(a)置于车胎/甜甜圈上三个不同的回路(闭曲线)。只有右面的小回路能在车胎上缩成一点,所以车胎是“不连通”的。
(b)围绕在车胎外圈的回路,由于中间的洞,并不能缩成一点。
(c)这回路也不能缩成一点,除非把它切开,即改变了它的拓扑。
我只是扮演了辅助性的角色。理查德·汉密尔顿声言佩雷尔曼“因里奇流获奖(菲尔兹奖),然而对建立整个里奇流的计划而言,没有人像丘的贡献那么大”。这话太客气了。没有人比汉密尔顿有更大的贡献才对。是他创造了整个方法,打下了基础,佩雷尔曼据此前进一步。我的贡献只是帮助汉密尔顿发展这个方法,因为打从一开始,我便看到它辉煌的前景。
里奇流(见第七章)差不多是汉密尔顿一手一脚发展出来的。这种方法基于微分方程而非标准的拓扑方法,是热方程的一种几何形式。比如你用火枪喷射一块金属板,板上的喷射点很快就会变得很热。接着热便会逐渐从那小地方扩散开去,直到整块板达到热平衡,板上每点的温度都一样。
里奇流是个类似的平均化过程。有别于使热均匀地分布,它把在几何空间中凹凸状物和不规则的东西都变得光滑。曲率大的区域的曲率逐渐变小,最后整体的曲率就变得均匀如球面了,而球面就是曲率为正常数的曲面。不过,有些凸状物比较顽固,不容易被熨平。恰恰相反,会出现尖刺和折叠,数学上称之为“奇点”,需要特殊的处理,我们会在下面讨论。
汉密尔顿是在1980年代初着手从事这个计划的。我和他定期见面,讨论在研究当中迫切要解决的问题,提供意见,并指出相关的结果,包括我和李伟光早前完成的工作。总的来说,我会尽全力支持和激励他。我亦送了好几个学生去跟他学习和合作,希望能对这个以十年为期的大计有所贡献。打从1980年代起,我就跟汉密尔顿说,里奇流可能是破解庞加莱猜想的关键。也许不是只有我才看出这关系,又或者这个见解已再明显不过,但朗声说出来,汉密尔顿还是大受鼓舞。我指出,在流动过程中可能出现奇点,了解它们的数目和形状,是研究里奇流最大的挑战。
在此研究中牵涉到的数学是复杂的微分方程,那是十分麻烦的,熟悉这方面的专家十分少。不过,其中的策略可以用比较直接的讲法来说明:先取一颇为圆的物体,将之放在里奇流内,看看在将曲率平均化的过程中,可否变成球面。而对一般的三维曲面,尤其是非常不规则的,在这个平均化的过程中或会出现钉状物即奇点,它们大部分都可以被拿掉,即利用如约翰·米尔诺引入的割补手术法等方法除去。只要这些步骤能在有限次内完成,就是行之有效的做法。
但有一种奇点即像雪茄一般的凸状物,却不能用割补的方法除去。在里奇流流动的过程中,曲率一般而言在平均化,但在这些突触中却会不受控制地变大。汉密尔顿指出,所谓“雪茄”的出现,乃是证明庞加莱猜想最大的障碍。它们的出现,意味着利用里奇流不可能达至均匀态的几何,即空间等价于球面。
但从另一方面看,或可证明这些难缠的“雪茄”根本不会出现,那么问题便会迎刃而解了。事实上,1996年时汉密尔顿已证明,假若“雪茄”不会生成,而且一般的割补方法又适用时,庞加莱猜想的正确性便成立了。我向他提议,处理这些奇点,证明它们不存在的方法,或在于早年我和李伟光研究热方程时,发展出来的一条有力的不等式。他同意了我的见解,并立即着手利用此法。多年后,在我的协助下,他把李—丘不等式推广到张量的情形,成为包含曲率张量的不等式,足以用于庞加莱猜想的证明。
在里奇流下,凹凸不平的三维流形,其曲率会变得更光滑和更平均。数学家忧虑的是情况会不会出错,尤其是流形会否拉长出现“奇点”,其中连接两圆端的颈部变细而趋于折断。
1996年,在哈佛数学系一次系务会中,我跟同事说汉密尔顿正向庞加莱猜想和几何化猜想进军,他到哈佛来会对此有帮助,而且对大学也有利。于是从1997年秋开始,汉密尔顿来哈佛当了一年的访问教授。我们定时交流,其后不断交换想法。他暑假会跑到夏威夷去,我也去了几趟。我们不谈里奇流时,他就跑到太平洋冲浪,享受洋流。而我则在海滩休息,当然没那么激烈危险啦。