当前位置: 首页 > 人物传记 > 我的几何人生:丘成桐自传(46)

我的几何人生:丘成桐自传(46)

作者:丘成桐, 史蒂夫•纳迪斯

友云仍然在洛杉矶的TRW工作,湾区那边并无合心意的职位,因此决定眼下不做大的变动。我留在斯坦福,只是回到伯克利当一年的访问教授,那是1977年到1978年的事了。母亲和我留在伯克利,友云和她父母则留在洛杉矶。郑绍远用他的斯隆奖学金来了伯克利,而孙理察则刚从斯坦福拿了博士,也到伯克利当讲师来了。如此一来,合该有运,我最亲密的工作伙伴都聚在一起了。

稍后我也开始跟李伟光合作。他也是陈先生的弟子,来自香港的富家子,开一部有型的阿尔法·罗密欧。陈先生让他开车送我四处去,好使我开心。米克斯也从巴西来了,说要和我工作好几个星期。他常常来我家吃饭,理察也是如此。母亲煮得一手好菜,在下的厨艺则尚待磨炼。

有一晚,我邀请了某些大佬过来吃饭,其中就有斯蒂芬·斯梅尔(StephenSmale),他十年前因证明了高维的庞加莱猜想而拿了菲尔兹奖。仍在系里访问的辛格来了。理察来了。米克斯也出现了,还带上一位刚认识的赤脚女士。他对带上一位不请自来的客人若无其事,丝毫不感尴尬,正说明了加州人跟东岸人的差异,这种情况在比较拘谨和贵族化的哈佛永远不会发生。母亲有时会为这些唐突的行为弄得不知所措,但到了最后,却能处之泰然,不让菜品的品质丝毫受损。

1977年深秋的一天傍晚,理察和我从伯克利的办公室回家吃饭,在途中我们对正质量猜想有了新想法。前面已经说过,正质量猜想是我1973年在斯坦福的一个会议上,从罗伯特·杰勒西的演讲那儿知道的,它是爱因斯坦想要解决的重要问题。这个猜想断言在一个孤立的引力系统,包括我们见到的星云,总质量或总能量必须是正的。很多包括杰勒西在内的物理学家对这命题深信不疑,故此他向几何学者下战书,挑战他们能否证明这个广义相对论中的老问题。

另一方面,有些几何学者如格罗莫夫却极力辩称,正质量猜想在最一般的情况下不可能成立。我可不会这么容易相信这些反话,就此罢手,我认为此中大有可为,且亦隐隐约约知道如何做。

在广义相对论中,人们研究时空中每一点(粗略而言,宇宙中每一点)的曲率,这是一套高度非线性的理论。我们想要证明的,说到底就是时空中每一点的物质密度都是正的时候,它的总能量也是正的。理察和我都觉得几何分析中的非线性方法,尤其是来自极小曲面的技巧,能对解决这猜想有所帮助。这些方法从来没有应用到这问题上,原因一点也不稀奇。正质量猜想跟最小曲面乍一看毫无共通之处,但我们有一种预感,依稀觉得后者正是解决猜想有效的解析工具。

碰过一些钉子后,我们归结出包含两步的方案:首先证明一个时空的纯量曲率点点为正时,它的总质量必为正;其次是构造一个纯量曲率点点为正的时空,它的质量和我们的宇宙一样。把这两者结合起来,即可知这新构造的时空具有正的总质量,是以我们所处的星云系统,质量也是正的。

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。

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(StanleyDeser)和拉里·斯马特(LarrySmart)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。

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。