丘成桐：人類(lèi)生活在十維宇宙里

“人類(lèi)生活在十維的宇宙中?！?/p>

這可不是什么《三體》看上頭后的狂言，而是出自丘成桐之口。

這位數學(xué)最高獎——菲爾茲獎首位華人得主，曾在公開(kāi)演講中談到：

人類(lèi)生活在十維的宇宙中，但只有四維時(shí)空可見(jiàn)，剩下的六維空間蜷縮在一個(gè)幾何結構特異的空間中。

沒(méi)想到，這個(gè)看上去玄乎又難以理解的概念，會(huì )被世界級數學(xué)家肯定。

但實(shí)際上，弦論的支持者們始終認為平行宇宙必定具有十個(gè)維度，并一直力求證明其存在。

對，就是Sheldon癡迷的那個(gè)弦論。

而更讓人意想不到的是，正是丘成桐27歲時(shí)的成名之作，成為了弦論學(xué)者篤信十維空間的關(guān)鍵論據之一。

1985年，物理學(xué)家坎德拉斯、霍洛維茨等人合著(zhù)論文《超弦的真空結構》指出，多出來(lái)的六個(gè)維度，必須隱藏于卡拉比-丘流形之中。

事情還要從愛(ài)因斯坦的廣義相對論說(shuō)起。

基于黎曼幾何這種包含彎曲空間的幾何學(xué)，愛(ài)因斯坦成功把重力理論和狹義相對論統一了起來(lái)，完成了著(zhù)名的廣義相對論。

也就是說(shuō)，廣義相對論這顆明星，正是幾何學(xué)和物理學(xué)的一個(gè)閃亮交點(diǎn)。

愛(ài)因斯坦本人就這樣解釋道：

這套理論指出重力場(chǎng)由物質(zhì)的分布決定，并隨之而演化，正如黎曼所猜測的那樣，空間并不是絕對的，它的結構與物理不能分割。我們宇宙的幾何絕不像歐氏幾何那樣孤立自足。

這顆明星，自然而然吸引了專(zhuān)注于幾何學(xué)的青年丘成桐的注意。

上世紀70年代，在研究愛(ài)因斯坦方程組時(shí)，丘成桐開(kāi)始思考一個(gè)問(wèn)題：

能否找到一個(gè)真空，即沒(méi)有物質(zhì)的時(shí)空，但其曲率并不平凡，即其重力非零。

并且這個(gè)時(shí)空光滑不帶奇點(diǎn)，是緊致而封閉的。

其實(shí)，這就是幾何學(xué)家卡拉比在1954年提出的卡拉比猜想：在封閉的空間，有無(wú)可能存在沒(méi)有物質(zhì)分布的引力場(chǎng)？

卡拉比猜想不僅指出封閉而具有重力的真空存在，而且還給出了系統地大量構造這類(lèi)空間的途徑。

但在這一猜想提出的22年間，包括卡拉比自己在內，沒(méi)有人能夠證明它是否正確。

直到1976年，時(shí)年27歲的丘成桐一舉實(shí)現突破，證明卡拉比猜想成立，自此名動(dòng)世界。

這一成果讓他在1982年成為數學(xué)界最高獎菲爾茲獎首位華人得主。

也正是卡拉比猜想的證明，帶來(lái)了“超弦理論的基石”——卡拉比-丘流形。

具體而言，丘成桐在證明猜想的過(guò)程中，構建出了不帶物質(zhì)的凱勒流形。也就是卡拉比-丘流形（又稱(chēng)卡拉比-丘空間）。

1984年，丘成桐接到了物理學(xué)家加里·霍洛維茨（Gary Horowitz）和安迪·斯特魯明格（Andy Strominger）的電話(huà)。

他們兩人都是弦論的支持者。這里所說(shuō)的弦論指的是“超弦理論”，其基本假設包括，所有基本粒子都是由不斷振動(dòng)的弦線(xiàn)組成，時(shí)空具有超對稱(chēng)性，并且是十維的。

他們告訴丘成桐，他們正在研究三維空間和時(shí)間之外，弦論中另外六個(gè)維度存在的形式。

具體而言，他們需要找到一種具有超對稱(chēng)性的流形，并且根據弦理論，這個(gè)流形不帶任何物質(zhì)分布，是真空的。

丘成桐回復說(shuō)：

這些流形（卡拉比-丘流形）在維數等于6時(shí)，確實(shí)能滿(mǎn)足弦理論的要求。

次年，霍洛維茨、斯特魯明格，以及另外兩位物理學(xué)家坎德拉斯（Philip Candelas）和威滕（Edward Witten）合作發(fā)表了論文《超弦的真空結構》。

這篇文章指出，多出來(lái)的六個(gè)維度，必須隱藏于卡拉比-丘流形之中。此六維獨立于四維時(shí)空的每一個(gè)點(diǎn)。

更重要的是，如丘成桐本人所說(shuō)：

（弦論）進(jìn)一步指出卡拉比-丘空間的幾何，決定了這個(gè)宇宙的性質(zhì)和物理定律。

哪種粒子能夠存在，質(zhì)量是多少，它們如何相互作用，甚至自然界的一些常數，都取決于卡拉比-丘空間。

物理學(xué)家布萊恩·格林（Brian Greene）也說(shuō)：

宇宙的密碼，也許就刻在卡拉比-丘空間的幾何之中。

鮮為人知的是，丘成桐最初了解到卡拉比猜想時(shí)，是想證明其所描述的空間并不存在。

理由很簡(jiǎn)單：

這個(gè)猜想不僅指出封閉而具有重力的真空的存在性，還給出系統地大量構造這類(lèi)空間的途徑，大家都認為世間哪有這樣便宜的東西可撿！

當時(shí)，不少幾何學(xué)家都在質(zhì)疑卡拉比猜想的，不過(guò)還沒(méi)有人能給出反例。

根據猜想定義，一個(gè)第一陳類(lèi)為0的緊致n維凱勒流形上應該有一個(gè)里奇平坦的度量。

只要找出一個(gè)這樣的流形上，不存在里奇平坦度量，猜想即可被推翻。

丘成桐花了差不多3年時(shí)間，來(lái)找尋這種反例。

1973年，他終于得出了成果，并在出席國際幾何會(huì )議期間，將此消息告訴了幾位朋友。

消息一下子傳了開(kāi)來(lái)，引發(fā)圈內震動(dòng)，以至于他被要求在當天晚上對自己的成果另作報告。

丘成桐回憶，那晚有三十多位幾何學(xué)家聚在數學(xué)大樓的三樓，其中包括卡拉比、陳省身和其他知名學(xué)者。

他把自己如何構造出這一反例說(shuō)了一遍，大家似乎都非常滿(mǎn)意，卡拉比本人甚至還為這一構造給出了一個(gè)解釋。

陳省身則在大會(huì )閉幕時(shí)拉著(zhù)丘成桐說(shuō)，這個(gè)反例或許可被視為整個(gè)大會(huì )最好的成果。

要知道，卡拉比猜想中涉及到的“陳類(lèi)”概念，便是因陳省身而得名。

丘成桐描述自己當時(shí)的心情：“既意外，又感到興奮不已?！?/p>△陳省身與丘成桐

但反轉卻來(lái)得很快。

僅僅過(guò)去兩個(gè)月后，卡拉比致信丘成桐，希望他能為自己解釋反例中一些沒(méi)有弄清楚的問(wèn)題。

看到這封信，丘成桐馬上明白，自己出錯了。

在他的自述中提到，自此之后兩個(gè)星期，他不眠不休，希望能重新構造一個(gè)反例。

身心差不多要垮掉。

可是真理總愛(ài)捉弄人，每當他似乎找到一個(gè)理想中的反例時(shí)，總是瞬間有推翻它的理由出現。

如此經(jīng)歷數次后，丘成桐選擇180度調轉研究方向，開(kāi)始證明卡拉比猜想。

終于在1976年，卡拉比-丘空間和世人見(jiàn)面，轟動(dòng)數學(xué)界，并為之后超弦理論的物理應用、“超弦熱”奠定了數學(xué)基礎。

而順著(zhù)這條研究路線(xiàn)，丘成桐之后還進(jìn)一步論證了鏡像對稱(chēng)猜想。

鏡對稱(chēng)是指兩個(gè)具有不同拓撲的卡拉比-丘空間，看起來(lái)甚至沒(méi)什么共通點(diǎn)，但卻擁有相同的物理定律。

最初是物理學(xué)家菲利普·坎德拉斯等人發(fā)現了這一問(wèn)題，并從物理角度證明鏡像對稱(chēng)可用于計算卡拉比-丘空間上有理曲線(xiàn)的數目。

丘成桐形容，鏡對稱(chēng)是對偶性的一個(gè)重要例子。

它就像一面窗，讓我們窺見(jiàn)卡拉比-丘流形的隱秘。

實(shí)際上，很多在卡拉比-丘空間上要解決的難題，如果放到鏡像上考慮，問(wèn)題往往迎刃而解。

1996年，丘成桐和前文提到的斯特魯明格，以及埃里克·扎斯洛（Eric Zaslow）共同提出SYZ猜想，這是理解鏡對稱(chēng)猜想的一次嘗試。

SYZ猜想提出，六維卡拉比-丘空間本質(zhì)上可以分成兩個(gè)三維空間，其中之一是三維環(huán)面。如果模仿把半徑 r 變成 1/r 的操作，把這些三維環(huán)面“翻轉”，并與另一個(gè)三維空間結合起來(lái)，就會(huì )得到原卡拉比-丘空間的鏡伴。

緊接著(zhù)1997年，丘成桐和連文豪、劉克峰合作（與Givental同時(shí)），用局部化技巧完全證明關(guān)于卡拉比-丘空間上有理曲線(xiàn)計數的鏡猜想。

值得一提的是，其中連文豪是美國布蘭迪斯大學(xué)教授，于2013年獲陳省身獎。

劉克峰曾于1998年獲得斯隆獎。

正是他與丘成桐一起，發(fā)起創(chuàng )建了丘成桐數學(xué)英才班、創(chuàng )辦丘成桐中學(xué)數學(xué)論文獎和丘成桐大學(xué)生數學(xué)競賽。

他現任美國加州大學(xué)洛杉磯分校數學(xué)系教授、浙江大學(xué)數學(xué)中心執行主任。

在丘成桐的自傳中曾提到，由于卡拉比-丘空間流傳甚廣，甚至他自己有時(shí)都會(huì )產(chǎn)生錯覺(jué)：

卡拉比是否也是我的名字？

的確，從坎德拉斯等人在30年前將卡拉比-丘連接起來(lái)后，這個(gè)組合詞的意義有時(shí)已經(jīng)超出了數學(xué)物理范圍。

比如伍迪·艾倫2003年在《紐約客》上發(fā)表的故事，里面提到一位女士的微笑，“向上彎成卡拉比-丘的形狀”。

對此，丘成桐并不介意“卡拉比”是否會(huì )被混淆為他的名字。他覺(jué)得，很榮幸能和卡拉比一起并稱(chēng)。

而另一位主人公卡拉比也曾說(shuō)道：

我很高興我的名字和丘永遠連在一起。