從局部到整體課件

1、20世紀(jì)的數(shù)學(xué) 從局部到整體 在古典時(shí)期，人們大體上已經(jīng)研究了在小范圍內(nèi)，使用局部坐標(biāo)等等來(lái)研究事物在這個(gè)世紀(jì)，重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到試圖了解事物整體和大范圍 的性質(zhì)由于整體性質(zhì)更加難以研究，所以大多只能有定性的結(jié)果，這時(shí)拓?fù)涞乃枷刖妥?得非常重要了 正是Poincar，他不僅為拓?fù)鋵W(xué)發(fā)展作出先驅(qū)性的貢獻(xiàn)，而且也預(yù)言拓?fù)鋵W(xué)將成為二十世紀(jì)數(shù)學(xué)的一個(gè)重要的組成部分，順便讓我提一下，給出一系列著名問(wèn)題的Hilbert并沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)拓?fù)鋵W(xué)很難在他的那些問(wèn)題中找到具體體現(xiàn)但是對(duì)Poincar而言，他相當(dāng)清楚地看出拓?fù)鋵W(xué)將成為一個(gè)重要的內(nèi)容 復(fù)分析（也 被稱為“函數(shù)論”），這在十九世紀(jì)是數(shù)學(xué)的中心，也是象We

2、ierstrass這樣偉大人物工 作的中心對(duì)于他們而言，一個(gè)函數(shù)就是一個(gè)復(fù)變量的函數(shù);對(duì)于Weierstrass而言，一個(gè)函數(shù)就是一個(gè)冪級(jí)數(shù)它們是一些可以用于寫(xiě)下來(lái)，并且可以明確描繪的東西或者是一些公式 一個(gè)類似的事情發(fā)生在微分方程中，最初，解一個(gè)微分方程，人們需要尋找一個(gè)明確的局部解！是一些可以寫(xiě)下來(lái)的東西隨著事物的發(fā)展，解不必是一個(gè)顯函數(shù)，人們不一定必須用好的公式來(lái)描述它們解的奇異性是真正決定其整體性質(zhì)的東西與發(fā)生在復(fù)分析中的一切相比，這種精神是多么的類似，只不過(guò)在細(xì)節(jié)上有些不同罷了 在微分幾何中，Gauss和其他人的經(jīng)典工作描述了小片的空間，小塊的曲率以及用來(lái)描述局部幾何的局部方程只要人

3、們想要了解曲面的整體圖象以及伴隨它們的拓?fù)鋾r(shí)，從這些經(jīng)典結(jié)果到大范圍的轉(zhuǎn)變就是很自然的了當(dāng)人們從小范圍到大范圍時(shí)，最有意義的性質(zhì)就是拓?fù)涞男再|(zhì) 當(dāng)然這種情況也發(fā)生在物理學(xué)中，經(jīng)典物理涉及局部理論，這時(shí)我們寫(xiě)下可以完全描述小范圍性質(zhì)的微分方程，接下來(lái)我們就必須研究一個(gè)物理系統(tǒng)的大范圍性質(zhì)物理學(xué)涉及的全部?jī)?nèi)容就是當(dāng)我們從小范圍出發(fā)時(shí)，我們可以知道在大范圍內(nèi)正在發(fā)生什么，可以預(yù)計(jì)將要發(fā)生什么，并且沿著這些結(jié)論前進(jìn) 維數(shù)的增加 經(jīng)典復(fù)變函數(shù)論主要是詳細(xì)討論一個(gè)復(fù)變量理論并加以精煉推廣到兩個(gè)或者更多個(gè)變量基本上發(fā)生在本世紀(jì)，并且是發(fā)生在有新現(xiàn)象出現(xiàn)的領(lǐng)域內(nèi)不是所有的現(xiàn)象都與一個(gè)變量的情形相同，這里有完全

4、新的特性出現(xiàn)，并且n個(gè)變量的理論的研究越來(lái)越占有統(tǒng)治地位，這也是本世紀(jì)主要成就之一 過(guò)去的微分幾何學(xué)家主要研究曲線和曲面，我們現(xiàn)在研究n維流形的幾何,大家仔細(xì)想一想，就能意識(shí)到這是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)變?cè)谠缙?，曲線和曲面是那些人們能真正在空間里看到的東西而高維則有一點(diǎn)點(diǎn)虛構(gòu)的成分，在其中人們可以通過(guò)數(shù)學(xué)思維來(lái)想象,但當(dāng)時(shí)人們也許沒(méi)有認(rèn)真對(duì)待它們 認(rèn)真對(duì)待它們并且用同樣重視程度來(lái)研究它們的這種思想實(shí)際上是二十世紀(jì)的產(chǎn)物同樣地，也沒(méi)有明顯的證據(jù)表明我們十九世紀(jì)的先驅(qū)者們思考過(guò)函數(shù)個(gè)數(shù)的增加，研究不單單一個(gè)而是幾個(gè)函數(shù)，或者是向量值函數(shù)(vector-valued function)所以我們看到這里有一個(gè)獨(dú)

5、立和非獨(dú)立變量個(gè)數(shù)增加的問(wèn)題 線性代數(shù)總是涉及多個(gè)變量，但它的維數(shù)的增加更具有戲劇性，它的增加是從有限維到無(wú)窮維，從線性空間到有無(wú)窮個(gè)變量的Hilbert空間當(dāng)然這就涉及到了分析,在多個(gè)變量的函數(shù)之后，我們就有函數(shù)的函數(shù)，即泛函它們是函數(shù)空間上的函數(shù)它們本質(zhì)上有無(wú)窮多個(gè)變量，這就是我們稱為變分學(xué)的理論一個(gè)類似的事情發(fā)生在一般（非線性）函數(shù)理論的發(fā)展中這是一個(gè)古老的課題，但真正取得卓越的成果是在二十世紀(jì)這就是我談的第二個(gè)主題 從交換到非交換 這可能是二十世紀(jì)數(shù)學(xué)，特別是代數(shù)學(xué)的最主要的特征之一代數(shù)的非交換方面已經(jīng)極其重要，當(dāng)然，它源自于十九世紀(jì)它有幾個(gè)不同的起源Hamilton在四元數(shù)方面的工作

6、可能是最令人驚嘆的，并且有巨大的影響，實(shí)際上這是受處理物理問(wèn)題時(shí)所采用的思想所啟發(fā)還有Grassmann在外代數(shù)方面的工作，這是另一個(gè)代數(shù)體系，現(xiàn)在已經(jīng)被融入我們的微分形式理論中當(dāng)然，還有Cayley以線性代數(shù)為基礎(chǔ)的矩陣方面的工作和Galois在群論方面的工作等 從線性到非線性 古典數(shù)學(xué)的大部分或者基本上是線性的，或者即使不是很精確的線性，也是那種可以通過(guò)某些擾動(dòng)展開(kāi)來(lái)研究的近似線性，真正的非線性現(xiàn)象的處理是非常困難的，并且只是在本世紀(jì)，才在很大的范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了真正的研究 Euclid幾何，平面的幾何，空間的幾何，直線的幾何，所有這一切都是線性的而從非歐幾何的各個(gè)不同階段到Riemann的

7、更一般的幾何，所討論的基本上是非線性的在微分方程中，真正關(guān)于非線性現(xiàn)象的研究已經(jīng)處理了眾多我們通過(guò)經(jīng)典方法所看不到的新現(xiàn)象 在物理學(xué)，Maxwell方程（電磁學(xué)的基本方程）是線性偏微分方程與之對(duì)應(yīng)的是著名的Yang-Mills方程，它們是非線性方程并被假定用來(lái)調(diào)控與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的力這些方程之所以是非線性的，是因?yàn)閅ang-Mills方程本質(zhì)上是Maxwell方程的矩陣體現(xiàn)，并且由矩陣不可交換這一事實(shí)導(dǎo)致方程中出現(xiàn)非線性項(xiàng)于是在這里我們看到了一個(gè)非線性性與非交換性之間的有趣的聯(lián)系非交換性產(chǎn)生一類特殊的非線性性，這的確是很有意思和很重要的 幾何與代數(shù) 數(shù)學(xué)中的一個(gè)二分叉現(xiàn)象，它來(lái)回?fù)u擺卻始終伴隨著

8、我們，這就給了我一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)做一些哲學(xué)上的思索和說(shuō)明我指的是幾何和代數(shù)之間的二分法，幾何和代數(shù)是數(shù)學(xué)的兩個(gè)形式支柱，并且都有悠久的歷史幾何學(xué)可以追溯到古希臘甚至更早的時(shí)期；代數(shù)學(xué)則源于古阿拉伯人和古印度人所以，它們都已經(jīng)成為數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，但它們之間有一種令人感到不太自然的關(guān)系 歷史開(kāi)始Euc1id幾何是數(shù)學(xué)理論中最早的一個(gè)例子，直到Descartes在我們現(xiàn)在稱為的笛卡兒平面中引入代數(shù)坐標(biāo)之前，它一直是純幾何的Descartes的做法是一種將幾何思考化為代數(shù)運(yùn)算的嘗試從代數(shù)學(xué)家們的角度來(lái)講，這當(dāng)然是對(duì)幾何學(xué)的一個(gè)重大突破或者說(shuō)一次重大的沖擊，如果我們來(lái)比較Newton和Leibniz在分析方面的工

9、作，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)他們屬于不同的傳統(tǒng)，Newton基本上是一個(gè)幾何學(xué)家而Le1bniz基本土是一個(gè)代數(shù)學(xué)家，這其中有著很深刻的道理 對(duì)于Newton而言，幾何學(xué)，或者是由他發(fā)展起來(lái)的微積分學(xué)，都是用來(lái)描述自然規(guī)律的數(shù)學(xué)嘗試他關(guān)心的是在很廣泛意義下的物理，以及幾何世界中的物理在他看來(lái)，如果有人想了解事物，他就得用物理世界的觀點(diǎn)來(lái)思考它，用幾何圖象的觀點(diǎn)來(lái)看待它當(dāng)他發(fā)展微積分的時(shí)候，他想要發(fā)展的是微積分的一種能盡可能貼近隱藏在其后的物理內(nèi)蘊(yùn)的表現(xiàn)形式 所以他用的是幾何論證，因?yàn)檫@樣可以與實(shí)際意義保持密切關(guān)系，另一方面，Leibniz有一個(gè)目標(biāo)，一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，那就是形式化整個(gè)數(shù)學(xué)，將之變成一個(gè)龐大

10、的代數(shù)機(jī)器這與Newton的途徑截然不同，并且二者有很多不同的記號(hào)正如我們所知道的，在Newton和Leibniz之間的這場(chǎng)大爭(zhēng)論中，Leibniz的記號(hào)最后得勝我們現(xiàn)在還沿用他的記號(hào)來(lái)寫(xiě)偏導(dǎo)數(shù)Newton的精神尚在，但被人們埋葬了很長(zhǎng)時(shí)間 在十九世紀(jì)末期，也就是一百年前，Poincar和Hilbert是兩個(gè)主要人物我在前面已經(jīng)提到過(guò)他們了，并且可以粗略地講，他們分別是Newton和Leibniz的傳人Poincar 的思想更多的是幾何和拓?fù)涞木?，他用這些思想作為他的基本洞察工具Hilbert更多的是一個(gè)形式主義者，他要的是公理化，形式化，并且要給出嚴(yán)格的，形式的描述雖然任何一個(gè)偉大的數(shù)學(xué)家

11、都不能輕易地被歸到哪一類中去，但是，很清楚地，他們屬于不同的傳統(tǒng) 幾何學(xué)當(dāng)然講的是空間，這是毫無(wú)疑問(wèn)的如果我面對(duì)這間房間里的聽(tīng)眾，我可以在一秒中內(nèi)或者是一微秒內(nèi)看到很多，接收到大量的信息，當(dāng)然這不是一件偶然的事件我們大腦的構(gòu)造與視覺(jué)有著極其重要的關(guān)系我從一些從事神經(jīng)生理學(xué)的朋友那里了解到，視覺(jué)占用了大腦皮層的百分之八十或九十 在大腦中大約有十七個(gè)中樞，每一個(gè)中樞專門用來(lái)負(fù)責(zé)視覺(jué)活動(dòng)的不同部分：有些部分涉及的是垂直方向的，有些部分與水平方向有關(guān)，有些部分是關(guān)于色彩和透視的，最后有些部分涉及的是所見(jiàn)事物的具體含義和解說(shuō)理解并感知我們所看到的這個(gè)世界是我們?nèi)祟惏l(fā)展進(jìn)化的一個(gè)非常重要的部分 代數(shù)本質(zhì)上

12、涉及的是時(shí)間無(wú)論現(xiàn)在做的是哪一類代數(shù)，都是一連串的運(yùn)算被一個(gè)接著一個(gè)羅列出來(lái)，這里“一個(gè)接著一個(gè)”的意思 是我們必須有時(shí)間的概念在一個(gè)靜態(tài)的宇宙中，我們無(wú)法想象代數(shù)，但幾何的本質(zhì)是靜態(tài)的：我可以坐在這里觀察，沒(méi)有什么變化，但我仍可以繼續(xù)觀察然而,代數(shù)與時(shí)間有關(guān)，這是因?yàn)槲覀冇幸贿B串的運(yùn)算，這里當(dāng)我談到“代數(shù)”時(shí)，我并不單單指現(xiàn)代代數(shù)任何算法，任何計(jì)算過(guò)程，都是一個(gè)接著一個(gè)地給出一連串步驟,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展使這一切看得很清楚現(xiàn)代計(jì)算機(jī)用一系列0和1來(lái)反映其信息并由此給出問(wèn)題的答案 將上述二分叉現(xiàn)象用更哲學(xué)或者更文學(xué)的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，那就是對(duì)幾何學(xué)家而言，代數(shù)就是所謂的“浮士德的奉獻(xiàn)”正如大家所知道的，

13、在歌德的故事里，浮士德通過(guò)魔鬼可以得到他所想要的（就是一個(gè)漂亮女人的愛(ài)），其代價(jià)是出賣他的靈魂，代數(shù)就是由魔鬼提供給數(shù)學(xué)家的供品魔鬼會(huì)說(shuō)：“我將給你這個(gè)有力的機(jī)器，它可以回答你的任何問(wèn)題你需要做的就是把你的靈魂給我：放棄幾何，你就會(huì)擁有這個(gè)威力無(wú)窮的機(jī)器”(現(xiàn)在可以把它想象成為一臺(tái)計(jì)算機(jī)!) 當(dāng)然我們希望同時(shí)擁有它們，我們也許可以欺騙魔鬼，假裝我們出賣靈魂，但不真地給它不過(guò)對(duì)我們靈魂的威脅依然存在，這是因?yàn)楫?dāng)我們轉(zhuǎn)入代數(shù)計(jì)算時(shí)，本質(zhì)上我們會(huì)停止思考，停止用幾何的觀念來(lái)考慮問(wèn)題，不再思考其含義 代數(shù)的目標(biāo)總是想建立一個(gè)公式，把它放到一個(gè)機(jī)器中去，轉(zhuǎn)動(dòng)一下把手就可以得到答案也就是拿來(lái)一個(gè)有意義的東

14、西，把它化成一個(gè)公式，然后得到答案在這樣的一個(gè)過(guò)程中，人們不再需要思考代數(shù)的這些不同階段對(duì)應(yīng)的幾何是什么就這樣，洞察力丟掉了，而這在那些不同的階段都是非常重要的我們絕不能放棄這些洞察力！最終我們還是要回到這上面來(lái)的，這就是我所談到的浮士德的奉獻(xiàn)我肯定這種講法尖銳了一點(diǎn) 通用的技術(shù) 同調(diào)論 同調(diào)論是作為拓?fù)鋵W(xué)的一個(gè)分支而發(fā)展起來(lái)的它涉及到以下情形現(xiàn)有一個(gè)復(fù)雜的拓?fù)淇臻g，我們想從中得到它的一些簡(jiǎn)單信息如計(jì)算它的洞或者類似事物的個(gè)數(shù), 得到某些與之聯(lián)系的可加的線性不變量等這是一種在非線性條件下關(guān)干線性不變量的構(gòu)造從幾何的角度來(lái)看，閉鏈可加可減，這樣就得到了所謂的一個(gè)空間的同調(diào)群 同調(diào)論，作為一種從拓

15、撲空間獲取某些信息的基本代數(shù)工具，是在本世紀(jì)上半葉發(fā)現(xiàn)的這是一種從幾何中獲益匪淺的代數(shù) 同調(diào)概念也出現(xiàn)在其他一些方面其另一個(gè)源頭可以追溯到Hilbert及其關(guān)于多項(xiàng)式的研究中，多項(xiàng)式是非線性的函數(shù)，它們相乘可以得到更高次數(shù)的多項(xiàng)式正是Hilbert那偉大的洞察力促使他來(lái)討論“理想”，具有公共零點(diǎn)的多項(xiàng)式的線性組合他要尋找這些理想的生成元 生成元可能有很多他審視它們之間的關(guān)系以及關(guān)系之間的關(guān)系于是他得到這些關(guān)系的一個(gè)分層譜系，這就是所謂的“Hilbert合系”Hilbert的這個(gè)理論是一種非常復(fù)雜的方法，他試圖將一個(gè)非線性的情形（多項(xiàng)式的研究）化為線性情形本質(zhì)上來(lái)講，Hilbert構(gòu)造了一個(gè)線性

16、關(guān)系的復(fù)雜體系能夠把象多項(xiàng)式這樣的非線性事物的某些信息納入其中 這個(gè)代數(shù)理論實(shí)際上是與上述拓?fù)淅碚撈叫械?，而且現(xiàn)在它們已融合在一起構(gòu)成了所謂的“同調(diào)代數(shù)”在代數(shù)幾何學(xué)中，本世紀(jì)五十年代最偉大的成就之一是層的上同調(diào)理 論的發(fā)展及在解析幾何學(xué)中的擴(kuò)展，這是由Leray，Cartan，Serre和Grothendieck等人組成的法國(guó)學(xué)派取得的從中我們可以感受到一種既有Riemann-Poincar的拓?fù)渌枷?，又有Hilbert的代數(shù)思想，再加上某些分析手段的融合。 這表明同調(diào)論在代數(shù)的其它分支也有著廣泛的應(yīng)用我們可以引入同調(diào)群的概念，它通常是與非線性事物相關(guān)的線性事物我們可以將之應(yīng)用于群論，例如，

17、有限群，以及李代數(shù)：它們都有相應(yīng)的同調(diào)群在數(shù)論方面，同調(diào)群通過(guò)Galois群產(chǎn)生了非常重要的應(yīng)用因此在相當(dāng)廣泛的情形下同調(diào)論都是強(qiáng)有力的工具之一，它也是二十世紀(jì)數(shù)學(xué)的一個(gè)典 型的特征 K-理論 “K-理論”它在很多方面都與同調(diào)論相似，它的歷史并不很長(zhǎng)（直到二十世紀(jì)中葉才出現(xiàn)，盡管其起源的某些方面也許可以追溯到更早一些），但它卻有著很廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)滲透進(jìn)了數(shù)學(xué)的許多部分K-理論實(shí)際上與表示理論緊密相聯(lián)，有限群的表示理論，可以講，起源于十九世紀(jì)但是其現(xiàn)代形式K-理論卻只有一個(gè)相對(duì)較短的歷史 K-理論可以用下面的方式來(lái)理解：它可以被想成是應(yīng)用矩陣論的一種嘗試我們知道矩陣的乘法是不可交換的，于是我們

18、想構(gòu)造矩陣可換的或是線性的不變量跡，維數(shù)和行列式都是矩陣論中可換的不變量，而K-理論即是試圖處理它們的一種系統(tǒng)的方法，它有時(shí)也被稱為“穩(wěn)定線性代數(shù)” 其思想就是，如果我們有很多矩陣，那么把兩個(gè)不可換的矩陣A和矩陣B放在不同塊的正交位置上，它們就可換了，因?yàn)樵谝粋€(gè)大的空間里，我們可以隨意移動(dòng)物體于是在某些近似情況下，這樣做是很有好處的，足以讓我們得到一些信息，這就是作為一個(gè)技術(shù)的K-理論的基石這完全類似于同調(diào)論，二者都是從復(fù)雜的非線性情形獲取線性的信息 在代數(shù)幾何中，K-理論是由Grothendieck首先引入的，并且取得了巨大的成功，這些與我們剛剛談到的層理論密切相關(guān)，而且也和他在Rieman

19、n-Roch定理方面的工作有緊密聯(lián)系 在拓?fù)鋵W(xué)方面，Hirzebruch和我照搬了這些思想并且將它們應(yīng)用到一個(gè)純粹的拓?fù)浞懂爟?nèi)從某種意義下來(lái)說(shuō)，如果Grothendieck的工作與Hilbert在合系方面的工作有關(guān)，那么我們的工作更接近于Riemann-Poincar在同調(diào)方面的工作，我們用的是連續(xù)函數(shù)，而他用的是多項(xiàng)式K-理論也在橢圓算子的指標(biāo)理論和線性分析的研究中起了重要作用 從另外一個(gè)不同的角度，Milnor，Quillen和其他人發(fā)展了K-理論的代數(shù)方面，這在數(shù)論的研究中有著潛力巨大的應(yīng)用沿著這個(gè)方向的發(fā)展導(dǎo)致了許多有趣問(wèn)題的產(chǎn)生 在泛函分析方面，包括象Kasparov在內(nèi)的許多人的工

20、作將連續(xù)的K-理論推廣到非交換的C*-代數(shù)情形一個(gè)空間上的連續(xù)函數(shù)在函數(shù)乘積意義下形成一個(gè)交換代數(shù)但是在其他情形下，自然地產(chǎn)生了類似的關(guān)于非交換情形的討論，這時(shí)，泛函分析也就自然而然地成為了這些問(wèn)題的溫床 因此，K-理論是另外一個(gè)能夠?qū)⑾喈?dāng)廣泛的數(shù)學(xué)的許多不同方面都能用這種比較簡(jiǎn)單的公式來(lái)處理的領(lǐng)域，盡管在每一個(gè)情形下，都有很多特定于該方面且能夠連接其他部分的非常困難的，技巧性很強(qiáng)的問(wèn)題K-理論不是一個(gè)統(tǒng)一的工具，它更象是一個(gè)統(tǒng)一的框架，在不同部分之間具有類比和相似 這個(gè)工作的許多內(nèi)容已經(jīng)被Alain Connes推廣到“非交換微分幾何” 非常有趣的是，也就是在最近，Witten通過(guò)他在弦理論

21、方面（基礎(chǔ)物理學(xué)的最新思想）的工作發(fā)現(xiàn)許多很有趣的方法都與K-理論有關(guān)，并且K-理論看起來(lái)為那些所謂的“守恒量”提供了一個(gè)很自然的“家”雖然在過(guò)去同調(diào)論被認(rèn)為是這些理論的自然框架，但是現(xiàn)在看起來(lái)K一理論能提供更好的答案 李群 另一個(gè)不單單是一項(xiàng)技術(shù)、而且是具有統(tǒng)一性的概念是李群現(xiàn)在說(shuō)起李群，我們基本上就是指正交群，酉群，辛群以及一些例外群，它們?cè)诙兰o(jì)數(shù)學(xué)歷史中起了非常重要的作用它們同樣起源于十九世紀(jì)SophusLie是一位十九世紀(jì)的挪威數(shù)學(xué)家 正如很多人所講的那樣，他和Fleix Klein，還有其他人一起推動(dòng)了“連續(xù)群理論”的發(fā)展對(duì)Klein而言，一開(kāi)始，這是一種試圖統(tǒng)一處理Euclid

22、幾何和非歐幾何這兩種不同類型幾何的方法雖然這個(gè)課題源于十九世紀(jì)，但真正起步卻是在二十世紀(jì)，作為一種能夠?qū)⒃S多不同問(wèn)題歸并于其中來(lái)研究的統(tǒng)一性框架，李群理論深深地影響了二十世紀(jì) Klein思想在幾何方面的重要性對(duì)于Klein而言，幾何就是齊性空間，在那里，物體可以隨意移動(dòng)而保持形狀不變，因此，它們是由一個(gè)相關(guān)的對(duì)稱群來(lái)控制的Euclid群給出Euclid幾何而雙曲幾何源于另一個(gè)李群于是每一個(gè)齊性幾何對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的李群 但是到了后來(lái)，隨著對(duì)Riemann的幾何學(xué)工作的進(jìn)一步發(fā)展，人們更關(guān)心那些不是齊性的幾何，此時(shí)曲率隨著位置的變化而變化，并且空間不再有整體對(duì)稱性，然而，李群仍然起著重要的作用，這是

23、因?yàn)樵谇锌臻g中我們有Euclid坐標(biāo)，以至于李群可以出現(xiàn)在一種無(wú)窮小的層面上于是在切空間中，從無(wú)窮小的角度來(lái)看，李群又出現(xiàn)了，只不過(guò)由于要區(qū)分不同位置的不同點(diǎn)，我們需要用某種可以處理不同李群的方式來(lái)移動(dòng)物體 這個(gè)理論是被Eile Cartan真正發(fā)展起來(lái)的，成為現(xiàn)代微分幾何的基石，該理論框架對(duì)于Einstein的相對(duì)論也起著基本的作用當(dāng)然Einstein的理論極大地推動(dòng)了微分幾何的全面發(fā)展 進(jìn)入二十世紀(jì)，我前面提到的整體性質(zhì)涉及到了在整體層面上的李群和微分幾何一個(gè)主要的發(fā)展是給出所謂的“示性類”的信息，這方面標(biāo)志性的工作是由Borel和Hirzebruch給出的，示性類是拓?fù)洳蛔兞坎⑶胰诤先齻€(gè)

24、關(guān)鍵部分：李群，微分幾何和拓?fù)?，?dāng)然也包含與群本身有關(guān)的代數(shù) 在更帶分析味的方向上，我們得到了現(xiàn)在被稱為非交換調(diào)和分析的理論這是Fourier理論的推廣，對(duì)于后者，F(xiàn)ourier級(jí)數(shù)或者是Fourier積分本質(zhì)上對(duì)應(yīng)于圓周和直線的交換李群，當(dāng)我們用更為復(fù)雜的李群代替它們時(shí)，我們就可以得到一個(gè)非常漂亮、非常精巧并且將李群表示理論和分析融為一體的理論這本質(zhì)上是Harish-Chandra一生的工作 在數(shù)論方面，整個(gè)“Lang1ands綱領(lǐng)”,現(xiàn)在許多人都這樣稱呼它，緊密聯(lián)系于Harish-Chandra理論，產(chǎn)生于李群理論之中對(duì)于每一個(gè)李群，我們都可以給出相應(yīng)的數(shù)論和在某種程度實(shí)施Langland

25、s綱領(lǐng)在本世紀(jì)后半葉，代數(shù)數(shù)論的一大批工作深受其影響模形式的研究就是其中一個(gè)很好的例證，這還包括Andrew Wiles在Fermat大定理方面的工作 有限群 在這項(xiàng)研究中，有一個(gè)可以彌補(bǔ)缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)我在這里實(shí)際上指的是在所有的所謂“散在群”(sporadic groups)中，最大的被賦予了“魔群”名字的那一個(gè)我認(rèn)為魔群的發(fā)現(xiàn)這件事本身就是有限單群分類中最叫人興奮的結(jié)果了可以看出魔群是一個(gè)極其有意思的動(dòng)物而且現(xiàn)在還處于被了解之中它與數(shù)學(xué)的許多分支的很大一部分有著意想不到的聯(lián)系，如與橢圓模函數(shù)的聯(lián)系，甚至與理論物理和量子場(chǎng)論都有聯(lián)系這是分類工作的一個(gè)有趣的副產(chǎn)品正如我所說(shuō)的，有限單群分類本身關(guān)上

26、了大門，但是魔群又開(kāi)啟了一扇大門 物理的影響 在整個(gè)歷史中，物理與數(shù)學(xué)有著非常悠久的聯(lián)系，并且大部分?jǐn)?shù)學(xué)，例如微積分，就是為了解決物理中出現(xiàn)的問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的在二十世紀(jì)中葉，隨著大多數(shù)純數(shù)學(xué)在獨(dú)立于物理學(xué)時(shí)仍取得了很好的發(fā)展，這種影響或聯(lián)系也許變得不太明顯但是在本世紀(jì)最后四分之一的時(shí)間里，事情發(fā)生了戲劇性的變化,讓我試著簡(jiǎn)單地評(píng)述一下物理學(xué)和數(shù)學(xué)，尤其是和幾何的相互影響 在十九世紀(jì)，Hamilton發(fā)展了經(jīng)典力學(xué)，引入了現(xiàn)在稱為Hamilton量的形式化經(jīng)典力學(xué)導(dǎo)出現(xiàn)在所謂的“辛幾何”這是幾何的一個(gè)分支，雖然很早已經(jīng)有人研究了，但是實(shí)際上直到最近二十年，這個(gè)課題才得到真正的研究這已經(jīng)是幾何學(xué)非

27、常豐富的一部分幾何學(xué)，我在這里使用這個(gè)詞的意思是指，它有三個(gè)分支：Riemann幾何，復(fù)幾何和辛幾何，并且分別對(duì)應(yīng)三個(gè)不同類型的李群 辛幾何是它們之中最新發(fā)展起來(lái)的，并且在某種意義下也許是最有趣的，當(dāng)然也是與物理有極其緊密聯(lián)系的一個(gè)，這主要因?yàn)樗臍v史起源與Hamilton力學(xué)有關(guān)以及近些年來(lái)它與量子力學(xué)的聯(lián)系現(xiàn)在，我前面提到過(guò)的、作為電磁學(xué)基本線性方程的Maxwell方程，是Hodge在調(diào)和形式方面工作和在代數(shù)幾何中應(yīng)用方面工作的源動(dòng)力這是一個(gè)非常富有成果的理論，并且自從本世紀(jì)三十年代以來(lái)已經(jīng)成為幾何學(xué)中的許多工作的基礎(chǔ) 我已經(jīng)提到過(guò)廣義相對(duì)論和Einstein的工作量子力學(xué)當(dāng)然更是提供了一

28、個(gè)重要的實(shí)例這不僅僅體現(xiàn)在對(duì)易關(guān)系上，而且更顯著地體現(xiàn)在對(duì)Hilbert空間和譜理論的強(qiáng)調(diào)上 以一種更具體和明顯的方式，結(jié)晶學(xué)的古典形式是與晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性有關(guān)的第一個(gè)被研究的實(shí)例是發(fā)生在點(diǎn)周圍的有限對(duì)稱群，這是鑒于它們?cè)诮Y(jié)晶學(xué)中的應(yīng)用 在本世紀(jì)中，群論更深刻的應(yīng)用已經(jīng)轉(zhuǎn)向與物理的關(guān)系，被假設(shè)用來(lái)構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子看起來(lái)在最小的層面上有隱藏的對(duì)稱性，在這個(gè)層面上，有某些李群在此出沒(méi)，對(duì)此我們看不見(jiàn)，但是當(dāng)我們研究粒子的實(shí)際行為時(shí)，它們的對(duì)稱性就顯現(xiàn)無(wú)遺了所以我們假定了一個(gè)模型，在這個(gè)模型當(dāng)中，對(duì)稱性是一個(gè)本質(zhì)性的要素，而且目前那些很普遍的不同理論都有一些象SU(2)和SU(3)那樣的基本李群融

29、入其中并構(gòu)成基礎(chǔ)的對(duì)稱群，因此這些李群看起來(lái)象是建設(shè)物質(zhì)大廈的磚石 并不是只有緊李群才出現(xiàn)在物理中,一些非緊李群也出現(xiàn)在物理中，例如Lorentz群正是由物理學(xué)家第一個(gè)開(kāi)始研究非緊李群的表示理論的它們是那些能夠發(fā)生在Hilbert空間的表示，這是因?yàn)?，?duì)于緊群而言，所有不可約表示都是有限維的，而非緊群需要的是無(wú)窮維表示，這也是首先由物理學(xué)家意識(shí)到的 在二十世紀(jì)的最后25年里，正如我剛剛完成闡述的，有一種巨大的從物理學(xué)的新思想到數(shù)學(xué)的滲透，這也許是整個(gè)世紀(jì)最引人注目的事件之一，就這個(gè)問(wèn)題本身，也許就需要一個(gè)完整的報(bào)告，但是，基本上來(lái)講，量子場(chǎng)論和弦理論已經(jīng)以引人注目的方式影響了數(shù)學(xué)的許多分支，得

30、到了眾多的新結(jié)果、新思想和新技術(shù) 這里，我的意思是指物理學(xué)家通過(guò)對(duì)物理理論的理解已經(jīng)能夠預(yù)言某些在數(shù)學(xué)上是對(duì)的事情了當(dāng)然，這不是一個(gè)精確的證明，但是確有非常強(qiáng)有力的直覺(jué)、一些特例和類比所支持?jǐn)?shù)學(xué)家們經(jīng)常來(lái)檢驗(yàn)這些由物理學(xué)家預(yù)言的結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)它們基本上是正確的，盡管給出證明是很困難的而且它們中的許多還沒(méi)有被完全證明 所以說(shuō)沿著這個(gè)方向，在過(guò)去的25年里取得了巨大的成果這些結(jié)果是極其細(xì)致的 這并不象物理學(xué)家所講的“這是一種應(yīng)該是對(duì)的東西”他們說(shuō)：“這里有明確的公式，還有頭十個(gè)實(shí)例（涉及超過(guò)12位的數(shù)字）”他們會(huì)給出關(guān)于復(fù)雜問(wèn)題的準(zhǔn)確答案，這些決不是那種靠猜測(cè)就能得到的，而是需要用機(jī)器計(jì)算的東西，

31、量子場(chǎng)論提供了一個(gè)重要的 工具，雖然從數(shù)學(xué)上來(lái)理解很困難，但是站在應(yīng)用的角度，它有意想不到的回報(bào)這是最近25年中真正令人興奮的事件 在這里我列一些重要的成果：SimonDonaldson在四維流形方面的工作；Vaughan-Jones在扭結(jié)不變量方面的工作；鏡面對(duì)稱，量子群； “魔群” 二十世紀(jì)見(jiàn)證了維數(shù)的一種轉(zhuǎn)換并且以轉(zhuǎn)換為無(wú)窮維而告終，物理學(xué)家超越了這些，在量子場(chǎng)論方面，他們真正試圖對(duì)廣泛的無(wú)窮維空間進(jìn)行細(xì)致的研究，他們處理的無(wú)窮維空間是各類典型的函數(shù)空間，它們非常復(fù)雜，不僅是因?yàn)樗鼈兪菬o(wú)窮維的，而且它們有復(fù)雜的代數(shù)、幾何以及拓?fù)?，還有圍繞其中的很大的李群，即無(wú)窮維的李群，因此正如二十世紀(jì)

32、數(shù)學(xué)的大部分涉及的是幾何、拓?fù)?、代?shù)以及有限維李群和流形上分析的發(fā)展，這部分物理涉及了在無(wú)窮維情形下的類似處理當(dāng)然，這是一件非常不同的事情，但確有巨大的成功 在這樣一個(gè)11維理論中，我們將時(shí)空取成一個(gè)Riemann曲面并且由此可以得到很多新的結(jié)果例如，研究一個(gè)給定虧格數(shù)的Riemann曲面的模空間是個(gè)可以追溯到上個(gè)世紀(jì)的古典課題而由量子場(chǎng)論已經(jīng)得到了很多關(guān)于這些?？臻g的上同調(diào)的新結(jié)果另一個(gè)非常類似的?？臻g是一個(gè)具有虧格數(shù)g的Riemann曲面上的平坦G-叢的?？臻g這些空間都是非常有趣的并且量子場(chǎng)論給出關(guān)于它們的一些精確結(jié)果特別地，可以得到一些關(guān)于體積的很漂亮的公式，這其中涉及到Zeta函數(shù)的取

33、值 另一個(gè)應(yīng)用與計(jì)數(shù)曲線(counting curve)有關(guān)如果我們來(lái)看給定次數(shù)和類型的平面代數(shù)曲線，我們想要知道的是，例如，經(jīng)過(guò)那么多點(diǎn)究竟有多少曲線，這樣我們就要面臨代數(shù)幾何的計(jì)數(shù)問(wèn)題，這些問(wèn)題在上個(gè)世紀(jì)一直是很經(jīng)典的而且也是非常困難的現(xiàn)在它們已經(jīng)通過(guò)被稱為“量子上同調(diào)”的現(xiàn)代技術(shù)解決了，這完全是從量子場(chǎng)論中得到的或者我們也可以接觸那些關(guān)于不在平面上而在彎曲族上的曲線的更加困難的問(wèn)題，這樣我們得到了另一個(gè)具有明確結(jié)果的被稱為鏡面對(duì)稱的美妙理論，所有這些都產(chǎn)生于11維量子場(chǎng)論 如果我們升高一個(gè)維數(shù)，也就是2-維空間和1-維時(shí)間，就可以得到Vaughan-Jones的扭結(jié)不變量理論這個(gè)理論已經(jīng)

34、用量子場(chǎng)論的術(shù)語(yǔ)給予了很美妙的解釋和分析 量子場(chǎng)論另一個(gè)結(jié)果是所謂的“量子群”現(xiàn)在關(guān)于量子群的最好的東西是它們的名字明確地講它們不是群！ 如果我們將維數(shù)升得更高一些，到一個(gè)全四維理論（三加一維），這就是Donaldson的四維流形理論，在這里量子場(chǎng)論產(chǎn)生了重大影響特別地，這還導(dǎo)致Seiberg和Witten建立了他們相應(yīng)的理論，該理論建立在物理直覺(jué)之上并且也給出許多非同尋常的數(shù)學(xué)結(jié)果所有這些都是些突出的例子其實(shí)還有更多的例子 接下來(lái)是弦理論并且這已經(jīng)是過(guò)時(shí)的了！我們現(xiàn)在所談?wù)摰氖荕一理論，這是一個(gè)內(nèi)容豐富的理論，其中同樣有大量的數(shù)學(xué)，從關(guān)于它的研究中得到的結(jié)果仍有待于進(jìn)一步消化并且足可以讓數(shù)學(xué)

35、家們忙上相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間 歷史的總結(jié) 二十世紀(jì)大致可以一分為二地分成兩部分我認(rèn)為二十世紀(jì)前半葉是被我稱為“專門化的時(shí)代”，這是一個(gè)Hilbert的處理辦法大行其道的時(shí)代，即努力進(jìn)行形式化，仔細(xì)地定義各種事物，并在每一個(gè)領(lǐng)域中貫徹始終正如我說(shuō)到過(guò)的，Bourbaki的名字是與這種趨勢(shì)聯(lián)系在一起的在這種趨勢(shì)下，人們把注意力都集中于在特定的時(shí)期從特定的代數(shù)系統(tǒng)或者其它系統(tǒng)能獲得什么 二十世紀(jì)后半葉更多地被我稱為“統(tǒng)一的時(shí)代”，在這個(gè)時(shí)代，各個(gè)領(lǐng)域的界限被打破了，各種技術(shù)可以從一個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用到另外一個(gè)領(lǐng)域，并且事物在很大程度上變得越來(lái)越有交叉性我想這是一種過(guò)于簡(jiǎn)單的說(shuō)法，但是我認(rèn)為這簡(jiǎn)單總結(jié)了我們所看到的二

36、十世紀(jì)數(shù)學(xué)的一些方面 二十一世紀(jì)會(huì)是什么呢？我已經(jīng)說(shuō)過(guò)，二十一世紀(jì)是量子數(shù)學(xué)的時(shí)代，或者，如果大家喜歡，可稱為是無(wú)窮維數(shù)學(xué)的時(shí)代這意味著什么呢？量子數(shù)學(xué)的含義是指我們能夠恰當(dāng)?shù)乩斫夥治觥缀?、拓?fù)浜透魇礁鳂拥姆蔷€性函數(shù)空間的代數(shù)，在這里，“恰當(dāng)?shù)乩斫狻?，我是指能夠以某種方式對(duì)那些物理學(xué)家們已經(jīng)推斷出來(lái)的美妙事物給出較精確的證明 有人要說(shuō)，如果用天真幼稚的方式(naive way)來(lái)研究無(wú)窮維并問(wèn)一些天真幼稚的問(wèn)題，通常來(lái)講，只能得到錯(cuò)誤的答案或者答案是無(wú)意義的，物理的應(yīng)用、洞察力和動(dòng)機(jī)使得物理學(xué)家能夠問(wèn)一些關(guān)于無(wú)窮維的明智的問(wèn)題，并且可以在有合乎情理的答案時(shí)作一些非常細(xì)致的工作，因此用這種方式分析無(wú)窮維決不是一件輕而易舉的事情我們必須沿著這條正確的道路走下去我們已經(jīng)得到了許多線索，地圖已經(jīng)攤開(kāi)了：我們的目標(biāo)