在具有正曲率的曲面如球面,其上的三角形内角和大于180°,而平行线如两条经线会相交于两极。在欧氏几何考虑的平面(曲率为0)上,三角形的内角和等于180°,平行线永不相交。在具有负曲率的曲面如马鞍,其上的三角形的内角和小于180°,而平行线会散开,永不相交。(原图引自顾险峰和尹晓田)
普雷斯曼考虑在负曲率空间上面的两条封闭的回路(loop),所谓回路即指从某一定点出发,沿着一条途径行进,最后回到原来的点,这样便形成一回路,称之为回路A。把另外一条类似的,从同样定点出发和完结的回路称为回路B。普雷斯曼证明在这类空间中,先行回路A再行回路B,和先行回路B然后行回路A,两种在拓扑的意义下是不同的,唯一的例外是回路A跟B重合,即所谓“显而易见”的情况。
我把普雷斯曼的结果推广到具有“非负”曲率的空间上去,这类空间包含负曲率空间和零曲率空间。要对非负曲率空间证明这结果,我们必须利用群论。所谓群,其定义不难了解。群是一个集合,里面包含了若干元素。元素中有一个叫单位元(如1),而任一元素(如x)必对应有一逆元(如1/x),在群上还有些运算(如乘法)和某些规则。
眼前我们面对的群含有无限个元素,当时(甚至到了今天)人们对它的了解并不多。可是,我在米尔诺另外一篇重要文章中看过有关内容,亦记起在崇基书院时和罗纳德·弗朗西斯·特纳—史密斯(RonaldFrancisTurner-Smith)教授的一次对话。当时我问他在伦敦大学时研究什么东西,他提过无限阶群的名字。我记不起他说过什么了,但他提及伊塞·舒尔(IssaiSchur)和理查德·布劳尔(RichardBrauer)的一篇旧文,似乎跟摆在面前的问题有关。我花了一整天查阅旧学报,果然找到了两人合著的论文,而这正是我要用的结果。当特纳—史密斯提到此文时,我对群论的兴趣还不大,但如果没有这次对话,我也不会找到它,这文章的确帮了我一把。
这个故事的教训,愚意以为,在于随意的交谈或许有意想不到的重要作用。姑勿论在讲课、讲座或下午茶的场合,有时你只需记得别人说过的片言只字。这次,随口的一句,竟印记在脑海,最后帮我完成了人生第一个有意义的证明。
我得到的结果,不能说是惊天动地,但我喜欢它,理由就如喜欢普雷斯曼的定理一样,两者都说明了空间的拓扑(概括的形状)如何影响或约束空间的几何(精确的形状)。这便是我持续追寻的路子,同时也是一条成功的康庄大道;不只对我如是,对其他研究拓扑和几何的人亦复如是。
我重复检视这个证明,直至自己也受不了为止。小心地推敲再推敲每一步,论证看来无懈可击。我正在修劳森的几何课,因此学校假期结束后,便跟他说了。他也认为这证明没有问题,而我俩更进一步证明了一些跟普雷斯曼和我的定理约略相关的东西。我们指出如何利用拓扑来判定,一个非负曲率的空间在什么时候能表达为两个空间之“积”,或某种组合。
劳森很想把论文投出去,于是把两篇论文都寄到《数学年刊》去了,很多人认为这是美国的顶尖学报。由于我的证明是在圣诞假期做出来的,其他人无从知悉,稍后才知道那是乔·沃尔夫(JoeWolf)的猜想。沃尔夫师从陈省身,也在伯克利,只不过当时在放年假。我知道沃尔夫的名字好久了,虽然还未亲见其人,但读过他的《常曲率空间》一书,非常欣赏。
更凑巧的是,劳森和我证明的东西,亦在较早时为沃尔夫和他的同事德特勒夫·格罗莫尔(DetlefGromoll)独立地证明了,不过他们的文章尚未发表。当我们见到沃尔夫时,他对我们做了类似的工作毫不惊讶;而看到我们的工作同时被其他人做出来了,劳森和我都不禁失望。只是当时在开始研究时,我并不知道沃尔夫和格罗莫尔的工作。
陈先生看到他招回伯克利的小子,竟能在第一个学期中便做出有意义的工作,不禁松了一口气,看来数学系这一注码是押对了。我也很开心。虽然这不是什么重大的成就,但也给数学添了新成果。
《数学年刊》接受了我的论文,但拒绝了劳森和我两人合作的那一篇,劳森颇为失望。他拿了博士不过两年,感到资浅的博士要和有地位的学者一起竞争,在顶尖的学报上发表论文难如登天。后来我们把它成功转投《微分几何学报》,我想陈先生或者曾在其间美言了几句,那自然很有帮助了。