丘成桐與卡拉比猜想60年
陳省身先生（1911-2004年）
卡拉比空間
丘成桐與卡拉比先生
演講人：劉克峰 時間：2月8日 地點：美國加州大學洛杉磯分校
20世紀50年代是幾何與拓撲學最輝煌的時代。一批年輕的數學家證明了一系列偉大的數學定理，開天闢地，創造了一個嶄新的時代。他們與他們的定理一起，熠熠生輝，照亮了整個數學的歷史。
卡拉比（Calabi）猜想在數學界的期盼中，等待著它真正的王者到來，這一等就是21年。
1941年的霍奇（Hodge）理論剛剛由魏爾（Weyl）和小平邦彥（Kodaira）整理完成。1945年陳省身引進的陳示性類由希策布魯赫（Hirzebruch）發揚光大，證明了拓撲中的符號差定理與代數幾何中的Hirzebruch-Riemann-Roch定理。工程師出身的博特（Bott）證明了他不朽的同倫群週期性定理。這些結果很快激發出了Atiyah-Singer指標定理。塞爾（Serre）用勒雷（Leray）的譜序列計算了代數拓撲中球面的同倫群，用層論寫下了代數幾何名篇GAGA，將復分析系統地引入代數幾何。Kodaira證明了他著名的嵌入定理，發展了復流形的形變理論。稍後，米爾諾（Milnor）發現了七維怪球，納什（Nash）證明了黎曼（Riemann）流形的嵌入定理。這些偉大的數學家與他們的定理，如繁星閃耀在天空，令人目不暇給。
1954年的國際數學家大會，菲爾茲（Fields）獎的獲獎者是小平邦彥（Kodaira）和塞爾（Serre），他們的主要獲獎工作都是將復分析、微分幾何與代數幾何完美地結合在一起。正如魏爾（Weyl）在他的頒獎詞中所説：“他們的成就遠遠超越了他年輕時的夢想，他們的成就代表著數學一個新時代的到來。”
也是在這屆數學家大會上，31歲的義大利裔數學家卡拉比，在會議的邀請報告中用一頁紙寫下了他著名的猜想：令M為緊致的卡勒（Kahler）流形，那麼對其第一陳類中的任何一個（1，1）形式R，都存在唯一的一個卡勒度量，其Ricci形式恰好是R。卡拉比還粗略地描述了一個他的猜想的證明方案，並證明了，如果解存在，那必是唯一的。
但3年後，在1957年的一篇關於Calabi-Yau流形的幾何結構的文章中，他意識到這個證明根本行不通。這裡需要求解一個極為艱深而複雜的偏微分方程，叫作復的Monge-Ampere方程。他去請教20世紀最偉大的數學家之一的魏爾（Andre Weil）教授。魏爾説：“當時還沒有足夠的數學理論來攻克它。”
眾所週知，龐加萊（Poincare）著名的單值化定理告訴我們，一維復流形的萬有覆蓋只有簡單的三種，球面、復平面和單位圓盤。如何將單值化定理推廣到高維流形，這個問題幾乎主導了現代幾何與拓撲的發展。而即使從復一維到復二維流形，問題的複雜性已經遠超想像，被數學家稱作是從天堂到了地獄。或者説是上帝創造了黎曼面，簡單美麗而又豐富多彩，是魔鬼製造了復曲面，內容複雜，令人眼花繚亂，頭暈目眩。卡拉比猜想可以認為是單值化定理在高維不可思議的大膽推廣，竟然給出了高維復流形中難得一見的一般規律。特別的是它在復卡勒流形的第一陳類大於零、等於零和小于零三個情形，指出了Kahler-Einstein度量的存在性，即此度量的第一陳形式等於其卡勒形式。這恰好對應于黎曼面三種單值化的推廣。
要知道，當時人們知道的愛因斯坦流形的例子都是局部齊性的，甚至都不知道復投影空間中的超曲面，如K3曲面上，是否有愛因斯坦度量。在這樣一種情況下，卡拉比竟然做出如此大膽的猜測，可見其膽識過人，也難怪此後多數幾何學家都懷疑此猜想的正確性，許多人都在努力尋找反例，而不是證明它。正如龐加萊的單值化定理，霍奇定理需要經過數年，乃至數十年努力才得到完美的證明一樣，卡拉比猜想也在數學界的期盼中，等待著它真正的王者到來，這一等就是21年。
塞爾説過：“一個真正好的數學猜想，它的解決應該隨之而來一系列的推論和綿延不斷的影響。”
還是在1957年，5歲的丘成桐正在世界的另一端過著清貧的生活，那時的香港幾乎沒有人知道什麼是微分幾何。14歲時父親的去世，更令他飽嘗人間冷暖，也造就了他不屈不撓的性格。11年後他進入香港中文大學，1969年，大學三年級的他便負笈求學來到伯克利（Berkeley)。那一年，著名的幾何學家伍鴻熙教授在給另一位著名幾何學家格林（Greene）的信中，預言這個19歲的年輕人將會改變微分幾何的面貌。很難知道伍鴻熙教授如何看出了一個19歲年輕人不同尋常的王者之氣。
讀研究生的第一年，丘成桐初試身手，便解決了微分幾何中一個有關負曲率流形基本群的結構問題，事後他才知道這就是微分幾何中著名的沃爾夫猜想。這一點頗像米爾諾（Milnor）把扭結理論裏的猜想當成家庭作業完成一樣。當遇到卡拉比猜想後，他像是見到了美麗的天使，一見鍾情。此後童話般的故事人人皆知，其中的痛苦與快樂也只有丘成桐自己才能體會。後來他告訴所有人，他成功的訣竅是用苦功而非天才，他曾嘗試過近五千個實驗函數，來發展流形上梯度估計的技巧。所以我們知道，一隻蘋果掉到頭上，令牛頓豁然開朗地發明瞭微積分，那只是個傳説。為了解決卡拉比猜想，他需要系統地創建和發展流形上的非線性分析，特別是Monge-Ampere方程的理論、方法與技巧。他先與鄭紹遠合作，用實的Monge-Ampere方程解決了著名的閔可夫斯基（Minkowski）猜想和閔可夫斯基時空中的伯恩斯坦（Bernstein）問題，此後再將他自己發展的梯度估計技術發揮到極致，終於在1975年完全解決了卡拉比猜想。此時此刻，除了丘成桐，最高興的應該是卡拉比，從1954年到1975年，整整21年的夢想終於成為了現實！那一年的耶誕節，他、丘成桐和尼倫伯格（Nirenberg）一起在紐約的Courant研究所度過，整天就是討論丘成桐的證明。卡拉比猜想終於成為了Calabi-Yau定理！
卡拉比後來回憶，那是他一生中唯一的一次在耶誕節開會，而那個猜想的證明就是最好的聖誕禮物。1991年當他獲得了美國數學會終身成就獎時，他動情地説，我特別要感謝丘成桐，因為他，今天我才能站在這個領獎臺上。
塞爾説過：“一個真正好的數學猜想，它的解決應該隨之而來一系列的推論和綿延不斷的影響。”卡拉比猜想就是如此，這裡我僅舉幾個例子。
首先，對於第一陳類小于和等於零的緊卡勒流形，卡拉比猜想告訴我們，Kahler-Einstein度量總是存在。其中對小于零的情形，其簡單的推論就解決了長期懸而未決的Severi猜想，復二維投影空間的復結構是唯一的，甚至任意維數復投影空間的卡勒復結構也是唯一的。
另一個匪夷所思的推論是，在任意維數的這類復流形上，存在一個奇妙的陳示性數不等式，而此前代數幾何學家卻只能得到復二維的情形。第一陳類等於零的二維復流形是有名的K3曲面，托爾羅夫（Todorov）用Calabi-Yau定理證明了其週期映射是滿射，蕭蔭堂利用Calabi-Yau度量證明了所有的K3曲面都是卡勒曲面。而高維數的第一陳類為零的復流形的基本結構定理也隨之而來。這些都是復幾何與代數幾何中著名的猜想，在卡拉比猜想證明之前，人們毫無辦法，望而卻步。
最令人驚奇的是上世紀80年代初，超弦學家們認識到第一陳類等於零的三維復流形，恰好是他們的大統一理論所需要的十維時空中的一個六維空間，這神秘的六維空間，在我們看不到的尺度裏主宰著我們大千世界的千變萬化。這個發現引發了物理學的一場革命。物理學家們興奮地把這類流形稱為Calabi-Yau空間，Yau便是丘成桐的英文姓氏。有興趣的朋友如果在Google中輸入Calabi-Yau，就會發現近40萬個條目。以至於不少物理學家都以為Calabi是丘成桐的名字。正如威滕（Witten）所言，在這場物理學的革命中，每一個有重要貢獻的人都會名揚千古。Calabi-Yau也在數學中引發了一系列重大的進展，如超弦學家Candelas等人通過研究不同的Calabi-Yau流形給出的相同的超對稱共形場論所發現的鏡對稱猜想。這個猜想由丘成桐、連文豪與我以及Givental獨立證明，它解決了代數幾何中遺留了上百年的舒伯特（Schubert）計數問題。基於Calabi-Yau流形的基本結構，著名超弦學家威滕、瓦法（Vafa）等人發展的Chern-Simons與拓撲弦對偶理論給出了黎曼面模空間中許多奇妙的公式，如Marino-Vafa公式給出了無窮多個模空間積分的組合閉公式，此猜想由劉秋菊、周堅與我一起證明。可以説Calabi-Yau流形早已成為弦論學家們必不可少的魔匣，利用它，他們不斷地變換出令人炫目的猜想，這已經成為數學與理論物理髮展的潮流，至今方興未艾。
卡拉比猜想的證明，也標誌著微分幾何一個新時代的到來。
霍奇理論、小平邦彥嵌入定理、Calabi-Yau定理是復幾何發展史上的三個最偉大的里程碑，也是整個數學中屈指可數的最美妙的定理。它們有許多異曲同工的地方。它們都是用微分幾何證明的，都是連接幾何與其他領域必不可少的橋梁，如代數幾何等。它們所需要的條件都簡單而容易驗證，都包含代數幾何與微分幾何中最有意義的一大類流形。它們的應用都給出源源不斷的重要推論，都成為復幾何教科書中必不可少的篇章。這是數學中所有偉大定理的共同特徵。
卡拉比猜想的證明也標誌著微分幾何一個新時代的到來。一個新的學科隨之産生，稱為幾何分析。它的定義就是用非線性微分方程的方法來系統地解決幾何與拓撲中的難題，反過來也用幾何的直觀與想法來理解偏微分方程的結構。
丘成桐在1978年的國際數學家大會的大會報告中系統而清晰地描繪了幾何分析與高維單值化理論的發展前景。由此方法，一系列著名的問題得到解決，特別是唐納森（Donaldson）為代表的規範場理論與低維拓撲的結合，漢密爾頓（Hamilton）的Ricci流與龐加萊猜想的歷史性進展，將幾何分析的發展帶到了一個高峰。
另一方面，早在1983年，丘成桐的學生曹懷東、坂東（Bando）便在他的指導下，首先用Ricci流的方法開始研究卡勒流形上標準度量的存在性，使Kahler-Ricci流成為復流形研究中重要的工具之一。
另一個與卡拉比猜想密切相關的問題是代數幾何中全純向量叢的穩定性與其上的Hermitian-Einstein度量的對應問題，這個問題約化成一個與規範場理論相關的極為困難的非線性方程解的存在性問題。1986年丘成桐與烏倫貝克（Uhlenbeck）合作，在卡勒流形上完全解決了這個問題。稍後，唐納森也在投影流形上用不同的方法將這個問題解決。1988年，辛普森（Simpson）將這些結果推廣並與霍奇變分理論相結合，發展成為代數幾何中一個極為有效的工具。
對於復流形的切叢，Kahler-Einstein度量可以認為是沒有撓率的Hermitian-Einstein度量，所以Kahler-Eienstein度量意味著流形的切叢在代數幾何意義下是穩定的，但要更細緻更深刻。多年來，丘成桐一直考慮什麼樣的代數穩定性對應著Kahler-Einstein度量的存在。從我1988年來到哈佛成為丘成桐的學生，他的討論班裏最多的話題就是代數幾何中各種穩定性的概念與相關的度量和分析問題。丘成桐的幾個學生，如田剛、李駿、梁乃聰和羅華章等人的博士論文都是討論這方面的題目。他的一些想法記錄在他1990年所發表的100個幾何問題集裏，這個問題集是為陳省身79歲生日而整理的。第65個問題就猜測Kahler-Einstein度量的存在性應該等價于代數幾何中幾何不變數意義下的穩定性。在第一陳類大於零的復流形上，這個猜想首次給出了Kahler-Einstein度量存在的充分必要條件，建立了標準度量與代數幾何的密切關係。他當時的不少學生，包括田剛在內，都感覺到丘成桐猜想指出了新的研究方向，非常漂亮，也很有意義，開始努力研究丘成桐猜想。在此之前丘成桐也考慮了如何用伯格曼核的想法來逼近Kahler-Einstein度量，如何將卡拉比猜想推廣到開流形與有奇點的流形上，並在幾篇著名的綜述文章中予以詳細的闡述。這些都成為今後復幾何發展的重要綱領，並引領了日後唐納森、田剛等人關於Kahler-Einstein度量方面的工作。基於他的一部分想法，丘成桐與鄭紹遠、莫毅明和田剛整理併發表了一系列的文章，其中一部分組成了田剛的博士論文。眾所週知，田剛的博士論文以及日後的主要工作大都從丘成桐的這些想法和猜想引發而來。
“落花人獨立，微雨燕雙飛”，這是丘成桐描述自己證明了卡拉比猜想時的心情所用的詩句。
與第一陳類小于和等於零的情況相反，直到丘成桐提出他的猜想前，第一陳類大於零的情況一直顯得頗為迷離。首先這類流形有不存在Kahler-Einstein度量的例子。在20世紀60年代，松島（Matsushima）證明了Kahler-Einstein流形的自同構群必須可約。80年代初，福復（Futaki）引進了此類流形上存在Khler-Einstein度量的障礙函數，被稱之為福復不變數。事實上，很多學者，如卡拉比、福復等都誤以為沒有全純向量場應該是Kahler-Einstein度量存在的唯一必要條件，並沒有意識到流形本身穩定的重要性。在較特殊的復二維情形，有一些存在性結果，但蕭蔭堂一直認為，這些結果並不完備，至今也還沒有完整的結果。此後近30年，田剛一直沿著丘成桐猜想所指出的研究方向不懈努力，試圖理解正曲率條件下，穩定性與Kahler-Einstein度量的存在性如何相關，他用福復不變數定義了一個解析穩定性的概念，稱為K-穩定性，並取得了一些進展。然而這個問題的真正突破來自於唐納森，他在2001年證明了如果卡勒流形上的卡勒類中存在一個常數量曲率的度量，並且其自同構群是離散的，那麼這個流形就是在代數幾何意義下是穩定的。唐納森所用的關健工具恰好是丘成桐考慮過的伯格曼核的逼近方法，他敏銳地觀察到伯格曼核漸進展開的第二項正是數量曲率，如果它為常數，則相應的偏微分方程便可解。此後唐納森引進了適合研究丘成桐猜想的代數幾何意義下的K-穩定性概念，並在2010年公佈了證明K-穩定性與Kahler-Einstein度量存在等價性的丘成桐猜想的綱領，最近陳秀雄－唐納森-孫菘在網上發表了三篇文章實現了這些想法，而田剛在唐納森綱領的基礎上也宣稱完成了這個猜想的證明。由於這些文章都相當複雜，如唐納森等人寫了三篇長文，田剛在貼出自己的文章後還在不斷地做出修改，所以這些證明的正確性還有待專家們詳細驗證。
第一陳類大於零的復流形也叫作法諾流形，這類流形比第一陳類小于零的流形相對來得少，其內容也遠不如後者豐富，例如復一維情形只有一個球面，而復二維的流形從拓撲來看也只是復投影空間吹大幾個點。更有意思的是代數幾何中研究這類流形的工具也遠比微分幾何的方法強大，特別是1979年森重文（Mori）在法諾流形上用有限域的技巧發現的有理曲線存在性，這是迄今為止微分幾何方法一直無法超越的天才發明。以此為工具，代數幾何學家對法諾流形幾何的了解走在了微分幾何研究的前面。
這種情況與第一陳類小于和等於零的情形形成了鮮明的對比，這兩類流形包含比法諾流形豐富得多的例子，而由於丘成桐證明的卡拉比猜想，在這些流形的研究中，微分幾何的方法和工具更強大也更有效。這裡我們還要注意到，正如唐納森等人在他們的文章中所闡述的，K-穩定性並不是一個容易驗證的條件，其實用性也與丘成桐所證明的卡拉比猜想相差甚遠。目前他們所證明的丘成桐猜想唯一有意思的推論還是丘成桐所指出的，K-穩定形可以推出切叢的穩定性。所以即使K-穩定性等價于Kahler-Einstein度量的存在性的猜想得到證明，其重要性也需要在日後的應用中才能得到檢驗。而丘成桐本人則在勾畫了他的猜想的證明綱領後，便將題目交給了他的學生和朋友，一方面他認為他的猜想雖然重要，但與他證明的卡拉比猜想相比還是有很大的距離，另一方面他認為弦理論引發的數學問題要比他自己的猜想更具挑戰性，也有更大的潛力。事實上，他和他的學生與博士後在Calabi-Yau流形上的工作已經在近代數學中開創了一個新的重要研究方向。至於丘成桐猜想證明的正確性和其在幾何學中的前景，只有他這個開創者和專家才有資格來評判了。
當然，卡拉比猜想只是丘成桐眾多數學成就的一部分。1978年受邀在國際數學家大會作大會報告時，他29歲。1983年獲得數學界最高獎，菲爾茲獎時，他34歲。特別要説明的是那個時候他持香港護照，還是中國公民。他也一直以此為豪。1983年12月22日，當時的中共中央總書記胡耀邦在中南海親切會見了為祖國爭得榮譽的丘成桐教授。此後他幾乎囊括了這個世界上一個數學家所能得到最高榮譽，包括沃爾夫獎、克拉福德獎和美國國家科學獎章。然而卡拉比猜想的證明毫無疑問是他數學事業中最為絢麗的篇章，它承載了無數數學家60年的光榮與夢想，造就了幾何分析40載的傳奇與輝煌。
“落花人獨立，微雨燕雙飛”，這是丘成桐描述自己證明了卡拉比猜想時的心情所用的詩句。從那一刻起，丘成桐一躍而成為一個偉大的數學領袖，領導了幾何學近四十年的輝煌，他代表了數學與超弦理論的一個時代。正如《紐約時報》所言：他是當之無愧的數學皇帝。
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網站編輯：修菲
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