样的安排可真不错。我们谈到了一年多前我和李伟光的工作,那叫李—丘不等式。伟光和我研究了一条和几何流有关的方程,它描述热或其他变量在曲面上随着时间变化的传播。我告诉汉密尔顿,“李—丘估计”可以用来研究里奇流中可能形成的奇点,奇点就是在空间某处挤压成的尖刺或折叠,更重要的是,它可以用来把奇点光滑化。我说服他这方法对于求解三维的庞加莱猜想或许是关键的一步。不过,要用上李—丘不等式,先要把它推广到更复杂、更非线性的里奇流上去。
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1705578183 汉密尔顿花了差不多六年时间才把工作完成了,这是求解庞加莱猜想道路上关键的一步。我的好几位学生,包括曹怀东和周培能,都跟随汉密尔顿研究里奇流中的问题。
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