丘成桐谈陈省身:二十世纪伟大的几何大师 | 陈省身110周年纪念
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本文是丘成桐院士为“陈省身先生 110 周年纪念会”(时间:2021 年 10 月 10—14 日,地点:清华大学,线上直播 Zoom ID: 228 011 0844 (Passcode: Chern110)
只手换乾坤,拓扑知曲率,
无双真国士,弟子遍寰球,
卓识贯六合,先生长留万世名。
—— 弟子丘成桐
早期
扶轮中学
霍尔 (Hall)和 奈特(Knight)的《代数》, 温特沃斯(Wentworth)的《高等代数》,和 斯密斯(Smith)的《几何与三角学》。
南开大学
库利奇的非欧几何学《圆和球面的几何》, 萨蒙(Salmon)的《圆锥切面和三维解析几何》, 卡斯泰尔诺沃(Castelnuovo, 1865-1952)的《解析和射影几何》,和 斯坦德(Otto Stande)的《线构造法》等书。
清华大学
布拉施克
凯勒
凯勒观察到凯勒—爱因斯坦度量必须满足某个复蒙日—安培方程,并举出了不少例子。他同时证明了凯勒几何中的里奇形式是闭形式,从而给出了德拉姆上同调类,而这个上同调类和凯勒度量的选取无关。这就是凯勒流形中的第一陈形式。先生当时正在上凯勒的课,他受到此论文的影响是不言而喻的。
在他生命的最后三十年中,先生常对学生说,他非常希望教懂他们威力强大的嘉当活动标架法。
先生很可能是在 1934 年从凯勒在汉堡的研讨班上学懂了嘉当—凯勒理论,研讨班上能坚持到最后的只有先生一人而已。
嘉当
毫无疑问,嘉当是本世纪最伟大的数学家之一,他天才横溢,但为人谦厚,一生平和。 1940 年,我刻苦研读嘉当的文章,终于领悟到联络的概念将会发挥关键的作用,并由此完成了几篇论文,讨论如何对给定的几何结构配上联络。
外尔对嘉当的评价
嘉当毫无置疑是在世的最伟大的微分几何学家,但我也不得不承认他的著作,跟他大部分论文一样,皆晦涩难读。
确定何时两个度量可以差一个坐标变换。
先生之工作(1932-1943)
找到子流形在射影变换群下的一族完全的局部不变量,并且透过和简单几何图形的密切性质来给出几何上的解释。
先生访问普林斯顿(1943)
1827 年,高斯(Carl Friedrich Gauss, 1777-1855)在《关于曲面的一般研究》(Disquistiones Circa superficies Curvas)中对测地三角形给出了公式:他考虑了 中的曲面并用了高斯映射。 1848年,博内(Pierre Ossian Bonnet, 1819-1892)在论文《一般曲面理论综述》(Mémoire sur la théorie générale des surfaces)中,把高斯的公式推广到以一条任意曲线为边界的单连通区域。 戴克(Walther von Dyck, 1856-1943)在 1888 年的论文《对位置分析的贡献》(Beiträge zur analysis situs)中,把高斯-博内公式推广到任意亏格的曲面。 霍普夫(Heinz Hopf, 1894-1971)把公式推广到 中的余维数为 的超曲面。 1940 年,艾伦多弗(Carl B. Allendoerfer, 1911-1974)和费恩雪尔(Werner Fenchel, 1905-1988)研究了可嵌入到欧氏空间中的可定向闭黎曼流形。 1943 年,艾伦多弗和韦伊把公式推广到闭黎曼多面体,因而对一般的闭黎曼流形也成立,见《黎曼多面体的高斯–博内定理》(The Gauss-Bonnet theorem for Riemannian polyhedra)。
基于外尔和其他一些人的工作,我们依赖于"管子"的证明虽然的确要用到(当时还不明了)球丛的构造,也就是一个给定浸入的横截丛,但不是内蕴的。 陈省身的证明第一次清楚地引入了内蕴丛,也就是单位长度的切向量丛上的运算,让整个领域的面貌焕然一新。
陈-高斯-博内公式的证明
《流形上的示性闭链》(Characteristic cycles on manifolds, C.R.(Doklady) Acad. Sci. URSS, 35 (1942), 34-37),和 《关于黎曼流形上一些拓扑不变量》(On some topological invariants of Riemannian manifolds, C.R.(Doklady) Acad. Sci. URSS(N.S.), 43 (1944), 91-94)。
希策布鲁赫:“在高等研究所的两年(1952-1954)对我的数学生涯影响甚大。我研读和发展了陈类的基本性质,又引入了陈特征。后来。陈特征在我和阿提亚(Michael Atiyah, 1929-2019)的合作中,成为从 -理论到有理上同调的一个函子。”
先生的基础性论文(1946)
先生在高等研究院和芝加哥的岁月
分裂原理
- 1978 年,施瓦茨(Albert Schwarz, 1934-)引入了包含陈-西蒙斯理论的拓扑量子场论。他的论文题为《退化二次泛函的分割函数和雷–辛格不变量》(The partition function of degenerate quadratic functional and Ray-Singer invariants, 1978)。
- 1981 年,捷奇夫(Roman Jackiw, 1939-)和他的学生坦普尔顿(Stephen Templeton)研究了带陈-西蒙斯项的三维 QED;1982 年,又研究了非交换规范场论和三维爱因斯坦引力。
- 1981年,劳克林(Laughlin, 1950-)发表了二维的量子化霍尔传导性的论文;1983 年发表了分数次量子霍尔效应的论文,其中的低能量可以用陈—西蒙斯项来描述。随后的工作者有韦尔切克(Frank Wilczek, 1951-)、徐一鸿(Anthony Zee, 1945-)、泊里雅科夫(Alexander Markovich Polyakov, 1945-)等。
- 威腾(Witten, 1951-)把三维的陈--西蒙斯发展成和琼斯多项式有关的量子理论。威腾的文章掀起了对扭结理论的一番探索,包括所谓的三维双曲流形的体积猜想。陈--西蒙斯理论及其在凝聚态物理上的推广内容庞大,难以在此综述。
- 文小刚(Xiaogang Wen, 1961-)(1990 年也在高等研究院完成)引入了凝聚态物理学家称为拓扑序(topological order)的概念,来作为 TQFT 和陈—西蒙斯理论在高维量子物质中的实现。
举头千里云收,星河长挂天无际。夜静灯昏,追思无限,魂归来未?海畔南开,清华水木,尚存俊气。想登楼眺远,茫茫宇内,悠悠事,谁能记?
犹忆东传舜水,尽流芳,汉家风味。筹思如泻,世间长拜,斯人绝艺。九十华年,婆娑岁月,自然清贵。算功名,二祖秦韶差逮,几何陈类。
—— 丘成桐 二零一零年八月十二日
注:
1. 舜水,明朱舜水,东渡扶桑,使阳明之学东传。这里意指陈省身第一篇正式发表的文章,
Triads of rectilinear congruences with generators in correspondence, Tohoku
Math. J.
40 (1935), 179-188,刊登在日本《东北数学杂志》上。
2. 二祖指南北朝祖冲之父子,秦指宋秦九韶。
3. 陈类即陈示性类。
丘成桐,北京雁栖湖应用数学研究院院长,哈佛大学教授,清华大学教授,美国科学院院士,中国科学院外籍院士;菲尔兹奖、克拉福德奖、沃尔夫奖、马塞尔·格罗斯曼奖得主。
本文经授权转载自微信公众号“数理人文”,原标题为《陈省身 —— 二十世纪伟大的几何大师》。
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