作者:王丹红 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2011-8-18 17:33:31
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著名数学家弗里曼·戴森的演讲译文:鸟和青蛙
作者:弗里曼·戴森 翻译:王丹红
 
艾布拉姆•贝塞克维奇和赫尔曼•外尔
 
现在,我介绍我所知道的几位著名的鸟和青蛙。
 
1941年,我作为一名学生来到英国剑桥大学,极其幸运地受教于俄罗斯数学家艾伯拉姆•萨莫罗维奇•伯西柯维奇(Abram Samoilovich Besicovitch)。时值第二次世界大战,剑桥只有很少的学生,几乎没有研究生。尽管当时我只有17岁,而伯西柯维奇已是一位著名教授,但是,他给了我相当多的时间和关注,我们成为终身朋友。在我开始从事和思考数学时,他塑造了我的性格。他在测量理论和积分方面上了许多精彩的课程,在我们因他大胆地滥用英语而哈哈大笑时,他只是亲切地笑笑。我记得仅有一次,他被我们之间的玩笑惹怒。在沉默了一会后,他说:“先生们,有5000万英国人讲你们所讲的英文。有1.5亿俄罗斯人讲我所讲的英文。”
 
伯西柯维奇是一只青蛙,年轻时,因解决一个名为挂谷问题(Kakeya Problem)的初等本平面几何问题而出名。挂谷问题是这样描述的:让一条长度为1的线段按360度的角度在一个平面上自由转动,这条线扫过的最小面积是多少?日本数学家挂谷宗一(Soichi Kakeya)在1917年提出这个问题,并成为之后十年内未解决的著名问题。当时,美国数学界领袖乔治•伯克霍夫(George Birkhoff)公开声称,挂谷问题和四色问题是最著名的未解决问题。数学家们普遍相信,最小的面积应该是π/8,即棒在三尖点内摆线的面积(three-cusped hypocycloid)。三尖点内摆线是一条优美的三尖点曲线,它是一个半径为四分之一的小圆圈在一个半径为四分之三的定圆内滑动时,动圆圆周上的一个点所绘制的轨迹。长度为1的线段在旋转时始终与内摆线相切,它的两端也在内摆线上。一条线段在旋转时与内摆线的三个点相切,这是一幅多么优美的画,绝大多数人相信它一定给出了最小面积。然后,伯西柯维奇给了大家一个惊喜:他证明,对任何正∈(positive ∈)来说,这一线段在旋转时所扫过的面积小于∈。
 
实际上,在挂谷问题成为著名问题之前,伯西柯维奇已经在1920年解决了这个问题,但在当时,伯西柯维奇本人甚至不知道挂谷提出了这个问题。1920年,他将解决方案用俄文发表在《彼尔姆物理和数学学会期刊》(Journal of the Perm Physics and Mathematics Society)上,这是一份不被广泛阅读的期刊。彼尔姆大学位于距离莫斯科东面1100公里的彼尔姆城,在俄罗斯革命之后,这个城市成为许多著名数学家的短暂避难所。他们出版了两期《彼尔姆物理和数学学会期刊》,之后,期刊便在革命和内战的混乱中停刊了。在俄罗斯之外,这份期刊不仅不为人知,而且不可获取。1925年,伯西柯维奇离开俄罗斯,来到哥本哈根,并在这里获知到他已经在5年前解决的著名挂谷问题。他将解决方案重新出版,这一次,论文用英文发表在德国著名的《数学期刊》(Mathematische Zeitschrift)上。正如伯西柯维奇所说,挂谷问题是一个典型的青蛙问题,一个与数学的其它方面没有太多联系的具体问题。伯西柯维奇给出了一个优雅、深刻的解决方案,揭示出它与平面中点集结构的一般定理之间的联系。
 
伯西柯维奇的风格体现在他的三篇最好的经典文章中,这些文章的标题是:“平面点集之线性可测量的基本几何性质”(On the fundamental geometric properties),它们分别发表在1928年、1938年和1939年的《数学年鉴》(Mathematische Annalen)上。在这些论文中,他证明:平面上的每个线性可测量集可被分解为有规则和无规则的分支,规则分支在每个地方几乎都有一个切线,而无规律分支都有一个零测量投射向几乎所有方向。简而言之,规则分支看起来像连续曲线,而无规则分支看起来不像连续曲线。无规则分支的存在和性质与挂谷问题的伯西柯维奇解有联系。他给我的工作之一是,在高维空间中将可测量集分为规则分支组件和无规则分支。虽然我在这个问题上一事无成,却永远被烙上了伯西柯维奇风格。伯西柯维奇风格是建筑学风格。他用简单元素建造出精美、复杂的建筑结构,通常情况下有层次计划;当大厦建成时,通过简单的论证就可从完整结构中推导出意外的结论。伯西柯维奇的每项工作都是一件艺术品,像巴赫的赋格曲一样精心构成。
 
在跟随伯西柯维奇做了几年的学生后,我来到美国普林斯顿,认识了赫尔曼•外尔(Hermann Weyl)。外尔是一只典型的鸟,正如伯西柯维奇是一只典型的青蛙。幸运的是,在外尔退休回到位于苏黎世的老家之前,我在普林斯顿高等研究所与他有一年的相处时间。他喜欢我,因为在这一年间,我在《数学年鉴》(Annals of Mathematics)上发表了有关数论的论文,在《物理评论》(Physics Review)上发表了量子辐射理论的论文。他是当时活在世上的少数几位同时精通这两领域的专家之一。他欢迎我到普林斯顿研究所,希望我像他一样成为一只鸟。他失望了,我始终是一只固执的青蛙。尽管我总是在各种各样的泥洞附近闲逛,我一次只能关注一个问题,没有寻找问题之间的联系。对我而言,数论和量子理论是拥有各自美丽的两个世界。我不像外尔一样去发现构建大设计的线索。
 
外尔对量子辐射理论的伟大贡献是他发明了规范场。规范场的想法有一段奇特历史。1918年,在他统一广义相对论和电磁学的理论中,他作为古典场论发明了它们,并称之为“规范场”,因为它们关系到长度测量的不可积分性。他的统一理论立即遭到爱因斯坦的公开拒绝,经历了这个来自高层的霹雳之后,外尔并没有放弃他的理论,只是进入别的领域。这个的理论没有可验证的实验结果。1929年,在量子理论被其他人发明后,外尔意识到与经典世界相比,他的规范场论更适合于量子世界,而他将经典场论转化为量子场论所做的事,就是将实数转化为复数。在量子力学中,每个电荷的量子伴随一个有相位的复杂波函数,并且规范场涉及相位测量的不可积分性有关。规范场可以精确地与电磁势等同,电荷守恒定律成为局部规范不变性理论的推论。
 
从普林斯顿回到苏黎世4年后,外尔去世了,我应《自然》之邀为他撰写讣告。“在20世纪开始从事其数学生涯的所有活着的数学家中,”我写道,“赫尔曼•怀尔是在最多的不同领域做出了重大贡献的人物之一。他堪与19世纪最伟大的全能数学家希尔伯特和庞加莱相提并论。活着的时候,他生动地体现了纯数学与理论物理前沿的联系。现在,他去世了,这种联系中断了,我们期望直接借助于创造性的数学想象来理解物质世界的时代结束了。”我哀伤于他的逝世,但我并不希望追随他的梦想。我高兴地看到纯数学和物理学在向截然相反的方向前进。
 
讣告以外尔为人的概述结束:“外尔的性格是一种审美感,这主导了他对所有问题的思考。有一次,他曾半开玩笑地对我说,‘我的工作总是努力将真与美统一起来;但是,如果只能选择其中之一,那么我选择美。’这段话是对他个性的完美概括,表明他对自然终极和谐的深刻信念,自然的规律必将以数学美的形式呈现出来。这表明他对人类弱点的认识,他的幽默总会让他不至于显得傲慢自大。他在普林斯顿的朋友还记得我最后一次见他的模样:那是去年四月在普林斯顿高等研究院举行的春之舞会上:一个高大、和蔼、快乐的人,尽情地自我享受,他明朗的身架和轻快的步伐让人一点看不出他已经69岁。”
 
外尔逝世后的五十年是实验物理和观察天文学的黄金时代,也培根学派旅行者收集事实、青蛙们在我们生存的小片沼泽地上探索的黄金时代。在这50年中,青蛙们积累了大量的有关宇宙结构、众多粒子和其间相互作用的详尽知识。在持续探索新领域的同时,宇宙变得越来越复杂。不再是展现外尔数学简洁和美丽的大设计 ,探索者发现了夸克和伽玛射线爆等奇异事件,以及超对称和多重宇宙等新奇概念。与此同时,在持续探索混沌和许多被电子计算机打开的新领域时,数学在变得越来越复杂。数学家发现了可计算性的中心谜团,这个猜想表示为P不等于NP。这个猜想声称:存在这样的数学问题,它的个案可以被很快解决,但没有适用于所有情形的快速算法可解决所有问题。这个问题中最著名的例子是旅行销售员问题,即在知道每两个城市之间距离的前提下,寻找这位销售员在这一系列城市间旅行的最短路径。所有的专家都相信这是猜想是正确的,旅行销售员的问题是P不等于NP的实际问题。但没有人知道证明这一问题的一点线索。在赫尔曼•外尔19世纪的数学世界中,这个谜团甚至还没有形成。
 
杨振宁和尤里•曼宁
 
对鸟们来说,最近五十年是艰难时光。然而,即使在艰难时代,也有事情等着鸟们去做,他们勇敢地去解决这些事情。在赫尔曼•外尔离开普林斯顿后不久,杨振宁(Frank Yang)从芝加哥来到普林斯顿,搬进了外尔的旧居,在我这一代的物理学家中,他接替外尔的位置成为一只领头鸟。在外尔还活着时,杨振宁和他的学生罗伯特•米尔斯(Robert Mills)发现了非阿贝尔规范场(non-Abelian gauge fields)的杨—米尔斯理论,这是外尔规范场思想的一个漂亮外推。外尔的规范场是一个经典数量,满足了乘法交换定律。杨-米尔斯理论有一个不交换的三重规范场(triplet of gauge fields)。它们满足量子力学自旋三分量的交换法则,这是最简单的非阿贝尔躺代数A2(non-abelian lie algebra A2)的生成子。这个理论后来如此普遍,以至规范场论成为任何有限元李代数的生成子。有了这种普遍性,杨—米尔斯规范场理论为所有已知粒子和其相互作用提供了一个模型框架,这个模型就是今天粒子物理学的标准模型。通过证明爱因斯坦的重力场论适合于同样的框架,以克里斯托夫三指标符号规取代范场的作用,杨振宁为这个理论上写下点睛之笔。
 
在他1918年一篇论文的附录里,加上1955年为庆祝他70岁生日而出版的论文选集中,外尔阐述了他对规范场理论的最后想法(这是我的翻译):“对我的理论最强有力的辩护应该是:规范场不变性与电荷守恒相关,正如坐标不变性与能量动量守恒的相关性。”30年后,杨振宁来到瑞士苏黎世,参加外尔百岁诞辰庆典。杨振宁在演讲中引用这段话,作为外尔提出将规范场不变性作为物理学统一原理的思想证据。杨振宁继续说:“通过理论和实验的发展,今天我们已经认识到:对称性、李群和规范场不变性在确定物质世界的基本作用力中发挥了至关重要的作用。我将之称为对称支配相互作用基本原理。”对称支配相互作用的观点,是杨振宁对外尔言论的概括。外尔发现规范场不变性与物质守恒定律有密切关系。但他只能走这一步,不能走得太远,因为他只知道可交换为阿贝尔域的规范场不变性。借助于非阿贝尔规范场产生的非平凡李代数,场之间形成的相互作用变得独特,因此,对称性支配相互作用。这是杨振宁对物理学的伟大贡献。这是一只鸟的贡献,它高高地飞翔在诸多小问题构成的热带雨林之上,我们中的绝大多数在这些小问题耗尽了一生的时光。
 
我深深敬重的另一只鸟是俄罗斯数学家尤里•曼宁(Yuri Manin),他最近出版了一本名为《数学如隐喻》(Mathematics as Metaphor)的随笔。这本书以俄文在莫斯科出版,美国数学协会将之译为英文出版。我为英文版书作序。在这里,我简单引用我的序言:“对鸟们来说,《数学如隐喻》是一个好口号。它意味着数学中最深刻的概念是将一个世界的思想与另一个世界的思想联系起来。在17世纪,笛卡尔用他的坐标概念将彼此不相干的代数学和几何学联系起来;牛顿用他的流数(fluxions)概念将几何学和力学的世界联系起,今天,我们将这种方法称为微积分学。19世纪,布尔(Boole)用他的符号逻辑(symbolic logic)概念将逻辑与代数联系起来;黎曼用他的黎曼曲面概念将几何和分析的世界联系起来。坐标、流数、符号逻辑和黎曼曲面,都是隐喻,将词的意义从熟悉的语境拓展到陌生的语境。曼宁将数学的未来看成是对可见但仍不可知的隐喻的一个探索。最深刻的一个隐喻是数论和物理学之间在结构上的相似性。在这两个领域中,他看到并行概念诱人的一暼,对称性将连续与离散联结起来。他期待一种名为数学量化(quantization of mathematics)的统一。”
 
“曼宁不认可培根主义者的故事。1900年,希尔伯特在巴黎的国际数学家大会上提出著名的23个问题,规划了20世纪的数学议程。根据曼宁的观点,希尔伯特的问题是对数学中心议题的一种干扰。曼宁认为数学的重要进展来自纲领,而非问题。通常情况下,问题是通过采用老想法的新方法而得以解决。研究纲领是诞生新想法的苗圃。他认为,以一种更抽象语言重写了整个数学的布尔巴基纲领是20世纪许多新思想的源泉。他将统一了数论和几何学的朗兰兹纲领视为21世纪新思想的希望之泉。解决了著名未解决问题的人会赢得大奖,但只有提出新纲领的人才是真正的先锋。”
 
俄文版的《数学如隐喻》中有十个篇章在英文版中被删除了。美国数学学会认为,英文读者不会对这些篇章产生兴趣。这种删除是双重不幸。第一,作为一位非凡的数学家,曼宁广博的兴趣远远超越了数学,但英文版读者只能看见观点被拦截的曼宁;第二,我们看见的是观点被截断的俄罗斯文化,相比较于英语言文化,俄罗斯文化没有那么多的分门别类,它让数学家与历史学家、艺术家和诗人有更密切的接触。
 
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