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计算机科学与技术学习反思录(转载)

Posted by 宝水 on 一月 26, 2008

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计算机科学与技术学习反思录

计算机科学与技术这一门科学深深的吸引着我们这些同学们,上计算机系已经有近三年了,自己也做了一些思考,我一直认为计算机科学与技术这门专业,在本科阶段是不可能切分成计算机科学和计算机技术的,因为计算机科学需要相当多的实践,而实践需要技术;每一个人(包括非计算机专业),掌握简单的计算机技术都很容易(包括程序设计),但计算机专业的优势就在于,我们掌握许多其他专业并不“深究”的东西,例如,算法,体系结构,等等。非计算机专业的人可以很容易地做一个芯片,写一段程序,但他们做不出计算机专业能够做出来的大型系统。(与司徒彦南兄的谈话)今天我想专门谈一谈计算机科学,并将重点放在计算理论上。

计算机理论的一个核心问题–从数学谈起:

记得当年大一入学,每周六课时高等数学,天天作业不断(那时是六日工作制)。颇有些同学惊呼走错了门:咱们这到底念的是什么系?不错,你没走错门,这就是计算机科学与技术系。我国计算机科学系里的传统是培养做学术研究,尤其是理论研究的人(方向不见得有问题,但是做得不是那么尽如人意)。而计算机的理论研究,说到底了,如网络安全,图形图像学,视频音频处理,哪个方向都与数学有着很大的关系,虽然也许是正统数学家眼里非主流的数学。这里我还想阐明我的一个观点:我们都知道,数学是从实际生活当中抽象出来的理论,人们之所以要将实际抽象成理论,目的就在于想用抽象出来的理论去更好的指导实践,有些数学研究工作者喜欢用一些现存的理论知识去推导若干条推论,殊不知其一:问题考虑不全很可能是个错误的推论,其二:他的推论在现实生活中找不到原型,不能指导实践。严格的说,我并不是一个理想主义者,政治课上学的理论联系实际一直是指导我学习科学文化知识的航标(至少我认为搞计算机科学与技术的应当本着这个方向)。

其实我们计算机系学数学光学高等数学是不够的(典型的工科院校一般都开的是高等数学),我们应该像数学系一样学一下数学分析(清华计算机系开的好像就是数学分析),数学分析这门科学,咱们学计算机的人对它有很复杂的感情。在于它是偏向于证明型的数学课程,这对我们培养良好的分析能力极有帮助。我的软件工程学导师北工大数理学院的王仪华先生就曾经教导过我们,数学系的学生到软件企业中大多作软件设计与分析工作,而计算机系的学生做程序员的居多,原因就在于数学系的学生分析推理能力,从所受训练的角度上要远远在我们之上。当年出现的怪现象是:计算机系学生的高中数学基础在全校数一数二(希望没有冒犯其它系的同学),教学课时数也仅次于数学系,但学完之后的效果却不尽如人意。难道都是学生不努力吗,我看未见得,方向错了也说不一定,其中原因何在,发人深思。

我个人的浅见是:计算机系的学生,对数学的要求固然跟数学系不同,跟物理类差别则更大。通常非数学专业的所谓“高等数学”,无非是把数学分析中较困难的理论部分删去,强调套用公式计算而已。而对计算机系来说,数学分析里用处最大的恰恰是被删去的理论部分。说得难听一点,对计算机系学生而言,追求算来算去的所谓“工程数学”已经彻底地走进了误区。记上一堆曲面积分的公式,难道就能算懂了数学?那倒不如现用现查,何必费事记呢?再不然直接用Mathematics或是Matalab好了。

我在系里最爱做的事情就是给学弟学妹们推荐参考书。中文的数学分析书,一般都认为以北大张筑生老师的“数学分析新讲”为最好。万一你的数学实在太好,那就去看菲赫金哥尔茨的“微积分学教程”好了–但我认为没什么必要,毕竟你不想转到数学系去。吉米多维奇的“数学分析习题集”也基本上是计算型的东东。书的名气很大,倒不见得适合我们,还是那句话,重要的是数学思想的建立,生活在信息社会里我们求的是高效,计算这玩意还是留给计算机吧。不过现在多用的似乎是复旦大学的《数学分析》也是很好的教材。

中国的所谓高等代数,就等于线性代数加上一点多项式理论。我以为这有好的一面,因为可以让学生较早感觉到代数是一种结构,而非一堆矩阵翻来覆去。这里不得不提南京大学林成森,盛松柏两位老师编的“高等代数”,感觉相当舒服。此书相当全面地包含了关于多项式和线性代数的基本初等结果,同时还提供了一些有用的又比较深刻的内容,如Sturm序列,Shermon-Morrison公式,广义逆矩阵等等。可以说,作为本科生如能吃透此书,就可以算高手。国内较好的高等代数教材还有清华计算机系用的那本,清华出版社出版,书店里多多,一看就知道。从抽象代数的观点来看,高等代数里的结果不过是代数系统性质的一些例子而已。莫宗坚先生的《代数学》里,对此进行了深刻的讨论。然而莫先生的书实在深得很,作为本科生恐怕难以接受,不妨等到自己以后成熟了一些再读。

正如上面所论述的,计算机系的学生学习高等数学:知其然更要知其所以然。你学习的目的应该是:将抽象的理论再应用于实践,不但要掌握题目的解题方法,更要掌握解题思想,对于定理的学习:不是简单的应用,而是掌握证明过程即掌握定理的由来,训练自己的推理能力。只有这样才达到了学习这门科学的目的,同时也缩小了我们与数学系的同学之间思维上的差距。

概率论与数理统计这门课很重要,可惜大多数院校讲授这门课都会少些东西。少了的东西现在看至少有随机过程。到毕业还没有听说过Markov过程,此乃计算机系学生的耻辱。没有随机过程,你怎么分析网络和分布式系统?怎么设计随机化算法和协议?据说清华计算机系开有“随机数学”,早就是必修课。另外,离散概率论对计算机系学生来说有特殊的重要性。而我们国家工程数学讲的都是连续概率。现在,美国已经有些学校开设了单纯的“离散概率论”课程,干脆把连续概率删去,把离散概率讲深些。我们不一定要这么做,但应该更加强调离散概率是没有疑问的。这个工作我看还是尽早的做为好。

计算方法学(有些学校也称为数学分析学)是最后一门由数理学院给我们开的课。一般学生对这门课的重视程度有限,以为没什么用。不就是照套公式嘛!其实,做图形图像可离不开它,密码学搞深了也离不开它。而且,在很多科学工程中的应用计算,都以数值的为主。这门课有两个极端的讲法:一个是古典的“数值分析”,完全讲数学原理和算法;另一个是现在日趋流行的“科学与工程计算”,干脆教学生用软件包编程。我个人认为,计算机系的学生一定要认识清楚我们计算机系的学生为什么要学这门课,我是很偏向于学好理论后用计算机实现的,最好使用C语言或C++编程实现。向这个方向努力的书籍还是挺多的,这里推荐大家高等教育出版社(CHEP)和施普林格出版社(Springer)联合出版的《计算方法(Computational Methods)》,华中理工大学数学系写的(现华中科技大学),这方面华科大做的工作在国内应算是比较多的,而个人认为以这本最好,至少程序设计方面涉及了:任意数学函数的求值,方程求根,线性方程组求解,插值方法,数值积分,场微分方程数值求解。李庆扬的那本则理论性过强,与实际应用结合得不太紧。
每个学校本系里都会开一门离散数学,涉及集合论,图论,和抽象代数,数理逻辑。不过,这么多内容挤在离散数学一门课里,是否时间太紧了点?另外,计算机系学生不懂组合和数论,也是巨大的缺陷。要做理论,不懂组合或者数论吃亏可就太大了。从理想的状态来看,最好分开六门课:集合,逻辑,图论,组合,代数,数论。这个当然不现实,因为没那么多课时。也许将来可以开三门课:集合与逻辑,图论与组合,代数与数论。(这方面我们学校已经着手开始做了)不管课怎么开,学生总一样要学。下面分别谈谈上面的三组内容。

古典集合论,北师大出过一本《基础集合论》不错。

数理逻辑,中科院软件所陆钟万教授的《面向计算机科学的数理逻辑》就不错。现在可以找到陆钟万教授的讲课录像,http://www.cas.ac.cn/html/Dir/2001/11/06/3391.htm自己去看看吧。总的来说,学集合/逻辑起手不难,普通高中生都能看懂。但越往后越感觉深不可测。

学完以上各书之后,如果你还有精力兴趣进一步深究,那么可以试一下GTM系列中的《Introduction to Axiomatic Set Theory》和《A Course of Mathematical Logic》。这两本都有世界图书出版社的引进版。你如果能搞定这两本,可以说在逻辑方面真正入了门,也就不用再浪费时间听我瞎侃了。

据说全中国最多只有三十个人懂图论。此言不虚。图论这东东,技巧性太强,几乎每个问题都有一个独特的方法,让人头痛。不过这也正是它魅力所在:只要你有创造性,它就能给你成就感。我的导师说,图论里面随便揪一块东西就可以写篇论文。大家可以体会里面内容之深广了吧!国内的图论书中,王树禾老师的“图论及其算法”非常成功。一方面,其内容在国内教材里算非常全面的。另一方面,其对算法的强调非常适合计算机系(本来就是科大计算机系教材)。有了这本书为主,再参考几本翻译的,如Bondy & Murty的《图论及其应用》人民邮电出版社翻译的《图论和电路网络》等等,就马马虎虎,对本科生足够了。再进一步,世界图书引进有GTM系列的"Modern Graph Theory"。此书确实经典!国内好象还有一家出版了个翻译版。不过,学到这个层次,还是读原版好。搞定这本书,也标志着图论入了门。

离散数学方面我们北京工业大学实验学院有个世界级的专家,叫邵学才,复旦大学概率论毕业的,教过高等数学,线性代数,概率论,最后转向离散数学,出版著作无数,论文集新加坡有一本,堪称经典,大家想学离散数学的真谛不妨找来看看。这老师的课我专门去听过,极为经典。不过你要从他的不经意的话中去挖掘精髓。在同他的交谈当中我又深刻地发现一个问题,虽说邵先生写书无数,但依他自己的说法每本都差不多,我实在觉得诧异,他说主要是有大纲的限制,不便多写。这就难怪了,很少听说国外写书还要依据个什么大纲(就算有,内容也宽泛的多),不敢越雷池半步,这样不是看谁的都一样了。外版的书好就好在这里,最新的科技成果里面都有论述,别的先不说,至少是“紧跟时代的理论知识”。

组合感觉没有太适合的国产书。还是读Graham和Knuth等人合著的经典“具体数学”吧,西安电子科技大学出版社有翻译版。

抽象代数,国内经典为莫宗坚先生的“代数学”。此书是北大数学系教材,深得好评。然而对本科生来说,此书未免太深。可以先学习一些其它的教材,然后再回头来看“代数学”。国际上的经典可就多了,GTM系列里就有一大堆。推荐一本谈不上经典,但却最简单的,最容易学的:http://www.math.miami.edu/~ec/book/这本“Introduction to Linear and Abstract Algebra"非常通俗易懂,而且把抽象代数和线性代数结合起来,对初学者来说非常理想,我校比较牛的同学都有收藏。

数论方面,国内有经典而且以困难著称的”初等数论“(潘氏兄弟著,北大版)。再追溯一点,还有更加经典(可以算世界级)并且更加困难的”数论导引“(华罗庚先生的名著,科学版,九章书店重印,繁体的看起来可能比较困难)。把基础的几章搞定一个大概,对本科生来讲足够了。但这只是初等数论。本科毕业后要学计算数论,你必须看英文的书,如Bach的"Introduction to Algorithmic Number Theory"

计算机科学理论的根本,在于算法。现在很多系里给本科生开设算法设计与分析,确实非常正确。环顾西方世界,大约没有一个三流以上计算机系不把算法作为必修的。算法教材目前公认以Corman等著的"Introduction to Algorithms"为最优。对入门而言,这一本已经足够,不需要再参考其它书。

再说说形式语言与自动机。我看过北邮的教材,应该说写的还清楚。但是,有一点要强调:形式语言和自动机的作用主要在作为计算模型,而不是用来做编译。事实上,编译前端已经是死领域,没有任何open problems,北科大的班晓娟博士也曾经说过,编译的技术已相当成熟。如果为了这个,我们完全没必要去学形式语言–用用yacc什么的就完了。北邮的那本在国内还算比较好,但是在深度上,在跟可计算性的联系上都有较大的局限,现代感也不足。所以建议有兴趣的同学去读英文书,不过国内似乎没引进这方面的教材。可以去互动出版网上看一看。入门以后,把形式语言与自动机中定义的模型,和数理逻辑中用递归函数定义的模型比较一番,可以说非常有趣。现在才知道,什么叫“宫室之美,百官之富”!

计算机科学和数学的关系有点奇怪。二三十年以前,计算机科学基本上还是数学的一个分支。而现在,计算机科学拥有广泛的研究领域和众多的研究人员,在很多方面反过来推动数学发展,从某种意义上可以说是孩子长得比妈妈还高了。但不管怎么样,这个孩子身上始终流着母亲的血液。这血液是the mathematical underpinning of computer science(计算机科学的数学基础),也就是理论计算机科学。原来在东方大学城图书馆中曾经看过一本七十年代的译本(书皮都没了,可我就爱关注这种书),大概就叫《计算机数学》。那本书若是放在当时来讲决是一本好书,但现在看来,涵盖的范围还算广,深度则差了许多,不过推荐大一的学生倒可以看一看,至少可以使你的计算数学入入门。

最常和理论计算机科学放在一起的一个词是什么?答:离散数学。这两者的关系是如此密切,以至于它们在不少场合下成为同义词。(这一点在前面的那本书中也有体现)传统上,数学是以分析为中心的。数学系的同学要学习三四个学期的数学分析,然后是复变函数,实变函数,泛函数等等。实变和泛函被很多人认为是现代数学的入门。在物理,化学,工程上应用的,也以分析为主。

随着计算机科学的出现,一些以前不太受到重视的数学分支突然重要起来。人们发现,这些分支处理的数学对象与传统的分析有明显的区别:分析研究的问题解决方案是连续的,因而微分,积分成为基本的运算;而这些分支研究的对象是离散的,因而很少有机会进行此类的计算。人们从而称这些分支为“离散数学”。“离散数学”的名字越来越响亮,最后导致以分析为中心的传统数学分支被相对称为“连续数学”。

离散数学经过几十年发展,基本上稳定下来。一般认为,离散数学包含以下学科 :
1) 集合论,数理逻辑与元数学。这是整个数学的基础,也是计算机科学的基础。

2) 图论,算法图论;组合数学,组合算法。计算机科学,尤其是理论计算机科学的核心是
算法,而大量的算法建立在图和组合的基础上。

3) 抽象代数。代数是无所不在的,本来在数学中就非常重要。在计算机科学中,人们惊讶地发现代数竟然有如此之多的应用。

但是,理论计算机科学仅仅就是在数学的上面加上“离散”的帽子这么简单吗?一直到大约十几年前,终于有一位大师告诉我们:不是。D.E.Knuth(他有多伟大,我想不用我废话了)在Stanford开设了一门全新的课程Concrete Mathematics。 Concrete这个词在这里有两层含义:

首先:对abstract而言。Knuth认为,传统数学研究的对象过于抽象,导致对具体的问题关心不够。他抱怨说,在研究中他需要的数学往往并不存在,所以他只能自己去创造一些数学。为了直接面向应用的需要,他要提倡“具体”的数学。在这里我做一点简单的解释。例如在集合论中,数学家关心的都是最根本的问题–公理系统的各种性质之类。而一些具体集合的性质,各种常见集合,关系,映射都是什么样的,数学家觉得并不重要。然而,在计算机科学中应用的,恰恰就是这些具体的东西。Knuth能够首先看到这一点,不愧为当世计算机第一人。其次,Concrete是Continuous(连续)加上discrete(离散)。不管连续数学还是离散数学,都是有用的数学!

理论与实际的结合–计算机科学研究的范畴

前面主要是从数学角度来看的。从计算机角度来看,理论计算机科学目前主要的研究领域包括:可计算性理论,算法设计与复杂性分析,密码学与信息安全,分布式计算理论,并行计算理论,网络理论,生物信息计算,计算几何学,程序语言理论等等。这些领域互相交叉,而且新的课题在不断提出,所以很难理出一个头绪来。想搞搞这方面的工作,推荐看中国计算机学会的一系列书籍,至少代表了我国的权威。下面随便举一些例子。

由于应用需求的推动,密码学现在成为研究的热点。密码学建立在数论(尤其是计算数论),代数,信息论,概率论和随机过程的基础上,有时也用到图论和组合学等。很多人以为密码学就是加密解密,而加密就是用一个函数把数据打乱。这样的理解太浅显了。

现代密码学至少包含以下层次的内容:

第一,密码学的基础。例如,分解一个大数真的很困难吗?能否有一般的工具证明协议正确?

第二,密码学的基本课题。例如,比以前更好的单向函数,签名协议等。

第三,密码学的高级问题。例如,零知识证明的长度,秘密分享的方法。

第四,密码学的新应用。例如,数字现金,叛徒追踪等。

在分布式系统中,也有很多重要的理论问题。例如,进程之间的同步,互斥协议。一个经典的结果是:在通信信道不可靠时,没有确定型算法能实现进程间协同。所以,改进TCP三次握手几乎没有意义。例如时序问题。常用的一种序是因果序,但因果序直到不久前才有一个理论上的结果….例如,死锁没有实用的方法能完美地对付。例如,……操作系统研究过就自己去举吧!

如果计算机只有理论,那么它不过是数学的一个分支,而不成为一门独立的科学。事实上,在理论之外,计算机科学还有更广阔的天空。

我一直认为,4年根本不够学习计算机的基础知识,因为面太宽了,8年,应该差不多了……

这方面我想先说说我们系在各校普遍开设的《计算机基础》。在高等学校开设《计算机基础课程》是我国高教司明文规定的各专业必修课程要求。主要内容是使学生初步掌握计算机的发展历史,学会简单的使用操作系统,文字处理,表格处理功能和初步的网络应用功能。但是在计算机科学系教授此门课程的目标决不能与此一致。在计算机系课程中目标应是:让学生较为全面的了解计算机学科的发展,清晰的把握计算机学科研究的方向,发展的前沿即每一个课程在整个学科体系中所处的地位。搞清各学科的学习目的,学习内容,应用领域。使学生在学科学习初期就对整个学科有一个整体的认识,以做到在今后的学习中清楚要学什么,怎么学。计算机基本应用技能的位置应当放在第二位或更靠后,因为这一点对于本系的学生应当有这个摸索能力。这一点很重要。推荐给大家一本书:机械工业出版社的《计算机文化》(New Perspective of Computer Science),看了这本书我才深刻的体会到自己还是个计算机科学初学者,才比较透彻的了解了什么是计算机科学。

一个一流计算机系的优秀学生决不该仅仅是一个编程高手,但他一定首先是一个编程高手。我上大学的时候,第一门专业课是C语言程序设计,念计算机的人从某种角度讲相当一部分人是靠写程序吃饭的。在我们北京工业大学实验学院计算机系里一直有这样的争论(时至今日CSDN上也有),关于第一程序设计语言该用哪一种。我个人认为,用哪种语言属于末节,关键在养成良好的编程习惯。当年老师对我们说,打好基础后学一门新语言只要一个星期。现在我觉得根本不用一个星期,前提是先把基础打好。不要再犹豫了,学了再说,等你抉择好了,别人已经会了几门语言了。

汇编语言和微机原理是两门特烦人的课。你的数学/理论基础再好,也占不到什么便宜。这两门课之间的次序也好比先有鸡还是先有蛋,无论你先学哪门,都会牵扯另一门课里的东西。所以,只能静下来慢慢琢磨。这就是典型的工程课,不需要太多的聪明和顿悟,却需要水滴石穿的渐悟。有关这两门课的书,计算机书店里不难找到。弄几本最新的,对照着看吧。组成原理推荐《计算机组成与结构》清华大学王爱英教授写的。汇编语言大家拿8086/8088入个门,之后一定要学80×86汇编语言。实用价值大,不落后,结构又好,写写高效病毒,高级语言里嵌一点汇编,进行底层开发,总也离不开他,推荐清华大学沈美明的《IBM-PC汇编语言程序设计》。有些人说不想了解计算机体系结构,也不想制造计算机,所以诸如计算机原理,汇编语言,接口之类的课觉得没必要学,这样合理吗?显然不合理,这些东西迟早得掌握,肯定得接触,而且,这是计算机专业与其他专业学生相比的少有的几项优势。做项目的时候,了解这些是非常重要的,不可能说,仅仅为了技术而技术,只懂技术的人最多做一个编码工人,而永远不可能全面地了解整个系统的设计,而编码工人是越老越不值钱。关于组成原理还有个讲授的问题,在我学这门课程时老师讲授时把CPU工作原理誉微程序设计这一块略掉了,理由是我们国家搞CPU技术不如别的国家,搞了这么长时间好不容易出了个龙芯比Intel的还差个十万八千里,所以建议我们不要学了。我看这在各校也未见得不是个问题吧!若真是如他所说,那中国的计算机科学哪个方向都可以停了,软硬件,应用,有几项搞得过美国,搞不过别人就不搞了,那我们坐在这里干什么?教学的观念需要转变的。

模拟电路这东东,如今不仅计算机系学生搞不定,电子系学生也多半害怕。如果你真想软硬件通吃,那么建议你先看看邱关源的“电路原理”,也许此后再看模拟电路底气会足些。教材:康华光的“电子技术基础”(高等教育出版社)还是不错的(我校电子系在用)。有兴趣也可以参考童诗白的书。

数字电路比模拟电路要好懂得多。推荐大家看一看我们北工大刘英娴教授写的《数字逻辑》业绩人士都说这本书很有参考价值(机械工业出版社的)。原因很明了,实用价值高,能听听她讲授的课程更是有一种“享受科学”的感觉。清华大学阎石的书也算一本好教材,遗憾的一点是集成电路讲少了些。真有兴趣,看一看大规模数字系统设计吧(北航那本用的还比较多)。

计算机系统结构该怎么教,国际上还在争论。国内能找到的较好教材为Stallings的"Computer Organization and Architecture:Designing for Performance"(清华影印
本)
。国际上最流行的则是“Computer architecture: aquantitative approach", by Patterson & Hennessy

操作系统可以随便选用《操作系统的内核设计与实现》《现代操作系统》两书之一。这两部都可以算经典,唯一缺点就是理论上不够严格。不过这领域属于Hardcore System,所以在理论上马虎一点也情有可原。想看理论方面的就推荐清华大学出版社《操作系统》吧,高教司司长张尧学写的,我们教材用的是那本。 另外推荐一本《Windows操作系统原理》机械工业出版社的,这本书是我国操作系统专家在微软零距离考察半年,写作历时一年多写成的,教操作系统的专家除了清华大学的张尧学(现高教司司长)几乎所有人都参加了。Bill Gates亲自写序。里面不但结合windows2000,xp详述操作系统的内核,而且后面讲了一些windows编程基础,有外版书的味道,而且上面一些内容可以说在国内外只有那本书才有对windows内核细致入微的介绍,

如果先把形式语言学好了,则编译原理中的前端我看只要学四个算法:最容易实现的递归下降;最好的自顶向下算法LL(k);最好的自底向上算法LR(k);LR(1)的简化SLR(也许还有另一简化LALR)。后端完全属于工程性质,自然又是another story。

推荐教材:Kenneth C.Louden写的“Compiler Construction Principles and Practice”即是《编译原理及实践》(机械工业出版社的译本)

学数据库要提醒大家的是,会用VFP,VB, Power builder不等于懂数据库。(这世界上自以为懂数据库的人太多了!)数据库设计既是科学又是艺术,数据库实现则是典型的工程。所以从某种意义上讲,数据库是最典型的一门计算机课程–理工结合,互相渗透。另外推荐大家学完软件工程学后再翻过来看看数据库技术,又会是一番新感觉。推荐教材:Abraham Silberschatz等著的 "Database System Concepts".作为知识的完整性,还推荐大家看一看机械工业出版社的《数据仓库》译本

计算机网络的标准教材还是来自Tanenbaum的《Computer Networks》(清华大学有译本)。还有就是推荐谢希仁的《计算机网络教程》(人民邮电出版社)问题讲得比较清楚,参考文献也比较权威。不过,网络也属于Hardcore System,所以光看书是不够的。建议多读RFC,http://www.ietf.org/rfc.htm里可以按编号下载RFC文档。从IP的读起。等到能掌握10种左右常用协议,就没有几个人敢小看你了。再做的工作我看放在网络设计上就比较好了。

数据结构的重要性就不言而喻了,学完数据结构你会对你的编程思想进行一番革命性的洗礼,会对如何建立一个合理高效的算法有一个清楚的认识。对于算法的建立我想大家应当注意以下几点:

当遇到一个算法问题时,首先要知道自己以前有没有处理过这种问题.如果见过,那么你一般会顺利地做出来;如果没见过,那么考虑以下问题:

1. 问题是否是建立在某种已知的熟悉的数据结构(例如,二叉树)上?如果不是,则要自己设计数据结构。

2. 问题所要求编写的算法属于以下哪种类型?(建立数据结构,修改数据结构,遍历,查找,排序…)

3. 分析问题所要求编写的算法的数学性质.是否具备递归特征?(对于递归程序设计,只要设计出合理的参数表以及递归结束的条件,则基本上大功告成.)

4. 继续分析问题的数学本质.根据你以前的编程经验,设想一种可能是可行的解决办法,并证明这种解决办法的正确性.如果题目对算法有时空方面的要求,证明你的设想满足其要求.一般的,时间效率和空间效率难以兼得.有时必须通过建立辅助存储的方法来节省时间.

5. 通过一段时间的分析,你对解决这个问题已经有了自己的一些思路.或者说,你已经可以用自然语言把你的算法简单描述出来.继续验证其正确性,努力发现其中的错误并找出解决办法.在必要的时候(发现了无法解决的矛盾),推翻自己的思路,从头开始构思.

6. 确认你的思路可行以后,开始编写程序.在编写代码的过程中,尽可能把各种问题考虑得详细,周密.程序应该具有良好的结构,并且在关键的地方配有注释.

7. 举一个例子,然后在纸上用笔执行你的程序,进一步验证其正确性.当遇到与你的设想不符的情况时,分析问题产生的原因是编程方面的问题还是算法思想本身有问题.

8. 如果程序通过了上述正确性验证,那么在将其进一步优化或简化。

9. 撰写思路分析,注释.

对于具体的算法思路,只能靠你自己通过自己的知识和经验来加以获得,没有什么特定的规律(否则程序员全部可以下岗了,用机器自动生成代码就可以了).要有丰富的想象力,就是说当一条路走不通时,不要钻牛角尖,要敢于推翻自己的想法.我也只不过是初学者,说出上面的一些经验,仅供大家参考和讨论。

关于人工智能,我觉得的也是非常值得大家仔细研究的,虽然不能算是刚刚兴起的学科了,但是绝对是非常有发展前途的一门学科。我国人工智能创始人之一,北京科技大学涂序彦教授(这老先生是我的导师李小坚博士的导师)对人工智能这样定义:人工智能是模仿、延伸和扩展人与自然的智能的技术科学。在美国人工智能官方教育网站上对人工智能作了如下定义:Artificial Intelligence, or AI for short, is a combination of computer science, physiology, and philosophy. AI is a broad topic, consisting of different fields, from machine vision to expert systems. The element that the fields of AI have in common is the creation of machines that can "think".
这门学科研究的问题大概说有:

(1)符号主义: 符号计算与程序设计基础,知识表达方法 :知识与思维,产生式规则,语意网络,一阶谓词逻辑问题求解方法:搜索策略,启发式搜寻,搜寻算法,问题规约方法,谓词演算:归结原理,归结过程专家系统:建立专家系统的方法及工具

(2)联接主义(神经网络学派):1988年美国权威机构指出:数据库,网络发展呈直线上升,神经网络可能是解决人工智能的唯一途径。

我想对于人工智能的学习,大家一定不要像学数学似的及一些现成的结论,要学会分析问题,最好能利用程序设计实现,这里推荐给大家ACM最佳博士论文奖获得者涂晓媛博士的著作《人工鱼-计算机动画的人工生命方法》(清华大学出版社)。搞人工生命的同学不会不知道国际知名的涂氏父女吧。关于人工智能的书当然首选《Artificial Intelligence A New Synthesis》Nils J.Nilsson.鼻祖嘛!

关于网络安全我也想在这里说两句,随着计算机技术的发展,整个社会的信息化水平突飞猛进,计算机网络技术日新月异,网络成了当即社会各个工作领域不可缺少的组成部分,只要有网络存在,网络安全问题就是一个必须解决好的问题,学习网络安全不是简简单单的收集一些黑客工具黑一黑别人的网站,而是要学习他的数学原理,实现原理,搞清底层工作机制,这样才能解决大部分的现有问题和新出现的安全问题。

关于计算机科学的一些边缘科学我想谈一谈软件工程技术,对于一个企业,推出软件是不是就是几个程序员坐在一起,你写一段程序,我写一段程序呢?显然不是。软件工程是典型的计算机科学和数学,管理科学,心理学,社会学等学科的综合。它使我们这些搞理论和技术的人进入了一个社会。你所要考虑的不仅仅是程序的优劣,更应该考虑程序与软件的区别,软件与软件产品的区别,软件软件产品的市场前景,如何去更好的与人交流。这方面我还在学习阶段,以后这方面再写文章吧,先推荐给大家几本书:畅销20年不衰的《人月神话》(清华大学中文版,中国电力出版社影印版),《软件工程-实践者研究的方法》(机械工业出版社译本)《人件》(据说每一位微软公司的部门经理都读过这本书,推荐老总们和想当老总的同学都看看,了解一下什么是软件企业中的人)以及微软公司的《软件开发的科学与艺术》《软件企业的管理与文化》(研究软件企业的制胜之道当然要研究微软的成功经验了!)

关于计算机技术的学习我想是这样的:学校开设的任何一门科学都有其滞后性,不要总认为自己掌握的某门技术就已经是天下无敌手了,虽然现在Java,VB,C,C++用的都很多,怎能保证没有被淘汰的一天,我想.NET平台的诞生和X#语言的初见端倪完全可以说明问题。换言之,在我们掌握一门新技术的同时就又有更新的技术产生,身为当代的大学生应当有紧跟科学发展的素质。举个例子,就像有些同学总说,我做网页设计就喜欢直接写html,不愿意用什么Frontpage,Dreamweaver。能用语言写网页固然很好,但有高效的手段你为什么不使呢?仅仅是为了显示自己的水平高,unique? 我看真正水平高的是能够以最快的速度接受新事物的人。高级程序设计语言的发展日新月异,今后的程序设计就像人们在说话一样,我想大家从xml中应是有所体会了。难道我们真就写个什么都要用汇编,以显示自己的水平高,真是这样倒不如直接用机器语言写算了。反过来说,想要以最快的速度接受并利用新技术关键还是在于你对计算机科学地把握程度。

计算机技术牵扯的内容更为广泛些,一项一项说恐怕没个一年半载也说不清。我只想提醒大家的还是那句话,技术与科学是不能分家的,学好了科学同时搞技术,这才是上上策。犹如英语,原先人们与老外交流必须要个翻译,现在满马路的人都会说英语。就连21世纪英语演讲比赛的冠军都轮不到英语系的学生了。计算机也是一样的,我们必须面对的一个现实就是:计算机真就只是一个工具,如果不具备其它方面的素养,计算机系的学生虽然不能说找不到工作,不过总有一天当其他专业性人才掌握了计算机技术后将比我们出色许多。原因就在于计算机解决的大都是实际问题,实际问题的知识却是我们少有的。单一的计算机技术没有立足之地。

我想是时候指出:学习每一个课程之前,都要先搞清这一课程的学习目的。这一学科的应用领域。据我自身所了解到的同龄同学和低年级的同学的学习状况:他们之中很少有人知道学一个学科的学习目的,期末考试结束了也不知道学这科做什么用。这就失去了读计算机科学的意义。当然这与现存的教育思想不能说一点关系都没有。

总的来说,从教育角度来讲,国内高校的课程安排不是很合理,强调理论,又不愿意在理论上深入教育,无力接受新技术,想避开新技术又无法避得一干二净。我觉得关键问题就是国内的高校难于突破现状,条条框框限制着怎么求发展。我们虽然认识得到国外教育的优越性,但为什么迟迟不能采取行动?哪怕是去粗取精的取那么一点点。我们需要改变。从我们自身角度来讲,多数人4年下来既没有学习计算机科学的学术水平,也没有学习计算机技术的那种韧劲。在我刚上大一时,我的计算机科学入门导师,淮北煤炭师范学院王爱平教授曾经对我说过这样一番话:“当你选择了计算机这一门科学,就意味着你踏上了一条不归路,就意味着你一生都要为之奋斗……你的身后是悬崖,只有向前走,不能往后退。”

有些同学说按照这样学习学的东西太多,有的未见得有用,我想打个形象的比方:学校学出来的人都是一个球体,方方面面的知识都应具备。可是社会上需要球体的地方很少,反而需要的是砖和瓦,即精通某一行的人才。但是对于同等体积的物体,用球体来改造是最方便最省事的。学校的学生很多,为了能够使更多的学生来适应这个社会,学校也就不得以把所有的学生都打造成一个球体,然后让社会对这些学生进行再加工,成为真正能够有用的人才。即使你非常清楚自己的将来要干什么,并且非常下定决心要走自己的路,这一步你也必须走,世界是在不断变化的,你不能预料未来。想清楚,努力去干吧!

必须结束这篇“胡侃”了,再侃下去非我力所能及。其实计算机还有很多基础课都值得一侃。怎奈我造诣有限,不敢再让内行耻笑。最后声明:这些只针对本科阶段的学习。即使把这些全弄通了,前面的路还长,计算机科学需要我们为之奋斗……学习计算机科学需要韧性,更需要创新,需要激情。深刻学习理论知识,勇于接受新技术的挑战,这才是我们这一代人应具有的素质。最后送大家一句话“Wake up every day with a feeling of passion for the difference technology will make in people’s life!”。

在我大一时无意中找到了南京大学网友sir的帖子“胡侃(理论)计算机学习”,这个帖子对我的大学学习起了至关重要的作用,写这份材料时也引用了其中的不少观点。再有就是每次和司徒彦南兄的交谈,都能从中学到很多东西,在这份材料中也有很多体现。以及每次在放飞技术网上每位同学诚恳的留言。这份材料是我原来在实验学院进行新生入学教育的讲稿之一,原有基础上改进了其中我认为不太合适的理论,修正了一些观点,在推荐教材方面结合我的学习情况有了较大改变。值得一提的是增加了一些计算机理论的内容,计算机技术的内容结合我国的教学情况和我们学习的实际情况进行了重写。这里所作的工作也只是将各位学长和同学们的学习体会以及我在学习计算机科学时的所思所想汇总在一起写了下来,很不成熟。目的就是希望能够给一些刚入学或者是学习计算机科学还没有入门的同学以一些建议。不期能够起到多大的作用,但求能为同学们的学习计算机科学与技术带来微薄的帮助。希望大家批评指正。

评注者:seafrog
2003年5月13日 12:06:00

恩,
学习计算机理论,贵在有深刻的体会。

评注者:楚云
2003年5月13日 12:09:00

楼主,我决定把你的贴子给贴到其他地方去,嘿嘿……

评注者:ZoLo
2003年5月13日 12:10:00

还是学理论好
不用发愁什么时候被淘汰
你看有谁敢说高数要过时了

评注者:jpaddle
2003年5月13日 12:15:00

学理论如果做不到一定的高度,是找不到工作的。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:16:00

计算机科学与技术这门专业,在本科阶段是不可能切分成计算机科学和计算机技术的,学技术不接触理论,我的学哥告诉我那只能做编码工人,我们学理论不能不学技术,这一点jpaddle说的一点也没错,但是为了我们能够做得更高,理论不碰是不行的。工程硕士和工学硕士的区别就在这里了。计算机科学所容纳的内涵太多,从事的工作也是五花八门,只是看你是和哪种工作,电脑排版也是计算机工作者,gates也是,只是要看看你要做什么。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:17:00

在微软的每一个包上都写着这样一句话:创造人类计算的未来!微软开发团队所能做的事情我们能不能做,一般企业的员工肯定不能,原因:很简单,大家到这里来的没有不用.NET的,用得如何如何好。一个简单的问题谁来写写strcpy这个函数的源代码,怎么实现是最高效的,一个是设计编译环境,一个是使用平台,后者只能跟着前者的屁股后面走,中国软件业为什么只能处在三级水平大家总应该有一些想法吧!一句话,我们应当在知识储备阶段打牢根基,但这并不意味着只学理论,文章一开始就说了,理论脱离了时间就失去了存在的意义,理论要去指导实践才有意义,之所以研究理论是要去更好地实现技术。让我们共同努力,创造中国计算机事业的未来。

评注者:nefu
2003年5月13日 12:18:00

你的那篇《计算机科学与技术反思录 (完整版)》 我也看了。
我是一个今年即将毕业的学生,也是学计算机的。你文中提出的学习计算机的方法,确实很好,但是并不适合每一个人,可以说不适合绝大多数人。 你列出的参考书目,每一本都是重量级的(我有幸拜读过其中的一些),这么多本,我想要让一个人8年时间都学完,同时都精通,太难太难。如果你确实是这么做的,我只能说您天赋极高。 看这些书不是看小说,蜻蜓点水不如不看。如果你愿意花8年时间完全学习基础知识,我敢说8年过后,你不一定能够成为中国计算机界的学术泰斗(我这么说你不要生气,毫无恶意)。

评注者:nefu
2003年5月13日 12:18:00

国外的计算机为什么走在我们的前面,国外的学习方法和我们很不相同,杨振宁先生曾经说过,外国学生能够在很短的时间达到某一个研究领域的最前沿,但是他们的基础可能并不扎实,然而这个时候,他们会回过头来补足。learn what u really need.
中国计算机发展,需要搞研究的人,但是,不能培养的都是搞研究的人。

评注者:nefu
2003年5月13日 12:19:00

很大程度上,需要培养一大批能够把理论加以实现的人。天才只有那么一些,如果让每一个人都按照培养天才的方法去培养,只能毁掉科学。世界上最好的程序员如果让他去做数论研究,我想不一定能做出什么东西来。而让最好的学者去写一个程序,可能还不如一个中级程序员。但是,如果让最好的程序员加上最好的学者,中国的计算机科学才能有极大的进步。
以上是我个人的一些看法。很希望能够和你交流:)

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:20:00

你好!首先我想我必须说:感谢您百忙之中抽出时间能够阅读我写的文章,以及做了很多的思考,在你的信中的若干观点我完全赞同。实际上我写这篇文章的初衷并不是让所有搞计算机的人都照着去做,第一我想和你的想法是一致的:没这个必要。任何桓龉叶疾恍枰饷炊喔阊醯娜恕8慰鋈缒闼担绻敢饣?年时间完全学习基础知识,8年过后不一定能够成为中国计算机界的学术泰斗!这点我是完全赞同的。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:21:00

实际上这篇文章是我在我们学校做新生入学教育时整理出来的文稿之一,每年都会用恍2豢煞袢希?0至80年代我们的大学教育是精英式的教育,而进入90年代,大学教育只能算是普及性的教育,原因很简单:扩招。现在研究生教育和本科教育一个显著的区别就是:精与不精的问题。learn what u really need。这句话我也经常对我的学弟学妹们说,但是紧接着一个很现实的问题摆在他们面前:What do you really need?他们并不知道。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:22:00

就像很多数学系的同学在入学时或者是在毕业那一刻从没想过去搞计算机,但是毕业后坐在各个世界知名企业当中的软件设计者大多都具有数学背景,而计算机系的同学很大程度上要去受他们的领导。微软集团的李开富博士我想你应当很熟悉吧,他在微软公司的成名之作就是以概率论及统计学原理解决了语音识别问题。计算机系的学生很多在上学时就有在公司里实习的机会,就能得到老板的好评,不瞒你说,我也有。但是就我所接触到的人来看,问题是他们现在能够做得很好,但是他们能做到多高,这是个问题。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:22:00

专科教育和本科教育的最大区别也在于此。我们学校一位非常有名的数学系计算机软件工程专家王仪华教授曾经说过:“想做一个高级程序员根本没必要去读本科,专科里多的是”何谓专科:答,专业化。何谓职高:答,职业化。他们都很早的作了定位:learn what u really need。但是这就是和本科最不同的地方。本科的课程设置有些地方看起来极不合理,一句话:没用。但是就像你初中,高中学的很多知识一样,这是个思维训练的过程。数学系的学生之所以做得好就是因为或者说至少是他们具有严谨的思维,有严格的推理思想。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:23:00

考虑问题会比我们多想一些。这些我们不是做不到的,而是我们一味的强调学习你需要的。而从来不去想你到底需要什么。What do you really need?我想只有你在做一项具体的工作或职业时你才有这个能力去说。就像我的一个网友,也是看到这篇文章以后认识的。他是联想集团IT研发部的。我问他你现在觉得在大学阶段你学得最有用的一门课是什么:答,不好说,为什么,答:职业不同需要的东西相差太远。即使职业相同,不同的工作中需要的东西有时千差万别。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:24:00

我问他你觉得自己学习自己感兴趣的东西怎么样。因为我周围的同学经常是逃课去自己学自己所谓有用的。他的回答是:OK,那你上大学来干什么了?以为自己很了不起,你觉得有用就有用了!国家高教司都不如你?天真!(呵呵,我经常被这样骂的。)在给你举个例子吧:在网络安全领域绿盟应当算是家喻户晓了,他们的主要工作人员一水职高学生。月薪比levono和microsoft也低不了多少,但是他们只能去用现成的技术,真正能搞网络安全解决方案的还是本科生:为什么:抽象能力有差别,思维角度有差别。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:24:00

我不是说大专生和职高生的能力有限。而是说所接受教育的方向不同。不同的教育的目的就是早就不同的人。不同的人从事不同的职业。现在问题已经很清楚了。我想你可能已经工作了吧,或者是像我的同学一样很多时间都是自己学自己认为有用的东西。如果一个本科生决定我今后就是去做个普通程序员,ok,那时另外一回事了。想做程序员还不容易呢!我们学校曾经接过一个公司的项目,这个项目说白了就是个MIS系统,但是竞标一年没人赶接,为什么?原因就在于里面用到了人工神经网络的很多原理。一般的公司不可能做。后来我们学校接了,也如期完成了。这是谁做的?不瞒你,数学系的建数学模型。我们系按照抽象出的模型要求编程实现的。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:25:00

我之所以说8年时间去学基础知识正是因为除了搞这方面的专家和高校教师不会有人真得这么做。只是告诉大家应当踏踏实实的做事,因为我们懂得太少。只是想安一安像我这样浮躁的年轻同学的心。我绝对不否认你的观点:需要培养一大批能够把理论加以实现的人。之所以有科学,或者说科学的意义就是将理论应用到实践当中去指导实践。这一点我是极力赞成的。在学术浮躁的今天,我怕的是今后国家能搞尖端的人太少,甚至没有。这篇文章说实话,不是写给所有人看的,只是想正正学术风气。鼓动大家踏踏实实做事。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:26:00

我这篇文章叫做《计算机科学与技术反思录》,里面有一言:“并将重点放在计算机科学理论上”主要是给计算机科学入门的学生尤其是大一的学生一个方向。仅将重点放在计算机科学上。如你说的很多计算机技术方面的问题在我的其他文章当中会有综合的论述。不在这篇文章当中阐述清的原因就在于:I am just a beginner.有些问题现在我自己还在体会,思考。我现在还是学生,还需要不断的学习。哪天我觉得自己有能力看计算机技术了我会第一时间和你探讨的。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:26:00

信中本着对问题的探讨讲,绝无其他意思,得罪之处望见谅。希望我们能成为好朋友。另外,我想把咱们的谈话贴到论坛里不知你是否同意。还有就是你是在哪里看到我的这个帖子的,因为我的这个帖子被贴得到处都是,我自己都不知道有几处。希望你今后能够多多指点我,还是那句话I am just a beginner。懂的东西还太少。最后如果你是学生,祝你学有所成!如果你是已经工作的哥哥,那就祝你工作顺利!

评注者:noah
2003年5月13日 12:29:00

个人以为数学对计算机的影响算法固然是一个方面。更重要的是对计算机科学的发展有决定性的影响。虽然长时间来计算机的发展似乎是软硬件的互相协调,可是程序存储式计算机的思想是数学家提出来的。问题是是否会有更好的计算机设计思想,这个可能依赖于数学的进步与数学家的努力。计算机从技术到科学的转变很大程度上依赖于数学工作者和计算机工作者共同努力。所以如果从科学的高度来看计算机的发展,数学的作用就很明显了

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:32:00

上面贴的是在CSDN上转载此文时各个学校的学生的一些讨论,精简了一些贴过来,作为对文章的补充。

评注者:zengyi820
2003年5月13日 12:54:00

上面贴的是文章被转载到CSDN上面时各个大学的同学的一些评论,精简了一些贴过来,算是对文章的补充,希望大家一起探讨,发表自己的意见。

评注者:gucheng
2003年5月15日 22:17:00

经典,经典…..

评注者:pengtao82711
2003年5月29日 1:16:00

zengyi820,你好,一个偶然的机会,我看了你这篇《计算机科学与技术学习反思录 》,看后深有感触。谢谢,诚挚的谢意。我现在就读于中国人民解放军后勤工程学院,计算机系专科二年级,明年就要毕业了。曾经我以为学几种技术能找到工作就够了,但现在我已经有了更深更远的打算,正如王爱平教授曾经说过的一番话:“当你选择了计算机这一门科学,就意味着你踏上了一条不归路,就意味着你一生都要为之奋斗……你的身后是悬崖,只有向前走,不能往后退。”虽然还有一年的时间就毕业了,但一生的时间还长得很,我将踏上这条不归路,并为之奋斗。谢谢。

评注者:pengtao82711
2003年5月29日 1:31:00

再次谢谢你,我准备把你的这篇文章发给我所有的计算机系的同学,尽管我们是专科生,但如果我们自己都放弃了,那谁来拯救我们?不过至少我自己已经拯救了自己,应该说叫醒悟了,原来我对计算机的理解从来都很肤浅,你在文章中提到的很多好笑的做法,我都有过,为此我感到抱歉。但我想以后不会再有了,永远也不会再有了。计算机科学和技术的领域太广了,每个计算机系的学生确实都应该先把计算机理论学好,打下坚实的基础。
希望各位在看了这篇文章之后向更多的人发表这篇文章,为了中国的计算机业,为了整个计算机领域的进步,希望大家都能努力做好,并希望所有计算机领域或即将踏入计算机领域的朋友都能在计算机领域取得巨大成功。

评注者:pengtao82711
2003年5月29日 1:37:00

zengyi820,在我最初看你那篇文章的时候,我还以为你是位计算机领域的老前辈,没想到。。。。。。你也是82出生的吧?很高兴认识你,我叫彭陶,重庆人,现就读于后勤工程学院。我很佩服你,才大三就有这么高的造诣,希望能和你交个朋友。我的qq号:39672630,Email:pengtao82711@163.com。希望你能尽快回复。

评注者:zengyi820
2003年5月29日 3:12:00

呦,谢谢大哥夸奖了,但是我要说个事实,计算机科学博大精深,现在有放飞网的同学和学长领我入门,我也充其量是个beginner.可折我的寿了,让我的学长看见了要挨骂的。

评注者:Youngwoo
2003年6月1日 22:34:00

看了之后,启发不少

评注者:ui
2003年6月5日 16:13:00

uiu

评注者:西门吹雪
2003年6月5日 16:17:00

我隔断时间来这儿逛逛,发现北工大藏龙卧虎的人不少啊,这位小弟,这么年轻,但是对计算机科学的认识很深刻。不过文章的观点,我也认为只是适合一部分学生,适合于有志于基础理论研究的人才。计算机科学与技术博大精深,人的精力时间都有限,很难精通所有的基础理论。大部分人还是去学习自己技术所需要的部分理论吧。

评注者:
2003年6月19日 15:38:00

理论联系实际,学以致用!

评注者:Microsoft-lee
2003年6月21日 15:47:00

就是不一样!
所以还是厉害!
回去要想想看!
THANKS !

评注者:yangyang303
2003年6月23日 12:59:00

小弟也是实验学院的,02级电信。拜读学长此文,心潮澎湃。“非典”时期,同学们的学习生活发生了极大的变化。最突出的是教学的组织形式的变化。对于离校学生而言,一反传统的面对面的教学,主要是通过网络等方式了解教学内容和教学要求进行自主学习。因为有了更多的自主性,多数同学应当是能够有计划的坚持学习,也有的学生学“疯”了,也有的学生玩“疯”了。而阁下通过这篇激扬文字,对自己的专业、定位进行积极的反思,无疑是这段时期学习的有心人和佼佼者。洋洋洒洒成一篇,这就是位有心人、佼佼者。值得我们这些新同学学习。鄙人这段时间,没有学长这么有创意的成果,但也坚持看看书什么的,相比起来,我差的还很远!

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[转]在Mac OS X上使用中文Latex

Posted by 宝水 on 一月 11, 2008

星期四, 十二月 27, 2007

在 MacOS X 上配置中文 LaTeX 环境
阅读此文档之前,我假设你已经比较了解如何使用 MacOS X 下的终端,并了解一些基本的 bash 命令,比如 mv, ls, cp, cd 等。如果你还不太了解,请搜索相应的文档。

在 MacOS X 上有多种 TeX/LaTeX 的实现程序,比如 teTeX (可以通过 Darwinports、Fink、i- Installer 或者 Gentoo MacOS 来安装)、CMacTeX、FasTeX、OzTeX 等,另外还有各种丰富的工具可供选择,你可 以到 MacOS X TeX/LaTeX Web Site 或者 TeX on MacOS X 上去找到它们。如果你只用 TeX/LaTeX  (后面用 LaTeX 来代替)来写英文文档,你安装完之后即可以进行使用了。

目前为止,LaTeX 在处理非罗马字符(包括斯拉夫字符、阿拉伯字母、印地文等)方面还很欠缺,尤其是 CJK 字符(即 Chinese,  Japanese, Korean 的缩写,通常称为远东字符集),它们占了 16 位 Unicode 字符的 60%,巨大数量的字符导致原先  8 位的 TeX 系统无法满意地处理它们。目前 TeX 世界里有三种方法来处理 CJK 字符:
其一,称之为 subfont scheme,将 CJK 字符映射到 256 个或者更少的字符上,然后可以使用原先 8 位的 TeX 系统对其进行 处理。许多包都是基于这种方式来处理 CJK 字符的,比如 CJK-LaTeX (Werner Lemberg,在 CTAN 中的位置 —  language/chinese/CJK/)、HLaTeX (Koaunghi Un,在 CTAN 中的位置 —  language/korean/HLaTeX)和 ConTeXt 中的中文模块(Hans Hagen,在 CTAN 中的位置 —  macros/context)。
其二,改写 TeX 系统,使之支持本地字符集。在中国大陆,比较流行的是 CCT (中国科学院数学与系统科学研究院,张林波);在台湾,能够处理  big5 编码的有 PUTeX (台湾静宜大学资管系,蔡奇伟)、 ChiTeX (台湾中央大学数学系,陈弘毅)等。
其三,Omega,TeX 的 16 位 Unicode 扩展,其内部处理的字符默认为 16 位的 Unicode 。目前, Omega 还处于开发阶段。

在中国大陆,比较流行的是 CCT 和 CJK-LaTeX,其中 CTeX 网站上提供的 CTeX 套件大大方便了大家使用 LaTeX 来处理中 文。但遗憾的是,CCT 只支持 Windows 和 Linux 平台,其它改写后可支持中文的 TeX 系统也都不支持 MacOS X 。目前,在  OS X 上只有使用 CJK-LaTeX 来处理中文了(就我所知,如果谁知道有其它的方法,比如移植后的 Mac CCT 系统之类的,希望能够告 诉我: Exaos.Lee@gmail.com )。本文简单谈谈我在 MacOS X 上配置 CJK-LaTeX 的一点经验,希望对同好有所帮 助。(此文档的内容稍做修改,也应该适用于 Linux/FreeBSD 等平台。)

测试平台: MacOS 10.3 (Panther) , Fink-CVS, teTeX 2.0.2, CJK 4.5.2

一、 TeX/LaTeX 系统的安装

在 MacOS X 下有多种方式可以安装使用 TeX/LaTeX,也有多种 TeX 系统可用,我使用的是 teTeX,也推荐你使用 teTeX, 因为这可能是在 Unix 平台上使用最广泛的 TeX 系统了,资源也相对丰富很多。你可以通过 Darwinports, Fink, i- Installer 或者 Gentoo MacOS 等各种方式安装 teTeX 系统,这里只简单谈谈使用 Fink 和  Gentoo MacOS 来安装 teTeX ,其余的方法请参见相应的包管理工具的使用说明。

1. 使用 Fink-teTeX

首先,到 Fink 的主页去下载最新的 Fink 发行版本,按照说明安装好 Fink 系统;如果你已经安装好了 Fink ,可以用命令 fink selfupdate 及 fink update-all 来更新你的系统。照说明进行即可,不赘述。

如果你想自己从头编译,使用命令:

————–
fink install tetex
————–

如果想安装已经编译好的版本,使用命令:

————–
sudo apt-get install tetex
————–

2. 使用 Gentoo MacOS

首先,到 Gentoo MacOS 的主页下载最新的 Gentoo MacOS 的包,按照说明安装好 Gentoo MacOS 系统。然后,使用命令 emerge sync 更新你的 Gentoo 系统。使用如下命令安装 teTeX :

————–
emerge tetex
————–

(我希望自己能有时间写写 Gentoo MacOS 的使用说明。:-) )

注意:我没有使用 Gentoo MacOS 的 teTeX,因为我已经安装了 Fink-teTeX ,如后叙述也都是在 Fink-teTeX 上 进行的。如果你使用的是 Gentoo-teTeX,比如 Gentoo-teTeX 的安装目录在 /usr/share/texmf ,而 Fink -teTeX 在 /sw/share/texmf 下,后文请自己作相应的修改。

建议你安装 teTeX 的时候,同时安装如下软件包:
1. Ghostscript 8
2. FreeType 和 FreeType 2
3. wmf and iconv conversion support
4. ImageMagick

二、安装 CJK 包

如果你已经对 TDS (the TeX Directory Structure) 比较了解,可以略去此段。

teTeX 以树状目录来组织字体、宏、文档和其它的文件(称之为主 texmf 树),这个树状目录结构称之为 TDS,这是 TUG  (TeX User Group) 的 TWG (Technical Working Group) 的开发标准。TeX 包的安装一般放在相应的  TDS 目录下即可。TDS 的根目录可以有多个,这由变量 $TEXMF 来表示, TEXMF 是 ”TeX and METAFONT” 的缩 写。打开一个终端,使用命令 kpsewhich -expand-var=’$TEXMF’ ,就可以看到你的 TeX 系统中有哪些 texmf 目 录树是可用的。比如在我的系统中是这样的:

———–
/sw/share/texmf/doc/tetex>$ kpsewhich -expand-var=’$TEXMF’
{/Users/exaos/Library/texmf,!!/sw/share/texmf-local,!!/sw/var/lib/texmf,!!/sw/share/texmf}
———–

Fink-teTeX 系统的主 TDS 目录在 /sw/share/texmf 下(如无特别说明,后面的 $TEXMFMAIN 即指代此目录,而  $TEXMF 指代任意一个 texmf 树)。由于 texmf 的树目录可能非常大,在每个 texmf 的主目录下都有一个文件 ls-R,这是 一个文件名数据库,用来加速文件的搜索。你可以用命令 sudo mktexlsr 或者 sudo texhash 来更新各个 texmf 树下的  ls-R 文件名数据库。更详细内容参见 TDS 的说明:”A Directory Structure for TeX Files”,即文件 $ TEXMFMAIN/doc/help/tds.dvi (对于安装好的 teTeX 系统,你可以用命令 dvipdf tds.dvi 来生成  pdf 文档,�
缓笫褂妹� open tds.pdf 来打开阅读)。

LaTeX 宏包的安装很简单,一般先将宏包放到 $TEXMF/tex/latex/ 目录下,然后用命令 sudo texhash 或 sudo mktexlsr 更新所有的 texmf 树下的 ls-R 即可。

在 $TEXMFMAIN/web2c/texmf.cnf 中有这样的几行:

———–

HOMETEXMF = $HOME/Library/texmf

TEXMF = {$HOMETEXMF,!!$TEXMFLOCAL,!!$VARTEXMF,!!TEXMFMAIN}
———–

这意味着你的用户目录下的 Library/texmf 就是一个 TDS 的结构,不需要修改系统的 TDS,只需要将你需要的 TeX 包安装在 Library/texmf 下即可。

创建你的本地 texmf 树目录 $HOMETEXMF,即 $HOME/Library/texmf 。后面所有的配置将根据此目录进行,如果你更换目录,请自行做相应的修改。同样,如果后面提到的目录不存在,请自行创建相应的目录。

小技巧:在终端下创建带有子目录结构的目录时,可以用命令 mkdirhier ,比如你需要创建目录 pdftex/config ,你不需要先创建  pdftex 然后进入此目录后再创建 config ,直接用命令 mkdirhier pdftex/config 即可。 mkdirhier  相当于 mkdir -p 。

到 CJK package for LaTeX 或者任何其它的地方去下载最新的 CJK-LaTeX 包,目前最新版本为 4.5.2 。CJK 的 安装很简单,解压后,将整个目录移到你的本地 TeX 目录树中,即 $HOMETEXMF/tex/latex ,然后更新 ls-R :  sudo texhash 。

这样,你已经安装好了 CJK-LaTeX ,但你还不能它来处理中文,因为你还需要相应的中文字体和字符映射表,否则 TeX 无法识别你文件中的中文字符。

三、安装相应的编码支持和字库

[1]. 处理使用 Unicode 编码的中文 LaTeX 文档

Pai H. Chou 在他的个人主页上提供了一份配置文档:How to make LaTeX(teTeX)  handle unicode and CJK in MacOS X 。这儿的说明即根据这份指南修改而来。在此向 Pai H. Chou 表示感 谢。

在你已经安装完 teTeX 和 CJK-LaTeX 之后,你需要按照如下的步骤配置你的 TeX 系统,使之能够处理 Unicode 的 CJK LaTeX 文档。

1. 安装 UCS 包

UCS 包使 LaTeX 文档支持 UTF-8 字符的处理。
a. 下载 UCS 包:http://www.unruh.de/DniQ/latex/unicode/unicode.tgz
b. 用命令 tar zxvf unicode.tgz 来解压这个文件包
c. 将解压后的 ucs 目录移动到 $HOMETEXMF/tex/latex 下
假如你下载的文档在 $HOME/Temp 下,你进入终端后,可以这样操作:

————
$ cd ~/Temp
$ tar zxvf unicode.tgz
$ mv ucs ~/Library/texmf/tex/latex
————

2. 安装 Unicode TrueType 字体(Cyberbit)

a. 下载 Cyberbit.ZIP 文件: ftp://ftp.netscape.com/pub/communicator/extras/fonts/windows/Cyberbit.ZIP
解压后,会产生相应的 .ttf 字体。将文件 Cyberbit.ttf 重新命名为 cyberbit.ttf (注意,是小写字体,因为 LaTeX 对大小写敏感)。

b. 安装 .tfm 和 .enc 文件
(i) 有两种方法得到这些文件
(i.1) 自己生成
(a). 下载 Unicode.sfd 文件: http://delloye.free.fr/Unicode.sfd
(b). 将 cyberbit.ttf 和 Unicode.sfd 放在同一个目录下,比如 ~/Temp
(c). 在终端下进入此目录,运行命令产生所需要文件:

————-
$ ttf2tfm cyberbit.ttf -w cyberbit@Unicode@
————-

(i.2) 如果你没有 ttf2tfm ,下载 Pai H. Chou 生成的.tfm 和 .enc 文件。
(ii) 将所有的 .tfm 文件移动到相应的位置。按照上面的规则,应该放在 $HOMETEXMF/fonts/tfm/bitstream/cyberbit/ 下。
(iii) 将所有的 .enc 文件移动到相应的位置。同上,应该放在 $HOMETEXMF/pdftex/enc/cyberbit/ 下。

c. 安装 cyberbit.map 文件
(i) 下载文件: http://delloye.free.fr/cyberbit.map
(ii) 将该文件移动到相应的位置。同上规则,应该放在 $HOMETEXMF/pdftex/config/ 下。

d. 安装 c70cyberbit.fd (可选择安装 .fdv 文件)
(i) 下载文件:http://delloye.free.fr/c70cyberbit.fd
如果你想坚排版文档,你需要文件 c70cyberbit.fdv 。不过,出了问题要自己负责,此文件是 Pai 由 c00bsmi.fdv 生成的。
(ii) 将文件移动到相应的位置。同上规则,应该放在 $HOMETEXMF/tex/misc/ 下。

e. 将字体 cyberbit.ttf 移动到相应的位置。同上规则,应该在 $HOMETEXMF/fonts/truetype 下。(如果字体放 到指定位置后,后面的测试不通过,可以检查一下你的 $TEXMFMAIN/web2c/texmf.cnf 文件,其中的 TTFONTS 变量应该指 向相应的路径。不过,一般不用担心,只是在出问题的时候再检查。)

3. 配置 pdfTeX,使它能够找到新字体

这时候,你的 $HOMETEXMF 下应该除了目录 tex/, pdftex/, fonts/ 之外,什么都没有。打开终端,进入 $HOMETEXMF/pdftex/config/ (如果没有此目录,创建一个)下:

————-
$ cd ~/Library/texmf/pdftex/config/
$ cp /sw/share/texmf/pdftex/config/pdftex.cfg .
$ echo ”map +cyberbit.map” >> pdftex.cfg
————-

然后,更新一下 texmf 树文件名数据库:

————-
$ sudo mktexlsr
————-

这样,你的 LaTeX 已经可以支持 Unicode 编码的中文文件了。

4. 测试

把下面一段文字拷贝到 test-CJK-ucs.tex 文件中(注意,一定要以 UTF-8 编码格式保存):

————————————————————————————–
\documentclass[a4,11pt]{article}
\usepackage[encapsulated]{CJK}
\usepackage{ucs}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\newcommand{\cntext}[1]{\begin{CJK}{UTF8}{cyberbit}#1\end{CJK}}

\begin{document}
\cntext{在这儿输入的是 UTF-8 编码的中文字符,使用的是 cyberbit 字体。你可以任意修改。}
\end{document}
————————————————————————————–

然后使用命令 pdflatex test-CJK-ucs.tex ,将会生成 test-CJK-ucs.pdf 文件。试试吧。

[注意:2004年8月之前版本的 ucs 使用 \usepackage[utf8]{inputenc},之后应该改为 \usepackage[utf8x]{inputenc} 。]

5. 常见问题

问:我遇到了这样的错误信息——“

mktexpk: don’t know how to create bitmap font for cyberbit59.

”(或其它类似的信息),怎么办?
答:很可能是你的 $HOMETEXMF/pdftex/config/pdftex.cfg 文件没有修改正确,或者你的 cyberbit.map 文件没有放在指定的位置上。重新检查文件是都都在相应的位置并检查修改 pdftex.cfg 文件。

6. 最简单的安装办法

我已经将上述安装中所有需要的文件打成了一个包,你可以到这里下载:
http://exaos.spymac.net/archive/CJK-ucs-archive.tar.gz
然后按照上述的步骤一步步进行即可。

当然,最简单的安装办法是到这儿下载我已经配置好的 texmf 压缩包:
http://exaos.spymac.net/archive/texmf-CJK-ucs.tar.gz
解压后,将目录 texmf 移动到 ~/Library 下,然后在终端里执行命令 sudo texhash ,你就可以使用  Unicode Cyberbit 字体处理 UTF-8 编码的中文 LaTeX 文件了!简单吧?不过遗憾的是,只有一种字体  Cyberbit ,我没有找到其它的中文 UTF-8 字体。所以,我不得不配置了后面支持 GBK 编码的中文 LaTeX 系统,唯一的好处就是 字体花样多了许多。

[2]. 处理使用 GBK 编码的中文 LaTeX 文档

处理 GBK 编码的 LaTeX 文件,其实安装完 CJK 之后只差一步了,就是根据要使用的中文 TrueType 字体生成相应的 .tfm 和 .enc 文件了。这一步其实是出问题最多的地方。

1. 准备好 TrueType 中文字体

在 MacOS X 系统中有默认的简体中文字体。将 /Library/Fonts 目录下的这些中文字体文件链接(ln -s)到 $HOMETEXMF/fonts/truetype 目录下:

————————————
stsong.ttf     (华文宋体)
stfangso.ttf   (华文仿宋)
stkaiti.ttf    (华文楷体)
sthei.ttf      (华文黑体)
stzhongs.ttf   (华文中宋)
sthupo.ttf     (华文琥珀)
stliti.ttf     (华文隶书)
stxingka.ttf   (华文行楷)
stcaiyun.ttf   (华文彩云)
stxinwei.ttf   (华文新魏)
————————————

2. 准备生成 .tfm 和 .enc 文件

生成 .tfm 和 .enc 文件是配置中文 LaTeX 系统最繁的一步,也最容易出错。你可以使用 FreeType 提供的工具自己一步步来进 行,但其中的麻烦你自己去享受好了。很感谢 energy 和王垠,由他们开发和修改的程序 gbkfonts (见王垠的主页)大大方便了这一过程。

(1). 下载 gbkfonts 程序

你可以到王垠的主页上去下载 gbkfonts-linux 那个源码包,然后稍作修改,即可编译使用。你也可以到这儿下载我修改后可以直接在 Fink 下编译的源码包:
http://exaos.spymac.net/archive/gbkfonts-osx-0.3.tar.gz
解包后,按命令 make 即可进行编译。不过,该包中已经包含了一个可执行有 Mach-O 程序 gbkfonts,那是我编译好了的。你可以在自己的机器上试试能不能执行,如果不能,再自己编译。注意,你必须已经安装了 FreeType 程序。

(2). 用 gbkfonts 生成 .tfm 和 .enc 文件

a. 有了 gbkfonts ,后面的步骤就简单多了。比如我想把 stsong.ttf (华文宋体)对应为 song ,把 gbkfonts 拷贝到 $HOMETEXMF/ 下,运行命令

————————-
./gbkfonts /Library/Fonts/stsong.ttf song
————————-

则会在当前目录下自动生成各种 TeX 配置文件:

————————-
cid-x.map
cjk.map
dvipdfm/config/gbksong.map
dvips/chinese/gbksong/*.enc
fonts/[afm, tfm, type1]/chinese/gbksong/*
pdftex/config/gbksong.map
tex/latex/CJK/GB/c19song.df
pdftex.cfg
ttfonts.map
————————-

b. 把 cjk.map 移动到 $HOMETEXMF/dvips/config 下,然后在文件 $ HOMETEXMF/dvips/config/config.ps (如果没有这个文件,把 $ TEXMFMAIN/dvips/config/config.ps 拷贝过来)的末尾加上

————————-
p +cjk.map
————————-

c. 再在 $HOMETEXMF/pdftex/config/pdftex.cfg 的末尾加上

————————-
map +gbksong.map
————————-

d. 将 cid-x.map 移动到 dvipdfm/config/ 下。其余的文件,比如 pdftex.cfg, ttfonts.map 都可以删除了。

e. 执行 sudo texhash ,刷新一下 ls-R 数据,就可以在 CJK 中使用宋体字了。

注意,gbkfonts 生成的目录是 tex/latex/CJK/GB ,由于 TeX 是大小写敏感的,如果你的 CJK 安装在 $ TEXMF/tex/latex/cjk 下,不妨将其目录改为大写名称。(HFS+ 文件系统是大小写不敏感的,因此 cjk 和 CJK 是相同的, 但我还是有点不明白,为什么 TeX 还能够区别出来呢?)

如果你有许多字体,执行 gbkfonts 会费很长时间。那么,不妨把一批字体写在一个 bash 脚本中,比如 generate-confgs.sh :

————————-
$!/bin/sh

./gbkfonts fonts/truetype/stsong.ttf    song
./gbkfonts fonts/truetype/stkaiti.ttf   kai
./gbkfonts fonts/truetype/stfangso.ttf  fang
./gbkfonts fonts/truetype/stliti.ttf    li
./gbkfonts fonts/truetype/stzhongs.ttf  zhsong
./gbkfonts fonts/truetype/stxingka.ttf  xingkai
./gbkfonts fonts/truetype/stxinwei.ttf  xinwei
./gbkfonts fonts/truetype/stcaiyun.ttf  caiyun
./gbkfonts fonts/truetype/sthupo.ttf    hupo
./gbkfonts fonts/truetype/sthei.ttf     hei

# ./appendconf ~/Library/texmf

# sudo texhash
————————-

按一个命令 sh ./generate-configs.sh ,然后到外面慢慢地品上一杯咖啡,聊聊天,回来后差不多应该完成了。在  gbkfonts-osx-0.3.tar.gz 包里有一个 bash 脚本 appendconf 。执行完上面命令后,再命令  appendconf $HOME/Library/texmf ,对相应的配置文件进行修改。最后,再执行一个命令 sudo texhash (执 行了好多次喽,呵呵),你的中文 TeX 就配置好啦!

3. 测试

我把自己的测试文件打成了一个包:http://exaos.spymac.net/archive/CJK-samples.tar.gz
你下载解包后就可以测试啦。注意,如果你使用了不同的字体,自行修改即可。

4. 常见问题

如果你使用 simsun.ttf ,在执行 pdflatex 时会出现诸如找不到字体等问题,那是 simsun 的问题,不是你的。这时候,你先用 latex 产生 .dvi 文件,然后用 dvipdf 就可以生成 pdf 了。

[3]. 写给那些“懒人”

这一段是写给那些所谓的“懒人”的啦。你只要按照下面的步骤进行,基本上不会太大问题的:
1. 安装 Fink、teTeX、freetype
2. 下载
a. http://exaos.spymac.net/archive/texmf-CJK-ucs.tar.gz
b. http://exaos.spymac.net/archive/gbkfonts-osx-0.3.tar.gz
或者 http://exaos.spymac.net/archive/CJK-GBK-execs.tar.gz
c. http://exaos.spymac.net/archive/CJK-samples.tar.gz
3. 解压 texmf-CJK-ucs.tar.gz 后,将 texmf 目录移到 ~/Library/ 下,然后执行 sudo texhash 即完成 CJK-UCS 的配置。
4. 解压 gbkfonts-osx-0.3.tar.gz 或者 CJK-GBK-execs.tar.gz ,然后将可执行文件  appendconf, gbkfonts 拷贝到 ~/Library/texmf/ 下。如果你解压的是 CJK-GBK- execs.tar.gz ,其中还包括一个 bash 脚本 generate-GBK-fonts.sh ,你可以参照它修改执行后,即完成了  CJK-GBK 的配置。
5. 解压 CJK-samples.tar.gz 文件,然后,看看这些示例能不能编译成功。当然,如果你的字库和我的不同的话,自行修改哦。

四、其它的工具

[1]. 文档编辑器

1. Emacs + aucTeX

你可以使用 X11 下的 Emacs + aucTeX 来编辑中文 LaTeX,使用 fcitx 来输入中文。Linux 下的 fcitx 输入 法可以在 OS X 上安装,但无法与 Apple X11 一起使用。你可以安装 XDarwin 或者 Fink-XFree86 ,然后到渤麦堂去 下载 fcitx info 或者编译好的版本。
不过,我推荐使用 Carbon Emacs ,你可以到这里下载,它比 X11 Emacs 更方便。 Carbon Emacs 的中文配置可以参见我的 blog 09 月 30 日的 条目。
2. iTeXmac 和 TeXshop

虽然很好,但对中文编码的支持不是很好,很遗憾。如果你不使用中文也就无所谓了。
3. 其它的编码器

就看你的喜好了。

[2]. 拼写检查

1. Excalibur

作者: Rick Zaccone
主页: http://www.eg.bucknell.edu/~excalibr/excalibur.html

[3]. BibTeX 的处理工具

1. BibDesk

我比较喜欢它
主页: http://bibdesk.sf.net
2. JabRef

用 Java 写的跨平台的 BibTeX 工具
主页: http://jabref.sf.net

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牛頓 (Issac Newton)

Posted by 宝水 on 一月 11, 2008

愛因斯坦說:「在人類的歷史上,能夠結合物理實驗、數學理論、機械發明成為科學藝術的人,只有 一位—–那就是牛頓。」 牛頓發現萬有引力定律; 發明微積分; 首先提出 可見光是由紅橙黃綠藍成為七個分光組成;他將數學 導入科學,使物理、化學成為更為更精確的學問;在牛頓 的運動力學三定律裡,奠定了數學成為描述宇宙運動 的語言。種種傑出成就,為他羸得今日「歷史上最傑出的科學家」「近代物理學之父」的尊稱。
市面上有許多牛頓的傳記,大多歌頌牛頓的科學 成就或是提到那顆掉到地上的蘋果,卻遺漏或扭曲了 牛頓的信仰。 例如牛頓在解釋宇宙間為什麼會存在萬有引力, 他基於科學的假設說:「宇宙間可能有一種物質叫乙太(ether),是引力的傳導。」結果有本著作中翻譯成:「宇宙間存在有諸神,諸神是引力的傳達。」硬是把牛頓扭曲成了多神教徒。 本文的目的在於:很據牛頓自己的手稿,說明信仰在牛頓科學出涯中所佔的地位。

哈拿的禱告
牛頓 (Issac Newton)生於1642 年 12月25日午夜,是一個早產兒。在那個嬰兒死亡率很高的年代,一個早產兒能夠活下來是很少有的事。牛頓的父 親是不識字的農夫,與個性堅強的妻子哈拿.艾思克 一起經營在英國為烏斯扥普的小農場,夫妻倆都屬於「清教徒」—–一群信仰堅定的基督徒。 在牛頓出生前三個月,他的父親病逝,缺乏人力 的小農場沒有收成,家境更是貧窮。等到牛頓出生時,家徒四壁,哪有錢去購買營養品來餵養這個早產兒? 哈拿才死了丈夫,眼看惟一的孩子也要死了,在 最絕望的時候想起聖經上也有一個名叫哈拿的女子, 在難過時向上帝的禱告:
「你若垂顧婢女的苦情, 眷念不忘背婢女, 賜我一個兒子, 我必使他終身歸與你 」(撒母耳記上一章11節)
牛頓的母親懷抱著她的早產兒,向上帝發出同樣的禱告。
筆記間的沈思記錄
在牛頓的一 中,母親的這個禱告對於他的個性與信仰他有很深刻的影響。牛頓在成長過程留下的最早記錄就是他的禱告,他經常在課堂筆記空白處記下禱告,例如在一六六二年,他大學二年級時寫下:
上帝啊! 若我心偏於邪惡,請勿成全我;
不容我單靠自己的信念去生活;
不以愛上帝做為我不愛人的藉口
不是為得祝福來跟隨你;
不是只在教會中渴慕你
讓我做個敬畏你的人,
且因著敬畏你,
而不畏懼人。

午頓經常思索上帝當年聽他母親的禱告,上帝讓 他活下來一定有些事是要他去完成的。
到牛頓三歲時,因為家裡實在太窮,母親只好再嫁給鄰村一位六十三歲的鰥夫—– 巴拿巴.史密斯牧師。史密斯牧師靠著微薄的薪水把牛頓養大,八年後過世,母子倆領了一些輔恤金,牛頓下課後還要替人看牛管馬才夠生活。
牛頓的風箏
原來牛頓住的烏靳扥普村,是英國生產馬車最有名的地方。這裡的小孩長大後的願望大多是做個馬車伕。牛頓可不同,他的個性安靜,尤其史密斯牧師給他留下一大堆包括聖經、神學、詩歌、數學、歷史、 法律、機械等類的書籍,成為他家裡最好的寶藏。他經常在藏書的閣樓看書,連看牛看馬時也帶著書去看。他的母親在一旁靜靜地觀察,發現這小孩真有點不同。
牛頓進中學時,開始顯出他的特殊天才。 學校要做風箏,許多學生立刻動手去裁紙、綁支架,牛頓卻先在書桌上放一張紙,仔細設計風箏的尺寸,計算一番才開始動手做。他的風箏交得最慢,但是一試飛,讓全班同學連老師司扥克斯都嚇一 跳:牛頓的風箏怎麼飛那麼高又那麼快?
事後司扥克斯老師對牛頓的母親說,無論如何要讓這個孩子去唸大學。哈拿微微一笑:她早就準備好這孩子的大學學費了。
一六六一年六月牛頓進劍橋大學。當時劍橋大學 的紈姱學生流行喝酒、打牌,稱這是「單純的娛樂」。牛頓是個窮學生,母親存的錢只夠付學費,他必須為老師做實驗的助手,才能賺取生活費。如此無意中使他接近當時劍橋的優秀教授承襲了這些教授一生的研究精華,成為牛頓後來的名言:「我看的比別人遠,是因我站在巨人的肩頭上。」
一所大學的優秀,決定於三個條件:一、老師的素質 二、圖書館與儀器設備,三、 學校的建築物與校園的氣質。其中尤以第一項最為重要。許多人進了大學,不曾漫步在大學的迴廊,不曾倘佯在大學的草地上呼吸學術的自由,真是浪費大學的資源。
好學的牛頓在劍橋大學不但不浪費任何資源,還遇到了影響他一生的好老師。
牛頓的讀書法
亨利.摩爾是影響牛頓科學與信仰最深的老師。摩爾是數學家,也是位虔誠的基督徒,他說:「上帝創造這個世界的目的,是要使人認識他,尋求他,感謝他。若有人輕看這世界奇妙的受造物,要看到世界所沒有的才算神蹟,那是自大。」摩爾認為把數學放在教育中的目的在於:「教育是一種道德與思考的培育,數學課程的設立是為了訓練學生,使他們 的思考更精密。長期受數學教育,對學生是一種有壓力的操練,為的是要激發一個人有刻苦的心志。有刻苦的心志才能使人長期持守道德的準則,而道德的準則來自上帝。因此數學與信仰是相輔相成的。」
摩爾教授以一個老師對學生的敏銳直覺,一下子就發現牛頓的不同。他發現牛頓每學期開學以前, 先利用假期,將要上課的所有課本都看完,等到上課時,牛頓已經在看比那門課更進階的研究報告了。
牛頓自己也寫道:「當我走進教室上課時,常發現對上課內容的瞭解深度,已經超過了我的老師。」 這種讀書法會令一般老師備受壓力,摩爾卻找牛頓來,給他更深的書,像開普勒 的「光學」,桑德森的「邏輯學」,並把自己擁有的一千八百本藏書 ,成為「隨時向牛頓開放的圖書館」 摩爾也長期支付牛頓的生活費。
除了讀書方法與人不同之外,牛頓因為家裡貧窮,仔細記錄他的支出,他認為「用錢謹慎將是基督生活的基本學習」。
牛頓經常在日記中或課本空頁寫下自己的禱告, 有些記載仍保存在大英博物館中。他寫道:「企圖光以迫切禱告祈求上帝的祝福,來取代自己所該付出的努力,是一種不誠實的行為,是出於人性的懦弱。」 我想牛頓大概不會做那種「禱告後,考試都考到我昨夜剛讀到的。」之類的見證,因為這樣,上帝對平時用功的學生就太不公平了。踏實的信仰絕非尋找成功的捷徑。
金錢的享受對一個窮學生是一種莫大的吸引,牛頓寫下:「主啊,赦免我,因為我的心想以賺錢為樂,多於渴想你的同在。—–但是在主曰擘餅(聖餐)聚會裡,我的心又重新與你聯合。」牛頓和他的室友魏克金斯經常在校外分發聖經給窮 人,向他們傳福音,購買要分發的聖經成為牛頓學生生涯中除了房租與伙食費外最大的花費。
蘋果與花園
一六六四年,牛頓開始利用課餘進行自巳的研 究。他首先以三菱鏡研究光的結構,發現光的分光有不同的折射率。
一六六五年至一六六七年,英國發生可怕的黑死病,死了許多人。大學宣佈停課,政府並且下令所有 人不准離家遠行,以免傳播或感染黑死病。當全國籠罩在黑死病的陰影下,風聲鶴唳之際,牛頓事後寫道:這兩年多沒課可上、沒地方可去,是他「人生思想邁向顛峰的時刻」。在這時他由無窮等比級數的解法裡創立了一門很重要的數學——–微積分。
事後有人問牛頓,為什麼他能夠有這麼偉大的發現,牛頓答道:「我始終把思考的主題像一幅畫般擺在面前,再一點一線的去勾勒,直到整幅畫慢慢的凸顯出來。這需要長期的安靜與不斷的默想。」
牛頓對科學的思索與他的禱告生活有密不可分的關係。他常在信仰的思索裡想到科學,在科學的思索 他想到信仰。在一六六六年他開始思索地球在軌道上的運轉,並且計算運轉時的電力與離心力的關係,一 六六九年他在筆記上寫下他的發現——-萬有引力定律 (Law of Gravity)。你知道嗎? 宇宙裡如果沒有這一條不變的定律,所有的物體, 小至一粒沙,大至一個星球,都將亂飛亂撞,成為混沌(chaos)。
牛頓是在什麼情況下發現萬有引力定律的呢? 他的好友史塔克利答道:「牛頓經常在花園散步,有一天中午他回來了,對我說他看到一位蘋果掉到地上,想到了萬有引力。」這粒蘋果後來成為牛頓發現萬有引力的標誌,其實更重要的是,牛頓有獨自來到花園禱告與默想的習慣。
紐約大學歷史系教授曼紐,一九六八年在他所著的(牛頓傳》中寫下:「近代的科學是源自牛頓對上帝的默想。」
啊 ,原理!
當時許多科學家、教授都看不懂牛頓的傑出發現,甚至譏諷為:「又是一群解釋天體論的陳腔濫調。」幸好這時有貝若(Isaac Barrow)的支持。
貝若是當時歐洲的光學泰斗,劍橋大學首屈一的數學與天文教授,是少數能仔細驗證牛頓數學與物理觀念的人,也是一位基督徒。他找牛頓來,對這個 最優秀的學生,私下給與最嚴格的要求。貝若要求牛頓:「回到物理學上最基本的假設,精密地驗證每個假設,一次、一次又一次,幾乎無止境地反覆驗證, 並把所有的精力都投入,以免浪費在無用的芝麻小事 上。」然後貝若申請退休,讓才二十七歲的牛頓接續他的職位,成為劍橋大學的教授。
劍橋的教職並不是牛頓的桃花源。當時貝若的職位有多少人在背後垂涎,牛頓一接任,立刻嚐到號稱學術自由、獨立的大學裡面,眾多的派系紛爭、人事傾軋;喜歡安靜思考、不愛交際的牛頓,也被排擠成為權力圈外的邊緣人。
牛頓的老友魏克金斯寫下:「牛頓看起來更孤獨、沉默,三十歲不到,頭髮已經半白。」
牛頓立志不涉入這些糾紛,他定睛永恆,不管人家怎麼論斷、怎麼中傷他,只把努力放在科學的研究,與對基督的信仰上,而不陷入被中傷後的自憐中。牛頓寫下:「我的心經常是認真與安靜,不陷入憂鬱。」
慢慢的,他將更深的思索與實驗結果寫成曠出名 作《原理》(Principle) 一書。這本書不只記載牛頓的科學發現,也反覆提到他的「機械論」與神的關係,他說真神與假神的差別是假神沒有掌管宇宙,沒有不變的旨意,沒有最後的判決,屬於必朽壞的受造之物。
書中不斷提到「掌管」(dominant)這個字,他認為這是神的屬性裡,最神聖又是最奇妙的,讓尋求他的人可以明白;機械論做為神掌管宇宙的法則,是神擺在宇宙裡讓人明白他能力的法則。愛因為坦說:「宇宙裡最奧秘的,就是人竟然可以去明白這個宇宙。」
牛頓在《原理》一書中寫著:
如同生來是瞎眼的人不瞭解光,
我們無法明白神的智慧與全能。
神的形像沒有人看到、聽到、接觸到,
更不是世上必朽壞的假神所能代表,——-
我們只能在他所創造的萬物中瞭解他,
他仍在掌權,
我們都在他的掌管下。
而假神沒有掌管的權柄,
沒有永遠的看顧,
沒有創世的起初,
不過是虛無、有限,與大自然一樣。——-
因著神的掌權,我們稱他是主(Lord)。
我們是他的僕人,不過是有限與不完全。

死蔭的幽谷
一六七二年牛頓加入英國皇家科學協會——全國最高的科學研究協會。〈原理》的出版,對全歐洲的科學界是一大震憾,引來稱讚也招來攻擊。雖然如此,牛頓仍在皇家科學會裡提出「星球運轉橢圓軌道的原理」(1676~1677年),與「萬有引力的數學證 明」(1680~1684年)。 牛頓的學生艾斯頓後來寫道:「牛頓講話慎重、緩慢。他儘量避免意氣之爭,不見利忘義,不奉承人,寧願默默忍受侮辱,也不願披掛著一身的裝甲去與人爭戰。牛頓說。「一個人如果控制不了自巳的脾氣,脾氣將控制你。」引導牛頓一生的,是信仰而非起伏不定的脾氣。」
牛頓並非是科學研究上的常勝軍。他從一六六九年至一六九一年長期研究實驗化學,也沒有獲得什麼發現,不過因此結識了有「近代化學之父」之稱的波義耳,兩人通信長達十六年。年長敬虔的波義耳,不僅幫助牛頓研究工作,而且在牛頓遭受猛烈抨擊的時候,他的榜樣更堅固了牛頓的信仰。
牛頓身為一個傑出的科學家,喜歡公開表白自己 的信仰,又有個不擅與人交際、喜愛獨自安靜工作的個性,現實的社會對像他這種善良、單純的人,有時是非常殘酷的。
當時宗教分子攻擊他有一流的科學,卻有三流的神學;科學分子攻擊他有一流的神學,卻有三流的科學;政治分子攻擊他的科學、神學、人際關係都屬三流;有人看他孝順母親又終身未婚,就中傷他心理不健全,現今還有人說牛頓有戀母情結;有人看他對學 生好,就說他有同性戀。這種種無情的攻擊搞得牛頓幾乎發瘋。 一六九二年,日內瓦來的拜特教授大力抨擊牛頓,謔稱他是「倫敦先知」, 說:「牛頓的萬有引力定律是來自對宗教的默想,而 非科學的發現,——他必須撇清,如果這是科學就不要寫到上帝如何如何,如果是與上帝有關的就不要放入科學範疇。」
拜特一開砲,許多人就群起圍攻牛頓。平常沒有想到防備的牛頓幾乎赤裸裸地站在科學的刑場上,接受無情的攻擊。一六九三年九月三十日牛頓寫下: 「我陷在極端的難過中。過去十二個月,我無心進食也無法安穩地入睡,我心動搖,無法思想。」
無情攻擊持續下去,一六九四年有人黑函中傷牛頓與女人搞性關係;一六九五年牛頓幾乎精神失常,各地都傳聞牛頓死了。牛頓百口莫辯,更退出人群;他寫道:「史賓賽著的《希伯來律法》一書成為我困難中的安慰」
在英國國王出面,任命他為「英國皇家協會會長」後,這些攻擊就突然消失了。
牛頓在以後數十年,根據過去兩年半受中傷的經驗,堅持給科學界建立「誠實的體系」而他本身就是最好的模範。
成為一個誠實的科學家,是波義耳在死前(1691 年)給牛頓及以後所有科學家最好的勸導,波義耳寫道:
「我老了,這該是我將所知的化學知識寫下來的時候了。這些知識,有的是經過多年的實驗;有的是與別人仔細討論而得。我認為是確實的,就盡力寫下來;有些是困難不易明白的,我儘可能寫清楚,好讓後來的人能夠仔細判斷。我把每個研究細節一一寫下,透過真實無偽的記載,將知識有效地傳遞下去。 但是,儘管我盡了所有的努力,我仍無法窺得知識的全貌。現今,我把一生的成果放在你們的手中,願你們像鑑賞家鑑定藝術品一般。在那一刻,是我呈現對人類與化學深愛的獻禮。」
不讓別人的錯誤成為自己的絆腳石
苦難並沒有離開牛頓。當時間的腳步進入十七世紀末,忽然有些基督徒自稱是上帝派來的先知,到處呼喊「世界末日就要來了」。
這波「世界末日說」傳自法國,Cevennes。野火般的燒遍英國各大城。許多人起來附和,聲稱看到異象:有一艘滿載鮮血的船在英國大街上飛過;有人說看到許多人浴血倒臥沙灘邊,說這是上帝要來審判的先兆。
短時間內成千上萬的販夫走卒跟隨末世先知,連皇家科學院的一些優秀科學家也趨之若鶩,因為一名優秀的科學家,也可能因著對宗教的無知,而陷入異端的泥沼。
牛頓本人是基督徒,他長期的研究聖經但以理書與啟示錄,相信聖經裡提到的這個世界有結束的一 天,那是基督耶穌要來審判的時候,但是沒有人知道那是哪一天,而且面對末世正確的態度,應該是感恩, 多於恐懼,坦然多於逃避。因此他不贊同這些到處宣傳末世的先知。他認為敬虔的信仰是在熱忱中帶著節制而非放縱,真正的被聖靈充滿,是由上帝的靈主動,而不是出於自稱先知者近乎催眠與暗示的教導。
牛頓對這批先知的反對,立刻引來許多偏激基督徒苦毒的批評與責罵。這種誤解實在傷透牛頓的心。 牛頓的一生中有一段漫長的信仰動搖期(1698~1707 年)就是在這個時候。
對基督徒而言,來自其他基督徒無情的咒詛,比被一般人傷害更難受。傷害容易使人走向極端,後來 許多人要證明牛頓是無神論者或不可知論者,就是引自牛頓這段時期的言行。不過信仰的成長,本來就不是一帆風順的,難免常經憂患。
一七○七年英國國王下令,這批所謂的先知,已經利用宗教得到太多不法利益,便把他們送入倫敦監 獄。世界的末日尚未來到,他們的末日倒先來到。自 此,末世之風才逐漸平息。
撿貝殼的男孩
時間往往是最佳的療傷劑。牛頓從苦境中轉回, 他的信仰又逐漸堅固,並且能區分信仰的真實與偏激,能夠分別順服在聖經真理前與在人話語前的不同,且重新思索物理、數學與光學。他在再版的《原理》上寫著:「讓人知道我是帶著對神的信仰來完成 這浩大的工作,是我出版這本書最大的喜悅。」
牛頓晚年名滿歐洲,貢獻普獲肯定。他老年最大的樂趣就是跟小孩玩耍 。有一天他對他的小姪兒講:「我不知道這個世界將來怎麼看我,對我而言,我只像海灘邊玩耍的男孩,偶然間發現了一粒比較圓的石頭,和一粒比較漂亮的貝殼,就覺得很愉快,但是在我前面,尚未被發現的石頭、貝殼仍然多如大海。」
牛頓死於1727年3月20日,晚年寫下:
「不管任何環境下,要守住耶穌基督救贖的真理與最大誡命——愛人如己。」
參考書目
. Manuel, Frank E. 1968. A Portrait of Isaac Newton.
A Da Capo Paperback, New York, U.S. A.
. Bell, E. T. 1965. Men of Mathematics.
On the seashore, pp. 90~116. Simon & Schuster, U.S.A.
. Pearcey, Nancy R. and Charles B. Thaxton. 1994. The Soul of Science.
Crossway Books, U.S.A.

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牛人故事:唐翔 (zz)

Posted by 宝水 on 一月 11, 2008

唐翔是我认识的最牛的人。

这句话得好好解释一下:首先,什么叫做认识?认识当然指的是相互关系。比如说,我的老板姜伯驹和王诗宬,一个是两院院士,一个是长江学者,都曾获得过陈省身数学奖。我当然跟他们彼此认识,甚至可以说熟悉。那他们有没有唐翔牛呢?窃以为没有。又比如说,我还是见过几位当代一流数学家的:陈省身、丘成桐、Smale、Atiyah,但他们根本不知道我是何许人,所以他们不能算我认识的人。那他们有没有唐翔牛呢?我觉得不好比较。

不光是我觉得不好比较,很多人都有类似的感觉。有一次老谢(这是一个精通数学物理和数论的家伙)说:”二十世纪中国最伟大的三位数学家是陈省身、华罗庚、唐翔。”

“不对!”何旭反驳道。这位几个月后将坐在MIT里研究李群的表示论的好吃懒做的不敢吃辣的重庆人意味深长地说道:”应该是唐翔、陈省身、华罗庚。”

另外一个需要澄清的概念是”牛”。很多认识唐翔的人都认为,唐翔除了数学牛以外,再没什么长处了。但我这里说的”牛”是把各个方面:数学、物理、化学、语文、外语、泡mm、灌水、切星际……都加到一起。在每个领域中定义一个牛指标,然后把它们生加到一起。我将之称为”综合牛指标”。所谓某甲比某乙牛,就是说某甲的综合牛指标大于某乙的综合牛指标。容易证明,我认识的其他人的综合牛指标都是有限数,但唐翔在数学领域的牛指标是趋于+∞的,而他在别的领域的牛指标至少是非负数,所以唐翔的综合牛指标大于我认识的其他人的综合牛指标,也就是说唐翔是我认识的最牛的人。证毕。

对于一个学数学的人来说,认识唐翔是他的不幸。这个不幸很不幸地降临在了96级数学系除了唐翔以外的师兄师姐们身上,也降临在了97级数学系大部分同仁的身上。我的不幸始于大二下学期。那时我们年级好多人都一窝蜂地去选大三的拓扑课,我也跟着去选,然后就认识了唐翔。唐翔身材魁梧,膀大腰圆,戴眼镜,坐前排,听讲非常认真。看不出来是一个牛人,因为通常牛人都是不大听课的,比如我的偶像Smale,据说大学期间常翘课,而且经常坐在台阶上很深沉地望着夕阳。

我们年级有一位mm也选了拓扑课,也总坐在前排,于是乎就经常向唐翔请教问题,没想到两年后这位mm会成为唐翔的gf……当然这位mm跟唐翔大概并不是在拓扑课上认识的,因为他们都担任一定职务,平时可能经常一起开会什么的。至于其中细节我并不大清楚,所以还是不说的好。但可以肯定的是,唐翔泡mm的牛指标是一个充分大的正数。

一学期转眼就过去,期末考试的时候,尤承业出题照例很简单,但对于我这种头脑不灵活的人来说做起来就很是费劲了。考完后出考场,我跟唐翔聊起试题,说有一小题没做出来。唐翔说:”很简单呀,这是书上一道习题,你把……”三言两语就把做法讲清楚,顿时让我感觉一学期的拓扑课算是白上了。

那时候才发现原来唐翔是个牛人,后来又陆续听到各种有关他的传说。一个流传很广的说法称,唐翔是一个绝对的完美主义者。有一次他考泛函,一个地方可能被扣1分,于是痛苦了一下午;还有一次他考测度论,一个地方可能被扣2分,于是别扭了一整天。通常来说,如果有一次数学考试连唐翔都没有得满分,那这次考试最后的成绩一定要经过若干次开方乘10的处理。也有人说唐翔的长处是记忆力好,所以他即使政治考试分数也很高。最后算平均分的时候,唐翔的各科成绩(包括政治)平均起来超过了95分。

我以前上高中的时候,老师经常跟我们说他以前的某个学生在北大数学系期间有七门功课是满分,创了北大的纪录。到了北大后,才觉得他十有八九是在吹牛,因为七门满分不大可能是北大数学系的纪录。不过我相信唐翔的13门功课满分一定是纪录。有一次我曾很不幸地看到了唐翔的成绩单的一页,在一堆100分中很刺眼地夹杂着一个90分,仔细一看,那门课是”ProbabilityTheory”,主讲教师为”QianMinping”.

其实13门专业课满分并不能说明一个人的数学有多牛,充其量只能说明他很会考试。比如说99级一个师弟现在的专业平均分是99.x,还有一个师妹的专业平均分是98.x,虽然这样高的分数我考不出来,但光凭这个也不能让我佩服。因为大一大二的基础课还比较简单,数分高代解几等课程要拿满分也不算太困难,另外陆果的物理课又纯属是考背书,所以分数高一点儿并不奇怪。而唐翔的长处就是大一的时候还不很突出,大二起就习惯于考满分了。

另外,考试考得好跟研究作得好是两回事,这一放之四海而皆准的真理早已为无数事实所证明。像Smale从小数学成绩就不突出,上大学时系主任追着要他退学。还有JohnF.Nash,自小就被目为天才,但他参加两次普遍特别难的数学竞赛,都没进前五名,备受打击,连Harvard的offer都不敢要。到如今,谁还记得当年的前五名呢?

所以说虽然唐翔成绩好,但还不能成为让人佩服的理由。打个不太恰当的比方,就像是中国足球队友谊赛灭了无数强队,但也没人因此把你当根葱。

大二下学期末的时候,听说周民强金盆洗手,下学期的实变课改由一位年轻老师教。无庸隐讳,这位年轻老师科研虽然不错,但讲课肯定比不上有三十多年实变教学经验的强强。那会儿我正感觉前两年虚度时光,所以决心暑假待在学校,疯狂自学实变,下学期就找老师要求免修。

没日没夜地读书、做题,最后书上的习题大概还剩下不到十题没做出来,自我感觉非常之好,巨有成就感。那些没做出来的题,每道想的时间都超过了十个小时,最后不得不放弃。一日从图书馆出来时遇见了唐翔,谈起自己近日来的活动,不免吹起了牛:”大概还剩不到十道题没做出来吧!”唐翔说:”很不错啊!那本书上的习题,我至今还没听说有谁能全部做完的。”

我听后十分得意,顺势拿一道不会做的题,”虚心”向他请教。唐翔听后,不假思索地说道:”我现在记不太清楚了。这种题就用那个什么定理,Egorov定理吧,找一个函数逼近一下就行了。”我说:”Egorov定理是有条件的,得是有限测度的集合。”唐翔说:”你可以取一个□□□(以下略去若干字)”

锵哉锵哉锵锵哉,一句话惊醒我梦中人!再回到图书馆一做,果然立刻就搞定了,而且用同样办法又解决了两三道题,另外以前有些我做得很麻烦的题,现在很简单就能做出来了。真是听唐翔一席话,胜读半月书啊!

后来有什么问题做不出来,要是能碰见唐翔的话,就直接问他了。不过没敢跟他一起自习,因为怕得神经衰弱。而且好象跟牛人一起自习是mm的习惯……

按lonekite的说法,96、97级不少人都养成了问唐翔问题的习惯。老谢曾跟唐翔一起上过黎曼几何,他说唐翔脑子很活,做题时很不少想法。这大概确是真的吧。一般来说,一道题如果连唐翔都做不出来,那就是真做不出来了,当然偶尔也有例外,这是后话。

唐翔最让人佩服的是他的刻苦。每天早上六点他就起床,到图书馆自习,晚上11点从三教回来。四年如一日,从不间断。后来图书馆的门卫都认得他了,所以他不用证件也能进去。他曾告诉flying说自己每天工作的时间是16小时。

当代数学家里最刻苦的是Erdos,每天工作19个小时,其次就得数丘成桐这样的人了,但他们年轻时平均每天工作也达不到16个小时。这样算来,唐翔之刻苦实在是让人瞠目结舌。有一次,我们年级一个到MIT的家伙突出豪言:”我要是有唐翔那么刻苦,早就是博士了!”此言一出,众人均ft,然后无数臭鸡蛋烂土豆都向那人扔过去了。

flying声称唐翔到图书馆最晚的一次是他离开北大的前一天,那天早上7:20时flying看见他进入图书馆。不过我怀疑flying弄错了,因为那段时间我天天早上都在学五看见唐翔,我估计flying看见唐翔是他从学五吃完早饭后进入图书馆。

让人奇怪的是,尽管唐翔这样没日没夜地学习,但身体还那么好。中午不睡觉也照样精神奕奕,晚上头一沾枕就能入睡,然后鼾声如雷。我们这些人要是不午睡,自习或上课的时候必定犯困,看看唐翔,实在让人既羡且妒。有时跟唐翔比较起自习时间,发现差得实在太远,只好乘上一个午睡系数什么的,因为要是不午睡的话,学习效率会低得多。

唐翔在国内的时候就决定出去学非交换几何。NoncommutativeGeometry这门学科是近一二十年兴起的,发展得非常热闹,跟弦理论有密切联系。这东西到底讲什么的我也不清楚,只知道国内搞的人非常少,而Atiyah将它称为二十一世纪最有前途的两个数学分支之一。

大概算子代数在非交换几何中起到了重要的作用,正如交换代数是代数几何的基本语言一样。非交换几何领域里的头号牛人AlainConnes当初就因为算子代数方面的工作获得的Fields奖。唐翔嫌自己的算子代数水平不高,就找了一本这方面的专著来读。那可是真正的学术专著,而非一般的入门教材。书名就特别长,又是”representations”,又是”*-Algebra”,又是”locallycompactgroups”的,总之都是正常人没法学懂的东西。

其实如果光是题目吓人倒也没什么,看看那本书吧:共两卷,加起来一千四百八十余页。这个数字是什么概念呢?G.W.Whitehead写过一本臭名昭著的”ElementsofHomotopyTheory”,厚七百四十多页,重一公斤。这书已经被圈内人士认为过于厚重,不适合当教材,只能作为工具书查一查。而唐翔看的那书,每一卷的厚度都和Whitehead的书相当!

据说唐翔把那本两卷的书分成了四个部分,每两个月看一部分,用了将近一年的时间全部看完。老谢说,每当他在图书馆看见唐翔啃那本书时,他就流汗。

现在的人过于浮躁,一个个都恨不得两年就把本科课程学完,再用一年就写出博士论文,很少有人肯下苦功夫练一练基本功的。谁还会花上一年的时间,啃一本一千四百八十多页的书呢?

唐翔深受钱敏的赏识,后者把唐推荐给了丘成桐。据说发offer的那段日子,丘成桐不在学校,所以唐翔只被列入了Harvard的waitinglist,尽管是第一位。后来唐翔waiting不下去了,就去了Berkeley,然后Harvard的offer就来了……

个人认为,丘成桐没有招到唐翔,是丘的不幸而非唐翔的不幸。唐翔和丘成桐其实有很多相似之处:两人都有做数学的硬功夫,天资都不能算是太高,但都以刻苦而闻名。不同的是唐翔比丘成桐更刻苦,但丘比唐更有名,至少现在是这样。

顺带说一下,在Fields奖得主中,丘成桐的天资不算高,但刻苦程度绝对没几个人能比得上他。有人曾请陈省身评论几位当代数学家,问到某人时,陈说:”他很用功。”问到另外一人时,陈也说:”他很用功。”但问到丘成桐时陈不说话了,因为丘成桐的用功是出了名的。据说丘吃饭的时候也要想数学问题,想着想着连饭都吐出来了。丘如今五十多岁,早已功成名就,但每天仍工作八小时以上,系里所有的数学会议都参加。另外他对自己的学生也极严格,要求每四天读一篇高质量的论文。可以想象,要是丘成桐得到了像唐翔这样刻苦的学生,一定会喜极而泣。

唐翔到了Berkeley,导师是Weinstein,——也是陈省身的学生和钱敏的朋友。Weinstein是搞Poisson几何的,对非交换几何估计肯定不懂,所以在那里是他教唐翔Poisson几何,而唐翔教他非交换几何。自然唐翔的非交换几何是自学的,以他的算子代数功底和刻苦程度,要自学这种东西肯定是小菜一碟。

唐翔写信回来说,在Berkeley几乎人人看过的书都比他多。那是自然,想来也没有谁会花一年的时间看一本一千多页的书。有那一年的时间,牛人们肯定至少看完了几十本书了。不过一年看几十本书的只是小牛,唐翔才是真的大牛。

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一位叫“Quillen”的网友的一些对数学的看法以及一些书评(ZZ)

Posted by 宝水 on 一月 11, 2008

最後一段對閱讀 EGA SGA 有一些反對意見, 筆者也認為如此, 現在除了 Hartshorne 可以取代 EGA 一部分之外, 關於 Etale Theory 有 Milne 的 “Etale cohomology” 取代, 其他專題也有專書取代, 沒有必要一定去念法文.

算術幾何最重要的三個工作, 分別是 Deligne 證明的 Weil 猜想, Faltings 證明 Mordell 猜想, Wiles證明 費瑪猜想, Wiles 學生證明 Modularity 猜想.

Silverman 有 Arithemetic of Elliptic curves 一二冊, 第一冊介紹橢圓曲線的基本知識, 第二冊有一些進階的內容, 比如 CM 曲線, Tate 曲線, Neron 模型. 兩本書寫的很基礎, 很值得對算數幾何有興趣的人一看. 筆者只唸過第一冊和第二冊的一點點, 感覺非常好.

上述的 Diophantine Geometry 也是 Silverman (銀人)的專著, 內容是 Roth 定理 和 Vojta 用估計方法重新證明 Mordel 猜想的內容, 其時寫得還可以, 但是內容不是如帖子中講的那麼深, 只要學過一點點袋鼠幾何就可以看了.

費馬問題有一本書 Modular Forms and Fermat’s Last Theorem by Gary Cornell, Glenn Stevens, and Joseph H. Silverman , 是一堆人合寫的好書, 把費馬問題的周邊問題一章一章的講了, 當然把 Wiles的證明也介紹了, 是相當難的書,但是很棒,值得下功夫.

Algebraic Groups and Class Fields, Translation of the French Edition (Graduate Texts in Mathematics) by Jean-Pierre Serre 是早期的 函數體上類域論的書, 聽說很精采.

Weil Conjecture的標準書就是上述的 Milne 寫的 Etale cohomology theory. 需要對 scheme 理論很熟悉, Hartshorne 整本書都應該看完而且習題作完才能讀這本書.

Arithmetic Geometry by M. Artin, C.-L. Chai, C.-L. Chinburg, and G. Faltings 提到 Faltings 證明 Mordel 猜想所用到的各個分支, 書的結構也是一章一個步驟(專題), 讀完書可能會略知 Faltings 的證明大要 而且會知道更多的分支, 也需要 Harshorne 跟底

David Mumford 的 Abelien Variety 是介紹 Abelien Variety 的標準書, 需要Hartshorne 第二章的知識, 這本書寫的很好, 學幾何的話也可以參考其 1,2章來學 abelien variety和 cohomology and base change. 第三四章講 group scheme 和其 自同構環的算數,如果看的董會對學習數論很大幫助.

Diophantine Approximation and Abelian Varieties: Introductory Lectures by Bas Edixhoven and Jan-Hendrik Evertse 是專門講Faltings 的証明, 把一些太抽象的方法用估計代替, 不需要多少袋鼠幾何, 但是一點 Abelien Variety 還是需要的.

Lectures on Arakelov Geometry by C. Soulé, D. Abramovich, J. F. Burnol, and J. K. Kramer 是比較難的 Arakelov 理論的書, Arakelov 講算數曲面上的性質,所以需要相當多的袋鼠幾何. 另外 Introduction to Arakelov Theory by Serge Lang 是比較早的書. 這些書如果讀了(花個一兩年) 就可以進到算數幾何的最新研究領域, 對Falting 的證明也可以輕鬆掌握.

另外還有 Drinfeld module 的書 是函數體上的橢圓曲線的推廣, Crystalline cohomology 的書 (在下不知是什麼東東, 和 etale cohomology) 有關, 還有所謂 geometric laglands program 的書, 是現在挺紅的方向.. 但是在下認為算數幾何比純數論還美, 只是可以做的大問題比較少罷了..

to Quillen:
   “Grothendick” 应该是“Grothendieck”吧。你的“Topo”指的是“Grothendieck Topology”还是“Topos”?
  “但在本人的看法中,他的工作主要是語言的建立,”我不同意你的这种说法,你的意思可能是:Grothendieck只是给数学建立了一种新的形式语言,使得很多问题的阐述更加方便和直观(一种抽象的简洁)。但是,我觉得这种新的语言本身就包含了许多革命的思想,例如,以前,Riemann-Rohn只是纯粹关于簇的一个定理,而他却把它看作是一个关于簇间映射的定理,这样的话,就等于开创了一片新的天地,而不仅仅是一种阐述上的语言的不同,还有很多这样的例子。

“他的直覺並不是一種往常意義下的直覺, 而他是顯然崇尚於 “抽象化可以解決一切問題” 的數學家” ,你指的“直觉”是一种抽象的直觉吗?以前我也不相信有这个东西,直到最近突破了一些东西后,才稍有体会,确有此存在。关于Grothendieck崇尚抽象,有一些是Mumford,Hartshorne等人的歪曲,他们当时根本不理解Grothendieck的思想。Grothendieck的道路还没有走完,现Deligne他们正在努力把凡是适合于Scheme的性质改造成适合于Champs,这是一件艰难的工作。Grothendieck带来了整个数学思考方式的革命化。

“據我所知 有很多人學 EGA SGA 學到死胡同裡, 其實是他學派大部分的後人都是如此,只有少數幾個例外, 其實原因很簡單,數學不應該是以抽象的語言為本質,”,学代数几何要不要学EGA,SGA以及FGA,这个问题我以前请教过一个在IHES游荡的朋友,他的意见是,若你想成为Faltings这样级别的人,你就得念这几千页手稿。至于对其中的精髓的领悟,就全靠个人造化了,当然,前辈高人的指点也是一个重要的条件。其实,世界上真正念这3G的人,可能比学非交换几何的都还要少(Connes曾估计全世界有300多人干NCG),所以,代数几何领域很久没有出Faltings这样的同党了。
“抽象化是數學的一大部分 ,但做為工具的成分多餘作為研究的對象的成分, 就像 算子論, 純代數, 等等工具, 很快整個科目就會枯竭,留下的價值是,所有人都要學習之, 但並沒有後續的問題.”
只要不是人为的Vain Abstract,那么抽象永远是数学发展的动力。关键是要从抽象里领略大自然的构造,在数学观上我承认数学概念或者思想不是我们的发明,而是存在一个先验的绝对的数学世界,或许是柏拉图所谓的数学理念(亦或数学实体?)吧。算子代数已经够抽象了,Connes能够看出隐藏其中的非交换结构居然能够改造我们传统的测度,谁又能想到事情会来个神龙摆尾呢?其实非交换几何现象早就存在了,光谱学中 Ritz-Rydberg 组合原理,早年Gelfand 研究 Banach 代数的时候也发现, 一个交换的 Banach 代数对应于一个紧致拓扑空间, 叫做这个代数的 “谱” (spectrum), 这个代数正好是这个紧致拓扑空间上的所有连续函数形成的代数. 这种: 代数-几何 对应被 Grothendieck 在代数范畴里发展到了极至,而现在的形式表明,Grothendieck的这种发展是极为重要的。 一个自然的想法就是把这种对应推广到非交换的对象. 在代数范畴的推广就是所谓非交换代数几何, 在拓扑范畴的推广一般笼统称为非交换几何。Connes 就是从某一类 Banach 代数 — von Neumann 代数的研究出发来发展非交换几何的。
代数几何研究的主要对象,簇,是相当刚性的东西,怎样使它稍微软化到能够充分或者肆无忌惮的使用分析的工具,这是一个比较深的领域。有人开始改造经典的代数几何,什么同伦代数几何,非交换代数几何通通出炉了,可是,在思想上仍然没有突破,代数几何仍然笼罩在Grothendieck的阴影下。

代數幾何,過去五十年 和未來一百年

我想談談過去五十年和我預測未來一百年的代數幾何,我將一次次分開討論,如果有興趣請支持:

1940-1965
代數幾何在1900年以前,已經有了代數曲面的部分理論 和代數曲線上的Riemann-Roch定理,但是語言和概念處於一個混亂的狀態. 在1950到1965年間 出現了三個巨大的革命.奠定了代數幾何的秩序 描述了重要的問題,提供了未來發展的方向.:::
她們是 Hodge(加一堆人) 開創複幾何, Kodaira 的三大工作 和 Grothendick 的抽象語言及新定義(問題):

讓我先講第一項工作.

Hodge + Lefschetz + Kaehler 考慮了複流形的定義和一般的性質, Kaehler 引入了Kaehler 度量, Hodge 利用了分析中著名的”Elliptic regularity” 對Kaehler 流形的上同掉群作了至今仍然神秘的 Hodge 分解, 並且提出著名的 Hodge猜想, Lefschetz 證明了Hodge猜想的非常特殊情形,並且證明了他的截面定理, 用以連結一平滑代數促和其截面的同掉群.

這是一連串故事的開始, 這個故事到現在,甚至以後一百年內 都不會結束.
(2)

Kodaira 的三大工作:

(1)Kodaira 證明了 當複流形上的 Kaehler form 的 上同調 是 有理的時候, 該負流行就可以全純嵌入到 複射影空間之中. 而且也證明這是唯一的條件. 至今稱為 Kodaira embedding.
(2)Kodaira 把義大利學派對複曲面初步工作做了全面性地毯式的推廣, 對複取面 利用 他的 “Kodaira dimension” 作了一個本質上的分類, 對分類中的幾個大項都做了完全的討論,尤其是對曲面作為 一個 over 曲線 的 fibration , 對其 sigular fiber (橢圓情形)作了分類,至今稱之為 Kodaira Classification.
(3)Kodaira 研究了複流形的變形理論,對一階變形做了詳細的了解. 將一階變形表達為切叢的第一階上同調群, 證明了至今稱為 Kodaira Spencer 映射 的 存在性,

這三個工作,不論是哪一個 ..都是無比的巨大. 每一個工作都沒有做完,但都做了開創性的一步,也顯現了複曲面理論的三個主要觀點: 做為射影空間的子簇,作為over一個更低維度流形的 fibration, 作為其他更好瞭解的複流形的變形.

配合 Chow 的工作, Kodaira 和 Chow 完全刻畫那些可以做為射影空間子簇的複流形,知道她們正是那些用多項式在射影空間切出的子簇. 複幾何從此成為袋鼠幾何的心腹(大患)

嵌入定里使用了 正曲率向量叢之上同調的消滅定理, 這個消滅定理隊高維流形的分類起了作用, 也引發了後續的研究 比如尋找更強的消末定理

對曲面的分類, 留下了 general surface 和她們的 moduli 問題, 其使用的 fibration 技術,成為人們研究曲面和更高維流形的主要工具

變形理論被 Kuranishi 更一步拓展. 證明了有名的 Kuranishi Obstruction Theory (障礙理論), 描述複流形變形的障礙, 發現了 Kuranishi 映射, 成為理解曲面(或任何袋鼠幾何研究對象) 模空間局部圖形的刻畫方法.其數論面被Nicolas Katz研究其 over Spec Z
的變形性質, 幫助了 Deligne 證明 Weil 猜想.

Kodaira 是神..
1965-1980

這個時期得袋鼠幾何工作比較分散,很多結果都變成了啟發後面1980-2000 年工作的具體例子.主要是模空間理論的出現喊逐漸成熟: 這個時期的紅人是 David Mumford ,單個較大的工作團來自 Griffith 的領導, 另外Daniel Quillen 作了非常抽象但在2005的今天逐漸揭示其重要性的工作:

(1) 特殊曲面模空間: Kulikov 和 Robert Friedman 完全刻畫了K3曲面的 semistable 退化, Lefshetz 等人證明了K3 的 Torelli 定理, 其中也用到了這個時期 Kuranishi 發展的障礙理論, 非常具有其特殊意義, 人們開始關心 模空間,

(2) 曲線模空間: Deligne 和 Mumford 製造了虧格數為g的曲線的模空間及其緊化, 在其上計算了一些重要的幾何上同調的相交數. 引入了 Moduli Stack 的觀念, 其中用了 Grothendick Topo 的語言, Artin 研究了抽象 Stack 的局部-全域 性質, Grothedick 的學生 Illusie 研究了 重要的 Cotangent Complex, 成為 stack 上一個酷斃的變形理論.

(3) 向量叢的模空間: 人們開始研究向量叢的模空間, Narasimhan 和 Seshadri 一系列的工作研究了曲線上向量叢模空間的製造和緊化, 研究他們的拓墣和幾何性質. Atiyah - Bott 從微分幾何的方向來考慮相同的問題, 對黎曼面上的向量叢模空間計算其betti 數.是 Gauge (規範) 理論 在曲線上的經典之作,

接下來我要講這個時期中, David Mumford, Phillip Griffith, Daniel Quillen ,的工作

(1)
Daniel Quillen: 因為和Thom 共同證明了有名的 Cobordism Theorem, 以及他開創了 Homotopic Algebra, 定義了 Higher K theorem 和發現其和 Chow group of Scheme 的關係, 得到Fields medal. 不同於 Grothedick, Quillen 的工作更具有數學上的價值, 他的homotopical algebra 至今仍是一個謎, 但是越來越多的數學問題都指向了解這個謎是終極的方法, Higer K sheaf 的上同調等於 Chow group, 這個定理也是充滿了神祕的面紗, 從 1980 到 2005 沒有人開清楚其中的真正的現象.

Grothendick

Grothendick, 是一個很難聽的名字.如果你學過德文,你會知道 Grothen 是大的意思,Dick是老二的意思.所以合起來就是 這個人的名字很 Diaoˇ

他是真的很 Diao ˇ, 他夥同了一票同事和弟子, 建立了他的 Program of Scheme, 寫下了 EGA SGA 和 FGA, 就是袋鼠幾何初步,研習,和基礎 的意思. 他又提出了 Etatle Theory, Topo 的概念, Weil 猜想的可能解法, 證明了他的 Grothendick Riemann Roch 公式

關於上述幾個工作,我來討論依下: Scheme (我想中國翻譯成概形) 是研究代數簇一定會要關心的對象,主要有兩個原因, 一是一個簇到另一個簇的映射,其fiber (一點 的原象)不一定是個簇, 但一定是一個 “概形”,另一個理由是在研究算數幾何時, 要研究over 不是複數體的概形, 必須使用 scheme 的概念.

這只是一個簡單的概念,基本上概形就是 由幾個交換代數黏貼起來的圖形, 所有的性質都可以用交換代數描述的.但是在使用Cech 上同調來講sheaf的理論時,有特別得便利之處,另外在變形理論中,複流形的變形比scheme的變形難描述的多.

Etale cohomology 是 scheme/K 在K 不是複數時 的類比於 singular cohomology 或 DeRam cohomology 的東西.而 Etale homotopy 則是此情形的 homotopy. 兩者都和 K 的算數性很有關係, 是類比於拓墣理論但是實際上把 Gal(K_1/K), 包進去的概念, 其中K_1 是K的代數閉包. 這 Etale cohomology 後來被 Deligne 拿來解決 Weil Conjecture 的伊部份, 其實很大程度是只是表面的技術問題, 但是想法是很突破性的: 把算術和幾何做了一個很恰當的合併.

Topo 是很新的概念, 當時沒有人注意, 但現在 對 (moduli) Stack (中文可能翻譯為 堆積 ) 很有影響 當時是被拿來推廣原來的”拓墣中的開集合”, 用於定義 Etale cohomology 和 homotopy.

Grothendick 雖然做了很多重要的工作,對後人有很大的影響, 但在本人的看法中,他的工作主要是語言的建立, 除了很多技術性的部分之外 , 他的直覺並不是一種往常意義下的直覺, 而他是顯然崇尚於 “抽象化可以解決一切問題” 的數學家, 據我所知 有很多人學 EGA SGA 學到死胡同裡, 其實是他學派大部分的後人都是如此,只有少數幾個例外, 其實原因很簡單,數學不應該是以抽象的語言為本質, 抽象化是數學的一大部分 ,但做為工具的成分多餘作為研究的對象的成分, 就像 算子論, 純代數, 等等工具, 很快整個科目就會枯竭,留下的價值是,所有人都要學習之, 但並沒有後續的問題.

畢竟 數學真正的對象, 除了物理問題以外, 是 幾何(拓墣) 與 數…

而方法..只因為研究的對象而重要…. ]

(huzhengyu

还有他的标准猜想,至今是不可接近的。stacks现在有很多新的工具了,象源于代数拓扑里的operads,A无穷代数,D模这些。
我觉得抽象化肯定是很核心的数学技术,不然同伦代数不可能会诞生,同伦代数几何就更不必说了。数学的对象有些一直没有变,有些却是全新的。
现代物理学家有不少已经倾向时间和空间都是想象的产物,不是实在仅仅只是心理学概念,那么如果想看一眼最原初的“没有时间和空间的世界”,所需要的数学肯定是抽象的可怕的。
好像是哈代说得,除了自然数一切都是人创造的,不过就现在来看,我个人认为可能自然数也是人创造而不是自然本质具有的,因为集合和数数的概念很可能是人的特征而非自然的本质特征,所以以有理数为对象的数论也许也会慢慢改变它的对象。
不过我非常赞同你对复几何的重视。我也觉得现在代数几何的核心内容是与解析几何的内在联系。
这些只是我的个人感觉,我水平较低,各位请勿见怪。

回答2楼,grothendieck没有自己的学派。他在自传中称此为“葬礼”,认为他离开后的数学界又再次把精力投向技术性的问题而不是开创一个新的几何纲领。他所想象的“新几何”“新数学”被埋葬,因为他之前太过乐观,EGA写到第四本的时候,大家已经开始觉得沮丧,离他的“新几何”的目标似乎遥不可及,尽管他自己坚持认为“只差没几步”了。

就现在来看,做stacks的人还是不少,但是需要巨大的数学基础,而且所有的目标都遥不可及。个人还是认为应该做“炉中烧着的铁”,除非你觉得自己一人之力能够战胜以前在这个目标前失败所有的数学家。

[grothendieck] harvesting and sowing
没有出版的 可以去数学所资料室借复印版的 里面还有pursuing stacks的手稿
不过standard conjecture比hodge猜想推广多了 里面还有他的一篇关于一般意义下hodge猜想推广不成立的简单理由

)。

1965-1980 Part Two

既 上次的帖, 這次我想介紹一下 David Mumford 和 Phillip Griffith 的貢獻和我對他們的個人意見.

David Mumford 是一個奇才. 他有兩個主要的工作:

(1) 發展了 Geometric Invariant Theorem, 也就是著名的幾何不變量理論, 這個理論研究,當有一個群 G 作用在一個簇 X 的時候, 怎麼樣正確的找出 X/G (稱之為 Quotient by G) 上的 scheme 的結構.

這個問題聽起來很簡單, 如果只想做 X/G 上的拓墣或微分結構, 幾句話就可以說完, 但是想有一個簇 或是 解析結構, 就變的複雜, 這是代數幾何研究 模空間的重要工具
幾乎所有的模空間的製造都是這種 X/G 的形式. 比如說曲線的模空間, 一個簇裡面的曲線的模空間, 向量叢的模空間, 霍奇結構的模空間, 等等等等等等等 模空間..

(2) 曲線和 Abelian Variety 的模空間的緊化問題: 模空間的緊化一直是備受關注的問題, 人們想知道幾何物件的退化會變成什麼樣子, Mumford 研究了上述兩種物件模空間的緊化, 並証明了對任意幾何物件退化的 ” Semistable Degeneration” 定李, Mumford 也對 Abelien Group Scheme 作了一些貢獻 , 對算數幾何起了重大的影響.

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Phillip Griffith 相較之下 ,並沒有這麼傑出, 他也就只做了一系列有關霍奇猜想的工作, 他帶領了一堆學生和工作夥伴, 對霍奇結構的變形理論,和霍奇結構退化時的理論,作了相當的貢獻, 他主要的動機是想要研究 霍奇猜想和 Torelli 問題. 但是他 失敗了 (ps: 霍奇猜想可看成是 torelli 的特例) 他也因此離開了數學界, 留下了他的兩個著名著作: (a) 和 Joe Harris 合寫的 Principles in Algebraic Geometry (b) 和他的團隊合寫的 Topic in Transcendal Geometry

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在1965-1980這個時期中 Pierre Deligne 還提出了他的 Mixed Hodege Structure, 也就是混霍奇結構, 是不平滑的簇的霍奇結構. 另外Hironaka 也證明了 Resolution of Singularity 的大定理 得到非爾茲獎.
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作為此文的作者, 我想說依下我的個人觀點, 雖然 Mumford 的工作比 Griffith 傑出, 但是我以為這只是短暫的歷史現象,Mumford 對他的學生非常惡劣.甚至盜取他的一偽超強女學生,的工作, 相較之下 Griffith 就帶領出一批學生和合作者,他雖然失敗於一個不可能的任務:解決霍奇猜想, 但他的學生在下一個時期中, 持續的在這個綱領上工作, 也取得重要的結果,一直到1996鏡對稱猜想出現,袋鼠幾何界對霍奇結構的重視突然飆高, 隨著這些故事,Griffith 的精神永存.
(想问一下,在那里可以买的到David Mumford 的袋鼠几何书?

你是指red book?还是alhebraic curves on surfaces?或者abelian variety?
mumford这3本书满有名的,后面两本需要hartshorne打底。

引用 (huzhengyu @ 2006年12月10日 20时00分)

估计后面两本没有买的吧。你实在需要可以向我买,呵呵。

第一本哪里有新书买?后两本买你的.多几成新?听说你自己做了一本代数几何的答案,是哪本?可以估价一起卖给我吗?

我就是可以帮你借原版书然后复印装订一下,然后邮寄给你。书本质量要看原版书的新旧而定。
代数几何答案是iitaka的algebraic geometry:an introdution to birational geometry,不过我是手写的,估计你看不懂我的字,哈哈,而且这本书的习题一般,不看也罢。我是用作讨论班的讲稿。 )

1980-1992 這個時期, 是代數幾何的一個黃金時期, 這個時期有三個大猜想被解決, 幾個分支先後出現, 能人輩出, 真說的上風起雲湧:

解決的猜想:

(1) Weil 猜想: Weil 在50年代提出了一個猜想, 認為over Z 的一個簇的整數點的個數隱藏了該簇的拓墣性質, 這是一個令人震驚的猜想, 藉由幾何物件連結了拓墣和算數, 這個猜想由 Pierre Deligne 解決, 他用了 etale cohomology 的各種性質, 比如 Lefshetz 固定點公式, 另外Weil 將整數點合在一起寫成一個生成函數, Deligne 證明了這個函數的黎曼猜想, 這些工作是 Grothendick 的 Etale theory, 甚至是代數幾何, 開始受到數論學家重視的原因.

(2) Mordell 猜想: Mordell 在 20 年代提出了他的著名猜想: 說一個虧格大於等於2又定義over Q 的代數曲線, 只能有有限個有理數點. 這個猜想非常的簡短漂亮, 人們知道虧格零的曲線有有理數那麼多有理數點, 知道虧格一的曲線的有理數點形成一個有限生成交換群(這是Mordell 的定理), 如果證明了 Mordell 猜想, 那就說明了曲線的有理數點結構決定其 Kodaira 維數.這又是一個聯結算數和幾何的特別猜想.

(Kodaira 維數是 Canonical bundle 的 section 的個數增長次數, 曲線有三個 Kodaira dimension, 虧格0 -> K.D=複無限大, 虧格1-> K.D.=0, 虧格大於董於二->K.D.=1)

這個猜想被 Gerd Faltings 解決, Faltings 據說是一個天生下來學習 Grothendick
語言的數學家, 他高中就把 Bourbaki的代數唸完,大學把 EGA SGA 唸完, 他證明 Mordell猜想的方法也是利用 Abelian Variety 的理論, 這個人和 Pierre Deligne 是算數幾何的宗師.

(3) Calabi 猜想: Calabi 提出他的著名猜想: 一個 Kaehler 形式可以調整為其Ricci曲率為給定的形式, 邱成桐證明了這個猜想, 也證明了 Kaehler Eisten 曲率的存在性, 在 K trivial 的時候就是著名的 Calabi Yau 流形, 一維時是橢圓曲線, 二維是 K3 曲面或 Abelian 曲面,都只有一種拓墣結構, 三維以上就不依樣 , 至少有數萬種 Calabi Yau 流形有不同的拓墣, 隨著物理的鏡對稱理論和弦論, Calabi Yau 流形變成了和 Eistein 四維時空流形(with Eistein 測度) 一樣重要的物理概念, 成為了到現在20年內代數幾何得重要研究對象. 這個代數幾何和物理的連結, 某種意義上比前兩個猜想的解決還要有意義.
(Yau 的結果雖然是微分幾何的, 但對代數幾何的應用非常多,也可能持續發現其應用, 比如說 P^2 上只有一個 Kaehler 結構也可用此證明)

下次我將說到 Simon Donaldson, Maruyama+ David Gieseker, 和 Gromov 的工作, 雖然第一個和第三個不能算是代數幾何學家, 但是在21世紀的今天, 他們的工作隊代數幾何起了深重的影響, 就如 邱成桐的一樣.
那個 Kodaira 的 deformation 和 complex space 的 deformation 都是所謂的 “first order deformation” (一階變形) 也就是模空間的切空間, 如上述是 次數1的 cotangent cohomology. 而其他次數的 cotangent cohomology 包含的訊息 則是 所有階數的變形, 目前大家開始重視 次數 2 階 的 cohomology 的幾何意義.

如果你要看變形理論 我不鼓勵花太多時間在 Kodaira 的書, 事實上 這世界上還沒有一本把 變形理論講的很完善的書 主要的原因是這是還在發展(得很慢)的學科, 主要代數幾何 (或複幾何) 研究三種東西的變形: 全純映射的變形, 向量叢的變形, 和 variety 自己的變形, 所謂的 Gromov Witten 不變量 和 Donaldson 不變量 就個別是前二者變形理論 的 一階和二階部分應用. 如果想要參考資料, 這到真是很大的問題..

我承認您說的 複幾何的入門門坎很高 也因此個人並不以為 大家都應該來學這個, 畢竟這是象牙塔裡的東西 真的跟世界有關聯的 也是透過玄之又玄的 弦理論 鏡對偁..另外 您如果要看 cotangent cohomology, 可以Google搜尋 “model category and simplicial method” by Paul Goerss (另一個作者忘了), 這篇介紹 Quillen 定義 cotangent cohomology 的方法 但是很不幾何, 而且 Paul Goerss 真是超級好人 我寫信問他五六次問題他都很詳細的答覆. 但是若要從比較好,也就是幾何的,角度 建議 關心一下所謂的 “障礙理論” (Obstruction) 這是上述的 2 階的部份, Kodaira 的書沒有講, Barth 的 “compact complex surface” 查閱 “Kuranishi” 可以找到 定裡敘述, 證明可以看其文章 或是
Daniel Huybrecht 的 “The Geometry of moduli spaces of sheaves” 的第二章附錄 (對向量叢情形)

Riemann Roch 是很重要的定理 証明也不算容易 其一般情形 被當作是 代數幾何計算上同調的少數工具之一, 而 所謂 virtual cycle 的構造 和 Riemann Roch 有非常大的關係.

念到像你這樣 讀書要學會跳躍 不要”一步一步念下去” 盡量尊重自己的直觀. 另外 有問題請務必來討論 我會努力去想….

在中國念博士是很艱難 我去過上海有此感覺 博士生活 就像是 告訴這些有能力也能享受到數學趣味的學生們, 這個世界很殘酷 數學很沒用 賺不了錢 想要數學到底 就要犧牲所有物質慾望 折磨精神 也不要想很輕鬆的養家活口, 然後又常常用一些口號 讚美清高的數學家, 好像做數學就不用買車 不用買房子 不用取老婆 活該躲到山裡面做隱士靠掌聲過活, 一步步的神仙化數學家形象來蠶食學生最後的熱情

這在國外是不多見的 一個成功的國家 應該是對花多少心力工作的人 就能給多少的回報 而且是實際的物質上的回報. 國外連數學工作都講究市場供需, 但是待遇比中國好的多也公正的多 即使數學可以算是跟社會嚴重脫節的科目 在國外你可以看到數學家們受到別的科系的真正重視 因為數學對他們有用..

個人小感抒發 請別介意….

鏡對稱的確是源於物理 但是其中的 幾種對稱已經完全的被數學化 也就是說 他們變成了純粹的數學問題 一般說”鏡猜想”這個名詞指得就是數學中的鏡對稱猜想 Toric 在現有的鏡對稱的數學中扮演非常關鍵的腳色. Victor Batyrev 提出用 互相對偶的 一組 toric varieties 的個別其中的 complete intersection subvarieties 可以得到所有物理上所猜測的 Mirror pair of Calabi Yau 流形 他的這個猜測 已經提供了無數的鏡對稱的例子 和 Strominger, Yau, Zaslow 提出的 Special Lagragian fibration duality 相比較 雖然兩者都是提出製造鏡對稱流形組的猜想 但前者非常的實際並有很多例子 後者一個例子也沒有 (除了幾個沒有意義的例子) 但後者有助於所謂 “Homological Mirror Symmetry” 的可能的証明 有關極小模型, 我想您說的是對的 但只適用於三維或二維 比如說再四維的時候就得吹落一些二維的東西 KE Metric 現在最紅的是 KE flow 其次是 open manifold 上面的 KE, 我的微分幾何也學的不好. KE 是 HE (hermitian eistein)在切叢的特例 我對這個 HE 比較有興趣 他們對應到代數幾何的 穩定性 是很有趣的課題 我將來有時間會好好學一下這個東西..

紧致流形上所有联络组成的空间与流形本身有什么联系?

只看空間沒什麼關係. 但是在上面考慮某些方程 如可積方程 的解集合 就和流行的 複結構有關係, 考慮 anti self dual 方程, 就跟流形的微分結構有關係 等等

连通拓扑空间与其上某点闭道路组成的空间有何拓扑关系?

其同調群和同倫群 都可由原來流形決定..也有其他關係..

模空間, 一般只某些物件的集合有天然更多於拓墣的結構, 通常要有限維, 比如說 虧格g黎曼面的模空間是一個維數是3g-3的平滑 複流形 (orbifold) 或 複向量叢模空間 或 微分方程解集合模空間 等等

Hodge 猜想: 個人傾向認為是錯誤的

先對bird 想用 minimal submanifold 表示質疑, minimal submanifold 幾乎都不會是 subvariety. 除非你可以推廣 mean curvature flow 到 calibrated flow.才有機會證明猜想

即使是對 Abelian Variety 或是 4維 variety, 經過長久的研究 也沒辦法證明是對的. 日前有人 發表 K3曲面乘上自己的反例, 雖然該反例後來有誤, 但我相信 對 genral surface 乘上 general surface 的 middle cohomology 就會是錯的了.

Griffiths 的 Jacobi inversion 本來是想推廣曲線情形到高維來證明 Hodge猜想. birds兄 可以從 樓上說的 “A survey of Hodge conjectures” 這本書中看到. 但是Griffiths 工作了很久 80-90 便發現這是不可能的. 去年底我還聽過他在 stanford 的演講 其中他提議大家來研究 滿足 Hodge 猜想 的 variety 的 moduli space 的 virtual cycle. 這便是說明他已經放棄相信該猜想是正確的了.

其實 Hodge 猜想 顯現了 人門對 variety 的 一般性質的了解是鳳毛麟角, 尤其是 cycles and rational harmonic forms.

盡管如此..情感上很多人還是希望猜想是真. 這個猜想太漂亮了. 如果是對的話.不會比 Index 定理遜色. 人們有時也抱持著這樣的理由: “這麼久都沒有發現反例 多半不會是錯的” 到目前為止. 利用滿足Hodge猜想的 variety定義的 Moduli space 幾乎都被證明滿足 Hodge 猜想. 然而 Moduli space 在 所有的 variety 中佔的太少, 比如 Abelian variety 幾乎都不會是 Jacobi varieties. 所以 也可以說 Hodge 猜想至今沒有進展.

然而 有一件有趣的事情: 我門學過 Hodge (1,1) 猜想可以用 簡單的 exponential sequence: 0->Z->O->O^*->0 取 sheaf cohomology, 配合 hodge 分解 來證明. 如果有心的人 就可以發現 Z 和 O^* 個別是 analytic local ring O_p 的 K^0 和 K^1, 也就是著名的 K group. 高階 K 理論已經被 Quillen 很好的定義, 我門會問自己 Hodge(p,p)猜想 是不是和 exponential sequence 的推廣 以及 O_p 的 K^2,K^3,…K^p (高階K群) 有關 甚至被其證明.. 在 Quillen 的工作 50年後的今天, 人門還是不能計算 K^2(O_p), 所以這條路還很遠 不過已經開始有人在組織集團來計算這些高階K群 比如 Suslin.

另外如果是從事複分析的人 想要研究Hodge猜想並且證明其正確性的話, 有一條, 幾乎沒人去走的路, 也就是研究 聯絡的可積方程的流, 因為 Hodge 猜想幾乎等價於問, “一個 平滑的複向量叢 (當然是在我門的 variety上), 如果其陳類都是 pure type (ie. (p,p) type) 那麼必定存在可積複結構?” 要得到可積結構 很方便 的是找一個 曲率為零的 “d-bar”(音譯) connection. 因此便是要解可積方程, 或許, 陳類是 pure type 可以幫助這個方程解決.

然而 這個方程是一個 over determinied system. 也就是說我門不能期許有很一般的方法找解, 更多的觀察顯示, 這裡有所謂 “virtual cycle” 的問題在作怪..跟 Griffiths 演講中的想法雖然不同(他的是滿足”Hodge猜想的variety的模空間的virtual cycle”, 而我這裡指的是 複向量叢模空間的 virtual cycle”. 但是這兩者同樣表示放棄 Hodge 猜想可以有別的更合理的猜想. 當然的也有可能藉由 證明 virtual cycle of moduli of holomorphic bundles 非空來証明 Hodge 猜想.

要提的是, 想要使用 數學歸納法的方法來證明 Hodge猜想的 很容易知道 只需要證明 (p,p) 猜想 對 4p 複流形 即可. 然而..就算想把 4p 複流形寫成 fibration over curve 來證明Hodge 猜想, 中間會遇到 hodge cycle 躺在 不同的 singular fiber 中而且可能該類在每一個 singular fiber 中的 component 皆非 pure type, 所以不能如此簡單的用 歸納法 來證明 (即使假設對 singular fiber 都有 mixed 版本的 Hodge 猜想成立). 這是 R. Thomas 的文章.

最後想說的, 如果不幸的此猜想是錯的, 那鑽研 Hodge 理論的人必然大失所望 然而 有關 Hodge 理論的大問題並不僅此 比如 Mirror Symmetry 中的 type 2B field 用的是 variation of hodge structure 來算 但本質性的理解還不構透澈 至少在Mirror symmetry的可能的數學證明中Hodge理論應該佔什麼位置 還不清楚. 另外 跟數論的關系 尤其是 Weil 猜想中zeta 函數 分子分母的根 和 variety的 hodge 結構有很深關係 現在沒聽說有什麼猜想提出來(也許因為數論只關心曲線情形, 或是我孤陋寡聞). 當然 也是我最感興趣的 是 如果Hodge猜想錯誤, 那利用 virtual cycle 的理論 (即使只是個方興未艾的理論) 能對猜想做怎麼樣的修正, 我期許這個修正一定是很驚人的…

者是代數幾何工作者..認為代數幾何比微分幾何有趣得多. 雖然微分幾何的重要性是無
庸置疑,但是代數幾何有更多巧妙得構思,也有更有趣的問題.. 讓我來說幾本代數幾何的
好書: ( 在書號後是金庸小說密籍的類比,書評之後有兩個星號數.第一個是困難度.第二
個是重要(趣味)性, 第三個是讀了投資報酬率 從 1 到 5 是 易 到 難(無聊到有
趣) .. )
1 武當長拳( 基本功夫) Atiyah&McDonald 的 Introduction to Commutative Algebra
和 Matsumura 的 Commutative Algebra 是代數幾何中代數部份的背景知識. 兩本書只
重視代數而不提及幾何,但第一本書的習題有很多引出幾何背後意義的好問題. 事實上任
何一個交換代數的定理 都有幾何意義. A&M 的書寫的很短, 但是把所有的內容都做了簡
介, Matsumura 的書內容非常豐富,如果唸完她就可以開始交換代數的現代研究,可以開
始看文章,這本書比 A&M 多了一些重要的章 節如 “flatness” 和 “Struture 定理”. –

—————————困難度 中 趣味性 ***
2 梯雲縱 (練了想進哪個分支都可以 …) Robin Hartshorne 的 Algebraic Geometry
是代數幾何的經典教科書.任何一個年紀不到五十的代數幾何學家都是學這本書長大的.
這本書是 Grothendick 的 EGA 和 SGA 一部分的一個非常有系統的總結. Grothendick
的書包含的內容很齊全但是失於不實際: 也就是討論的對象過於一般有時沒有幾何意
義, 這一點十分不好. 但是 Hartshorne 的書把整個 Grothendick 的 Scheme 綱領 作
了一個最恰當的詮釋.這本書的習題也非常重要 不管將來對 算數幾何 或複幾何 或 更
深入的代數幾何 這本書的習題都是永遠有用的.本書的菁華在前三章,很好的處理了
scheme的基礎性質,最重要的大定理是第三章的最後一節”上同調與基轉換” 定理, 是一
個來自複幾何的定理. 四五章分別是曲線和曲面, 但是這兩個專題都有更好的專書介
紹. —————————–困難度 中等 趣味性 ***
3 一套武術服飾(行走江湖 要穿衣服)
Gunning 的 Lectures on Riemann surface 或 Forster 或 Farkas 或 Jost 的
Riemann Surface: 黎曼曲面是數學的核心. 跟一切的數學分支都有重大關係. 上述四個
作者的書都有相當深度. 筆者只唸過 Gunning 的, 是一本比較重視”上同調群” 的好
書. 其他幾本又或重視黎曼面的”雙曲幾何” 或 “黎曼曲面的自同構” 或 “曲線上的特殊
線性系”, 都非常有意思. 很多中國人 還喜歡 伍鴻禧 寫的黎曼曲面引論. 但筆者並不
是非常喜歡. Gunning 書的優點是把層的上同調做了很快但很詳盡的介紹,該書證明
Serre對偶定理和 Riemann Roch 定理的方法使用了廣義函數,和一般的證明不大一樣,適
合喜歡廣義函數多過橢圓方程的讀者. ——————————困難度 易 趣
味性 *** 4 全真派基本內功(一定要練) Griffith& Haris 的 Principles in
Algebraic Geometry. 這本書是經典中的經典.是複幾何的基本教材. 這本書的每一章都
寫的很完美. 第一章是Hodge 理論..是複幾何中最深奧的理論. 第二章是Kodaira 嵌入
定理 複流形的嵌入比實流形的嵌入有趣很多. 第三章是 current 和 spectral
sequence, 是很現代的工具. 第四章 是曲面論 . 寫的很詳盡 但是有更好的書(見6).
第五張是特殊專題 對袋鼠幾何中不同方向的人有不同功用.這本書是學習複幾何的必備
教材.但是學袋鼠幾何的人如果讀了這本書,卻能對袋鼠幾何有一個更全盤更清晰的認識.
也就是所謂站在更高的角度. ——————————-困難度 中等 趣味性
**** 投資報酬率 **** 5 九陽神功 Barth & Hulek & Peters 的 Compact complex
surfaces. 這本書是經典中的經典中的經典. 講的是代數曲面的各種專題. 每個章節都
寫的無限完美. 可以說如果學代數幾何沒唸過這本書. 甚至是學幾何沒唸過這本書..可
以考慮換行.是百年難得一見的好書. 內容包括曲面裡的曲線,相交數,霍奇分
解,pojectivity,有理曲面分類,Kodaira分類,general 曲面,K3&Enrique曲面. 筆者以為
此書新版的最後兩張寫的尤其好. 一是 K3 曲面 另一個是 Doanaldson 和 Seiber
Witten 理論. 後者是來自模空間的不變量理論.現在都是熱門的專題. —————

—————-困難度 中等 趣味性 ***** 投資報酬率 ***** 6 少林派羅漢拳(如果
沒事 可以練練) Robert Friedman 的 Algebraic Surfaces and Holomorphic Vector
Bundles 這本書是 講曲面和上面的向量叢. 曲面的部分講得有點亂,事實上沒有人把曲
面講的比 Barth 還好的. 向量叢的部分有”穩定性條件”的介紹和刻畫,值得一看. —–

—————————困難度 易 投資報酬率 ***
7 雙手互博(可以連結兩樣功夫) William Fulton 的 Intersection Theory 相交理論
是 袋鼠幾何1960-1990發展的一套基本理論,閱讀很多的專門書籍都需要用到他,本書是
相交理論的大家 Fulton 的代表作, 介紹了 Chow Group 的性質,袋鼠陳省身—-類, 還
有 Fulton 發現的 deformation to normal cone, 用它來做 子簇的香蕉理論,還有很多
專題,這些專題都很現代,相交理論是 Gromov Witten 不變量,Donaldson 不變量,模空間
理論 等的基本知識, 基於這些不變量和模空間是現代袋鼠幾何的發展潮流, 這本書前六
章的必讀性並不亞於 Griffith & Harris 或是 Hartshorne 的書. ——————
- 困難舵 一點點難, 趣味性 ***(主要趣味在應用) 報酬率 ***** 8 吸星大法 (練完就
可以吸取微分拓墣學家的內功以為己用) Donaldson & Kroheimer 的 The Geometry of
Four manifold. 這是微分拓墣中的聖經.兩人都是大家. 此書引出了四維流形的 Gauge
Invariant (規範不變量), Donaldson因為他在此書的工作,對四維流行的微分結構增加
了了解,因而獲得菲爾茲獎,而複曲面是四維流形中的一大類 ..因此也屬於代數幾何. 現
代做這個領域的人不多,但是卻是將來幾盒和拓墣發展的重大方向,Aityah 曾說”21世紀
的數學 是 規範理論的世紀”. ——————————–困難度 難 趣味性
***** 投資報酬率 0 (本書效益在五十年後)
9 乾坤大挪移 (練到一半就夠強了 全部練完你也吐血而亡) John Morgan 和 Robert
Friedman 的 Smooth four manifold and Complex surfaces. 這本書講得是橢圓曲面和
其上Donaldson 規範不變量理論.作者利用此理論得到了曲面 的一個大定理, 證明了最
多只能有有限個複變形類共用一個微分結構. 是一本很專門的書, 內容非常緊湊而且很
不容易唸,筆者還在努力學習. ————————— 困難度 極難 趣味性
**** 投資報酬率 **
10 Kashiwara的Sheaves on manifolds 這本書非常厚,寫的相關層的拓墣性質,有
Riemann-Hilbert correspondence, 各種層的?#092;算, 變態層和可建構函數, 筆者沒
有唸過所以無法做更多介紹. 11
Hartshorne 的Residues and Dualities 介紹 Derived category 和其上的?#092;算,一
些對偶定理.和 Kashiwara 的書有內容上的重疊,因為Kontsevich 的 Homological
Mirror Symmetry , 所謂的 Derived Category逐漸受到大家的重視.對直攻現代研究有
幫助.
12 筋肉人和加菲貓的無敵風火輪 (練前請三思) Haris 的 The Geometry of
Algebraic Curves. 是有一點點狹窄的領域. 研究代數曲線上的特殊線性系統. 有很多
細節的一本書. 唸完後的最大用處就是研究曲線的模空間Mg, 是現在最熱門的專題,但是
做的人非常多,所以可能入手會很艱辛.也就是很有可能找到你作的題目有其他的大頭也
一起在做.不論如何,唸完此書可以成為一個代數曲線的專家.將來的發展也不少.這個Mg
的延續就是Gromov Witten 不變量,以及所謂的保角場論中的 \sigma 模型. (來自弦
論) ——————- 困難度 難 趣味性 ** 投資報酬率 ***
13 五獄派劍法 (有用處但是相當雜亂.拼拼湊湊) Joe Harris & David Morrison 的
Moduli of Curves 是講曲線的模空間的經典.但筆者唸的有一點頭昏腦脹. 這本書的原
型是前一本書的第二冊.也就是研究 Mg (虧格g的曲線的模空間)的入門書.裡面有
Enumerative Geometry (記數幾何) 的一個全面介紹. 有曲線模空間上的相交數和各種
性質. 該書寫的相當有幾何風味,至少是 Harris 的幾何風味. ————- 困難度
中等 趣味性 *** 投資報酬率 ***** 14 九陰真經 (練完後可以開始真正研究問題)
John Morgan 和 Robert Friedman 的 Gauge Theory and the Topology of Four-
Manifolds. 裡面有Gieseker 寫幾何不變量理論. 李駿的 Uhlenbeck 緊化 和 Gesieker
緊化的比較定理. Morgan 討論 Donaldson 規範不變量 和對此量的計算結果. 此書的分
量不多,也沒有太多繁瑣的性質.各章都直接介紹最重要的結果和想法.不要求太多細節的
驗證. ——————– 困難度 中等 趣味性 ***** 投資報酬率 ***** 15 太極
拳 (一法通萬法通) Daniel Huybrecht 的 The Geoemtry of Moduli Space of
Sheaves. 是向量叢 模空間的經典用書. 第二部分有此學科最先進的結果. 各章的附錄
都有很重要又有趣的結果.主要內容包括半穩定叢的分解成穩定叢,穩定叢的陳數不等式
(Bogomorov Inequality), Mumford 的幾何不變量理論, 穩定向量叢模空間的製造, 曲
面上向叢模空間的平滑性,不可約性(李駿的定理), K3曲面上向量叢模空間的性質. 這本
書的語言有點形式化,有可能讀的時候會失去幾何直觀.所以讀者可以參考其他比較幾何
的書,比如Robert Friedman 的向量叢的書. ————————- 困難度 難 趣
味性 *** 投資報酬率 ***** 16 MK47 步槍 Joyce, Gross & Huybrecht 的 Calabi-
Yau Manifolds and Related Geometries. 是最新的 Mirror symmetry 的專題書. 講
Calabi Yau 流形的各種相關問題. 有Yau 解決 Calabi 猜想的概述. 有 Mirror 猜想
和 SYZ (Strominger& Yau& Zaslow) 猜想. 還有 HyperKaeler 流形性質的討論.這是二
十一世紀的數學.想要了解Calabi Yau 流形的相關性質的人 一定不想錯過這本書. —-

——————————–困難度 難 趣味性 ***** 投資報酬率 ***** 17 機
關槍 (可以搶銀行)
Pandharipande, Sheldon Katz, Hori… 一群人合寫的 Mirror Symmetry . 除了
Mirror conjecture 在五次三微流形(quintic three fold )的證明外, 還包括了
Gopakuma Vafa 猜想, Homological Mirror Symmetry 猜想, 甚至Mirror Symmetry 的
源頭: 高能物理中的弦論和 保角場論, 全都由專家執筆.. 從難到易..筆者也在修練
中. —————– 困難度 極難(物理部分) 趣味性 ***** 投資報酬率 ***** 18
原子彈(請在沒有人類的地方閱讀) Griffith 的 Topics in Trascendental Geometry
是霍奇結構(Hodge structure) 的一本經典書. 在1985年左右有一大票數學家想解決霍
奇 猜想 (沒錯 就是那個一百萬問題).她們雖然沒有解出來 但對猜想有很深入的了
解 . 本書是她們工作的簡述. 內容包括霍奇結構的變形,霍奇叢,Monodromy,混霍奇結
構,Torelli定理, 霍奇結構的退化,是一本難讀卻很值得讀的書. 如果想要解決霍奇猜想
或者是其相關問題,就得閱讀此書. 鏡對稱的一辦理論其實就是卡拉比-丘 流形的霍奇變
形所製造的不變量. 難度 極難 趣味性 ********************** 投資報酬率
*************************
==========================================================================
另外還有幾本書沒有介紹..例如有關Hodge 理論有 Claire Voisin 的 Hodge Theory
and Complex Algebraic Geometry 兩冊書, 是很新的Hodge 理論和 cycle 理論的書,寫
的很詳細.又比如 Shrinivas 的 Algebraic K theory, 論述了 Quillen 連結 K
theory 和 Chow group 的工作. 這兩樣都是以後很有發展的方向. 一個剛解決的方向是
Mori 的三維代數流形的 Minimal Model Programm , 有非常多的專書..但因為這個問題
剛剛被 蕭蔭堂 以及 其他四個外國人 解決 (所有維度) 其投資報酬率已經是負的了.
也就是說大家可以不用去管它 因為沒有問題可以做了.
其實有很多書筆者並沒有介紹,很大的原因是也沒有讀過所以無從介紹. 比如說
KaiBehrend 最近寫了 Gromov Witten 專書, Tian Gang 寫了Calabi 猜想相關的書.
Dominic Joyce 也寫了關於”special holonomy” 的書. Daniel Huybrecht寫了一本關於
曲面上層的 Derived category的性質的書. 另外筆者認為, 所謂的 Homotopical
algebra(Andrew 和 Quillen 在 60 年代的專著書), Noncommutative Geometry
(Allaine Cone 的工作也有專著), Flow 理論 和 Minimal Surface (比如 Halmilton
的 Ricci flow, 或是 Kaheler flow), 一種叫做 Microlocal analysis (Kashiwara 有
專著) 的理論, 無限維李代數的表示理論(Kacs Moody algebra), 數論相關的 Motivic
理論, Yang Mills 和 Chern Simon 方程的理論, 都將對一百年內的袋鼠幾何發生影
響. 其中任何一個方向要學好都是非常花時間的事情,經通兩項就已經難如登天了,希望
各位袋鼠可以找到最喜歡的方向.

十大幾何拓墣家

(本是在咖啡屋;經 bird 兄糾正後換在本版)
編查標準: 幾何>拓墣 數論大家省略..
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1.黎曼
2.Poincare (彭加勒)
3.Hodge
4 Grothendick
5 Serre
6 Daniel Quillen
7 Donaldson
8 Shin Tung Yau
9 Edward Witten
10 Maxim. Kontsevich
====================================================================

在列這些人的時候 很大程度上是考慮其對後人的影響 一大程度上取決於他們是否提出非常重要的問題 另一個程度是他們是否把自己的問題做的一乾二淨 如果那樣是非常不好的因為數學的活力在於還沒有解決的問題 比如說

1 Riemann 的黎曼幾何和黎曼曲面論是20世紀數學的研究中心 下個世紀也不會例外 Gauss 可以算他的論文的引出者 當然也不能忽視 不過主要的提出者還是黎曼

2 Poincare 的 Poincare 猜想 雖被解決但是後續的問題非常的多 主要是三維流形所有不變量的整合, 曲率流技術在其他幾何問題的威力, 加上對奇異點的研究

3 Hodge 的 Hodge 猜想 和 調和形式的相關問題 這個Hodge 猜想可以算是 Poincare 猜想解決後最重要的幾何問題 其正確和錯誤都會影響整個幾何和拓墣學界的發展. 經由 Tate 猜想也深入的影響數論的發展..

4 Grothendick 提出的 Stack 一直到最近才開始有小小研究 以及他的 Motivic 理論結合 加洛瓦表現(數論)和簇(variety)的上同調(幾何) 甚至加上 同倫 (homotopy)(拓墣). 是近代數論學家慢慢開始關心的主題… p-adic Hodge 理論也要仰賴他的工作 (當然 Deligne 尤其是 Faltings 才是這個方向的領頭)

5 Serre 雖然他的數論猜想已經被解決(今年) 但比如說高維球所有同倫群的計算問題還沒解決 拓墣中到處見到的”homotopy fibration”是他的工作… 他提的 Spectral Sequence 也是代數技巧的顛峰之作(我想把 Serre 換成 Tate 或是 Thom 也可以接受 不過似乎把他換成 Atiyah 比較合適)

6 Quillen: 上述的 同倫代數 高階K理論 Category 的手法 和 Cobordism 理論 都是後續研究無限延長的例子 他的構造不同理論的聯結是上個世紀的數學之謎 下個世紀如果能稍微看清楚Quillen的工作 都會是震動數學界的結果 要說 Quillen 是當代最強的代數學家 我第一個點頭

7 Donaldson 提出的四維拓墣的微分結構不變量 和此不變量取得的方式 完全罩住了1985年到現在的幾何和拓墣 這個世紀是規範理論的世紀(Atiyah 這麼認為) 也是數學物理的世紀 Donaldson 是第一個用物理研究數學取得成功的範例 無數的幾何和拓墣學家將要走上這條路 我也想辦法混進去

8 Shin Tung Yau 的工作就不用說了 正質量對相對論的影響和 Calabi 猜想對 宇宙除去相對論部分 的量子部分的分布空間的研究 講狂一點他研究的領域把宇宙的兩個部份給走了一便 (弦論學家預測宇宙是一個 Calabi Yau 流形 fibration over Einstein 的 四維非黎曼度量宇宙(也就是廣義相對論的用的度量) Yau 解決了兩個部份中根本的數學問題). 丘成桐同時是 上個世紀微分幾何的領頭人 他的學生遍部美亞 他提的問題 我就不一一列舉了 詳見 Arxiv 的 “Prospectives in Geometric Analysis”, 是下個世紀 用幾何研究數學物理的數學家們聚集的研究對象..

9 Edward Witten
這個傢伙來頭更大 雖然算是物理學家 但是他對數學界的衝擊令數學家們汗顏 Gromov Witten 理論 Seiberg Witten 理論, 曲線模空間的 Witten 猜想 拓墣場論…無數的猜想和理論從他手上生出來 如果實驗證實世界是弦論預測的那個宇宙 這個 Witten 的數學可能要變成所有數學家和理論物理學家的研究領域 (數論學家可能可以例外一陣子)

10 Maxim Kontsevich
他的主要工作是 用 Gromov Witten 理論來解釋物理的閉弦的交互作用 和其對 辛幾何的量子變形理論的研究 所謂的 “Virtual Cycle” 的理論由他預測 是另一個連起幾何和拓墣的方法 我的一個研究方向就是這個 希望藉由 Quillen 和 Donaldson 的工作的想法來構造出 Kontsevich 預言的 virtual cycle 那樣的話 連絡的模空間就可以代數化 數學家就可以反過來推動物理學家.
——————————————————————————-

我曾經是代數結構的迷 但是我發現幾何和拓墣的結構更比代數結構古怪 代數結構的操作很多時候顯得制式化……………………上面的人選也許不是最適合代數學者或是分析學者 甚至數論學者 但是數論中 做完一個大問題的人很少問出更有意義的問題 比如 Faltings 或者是 Deligne 甚至 Andrew Weil, 我承認他們是很強的數學家 但是他們解決完世界級難題後就沒有好的深刻的問題的提出(Deligne還有一點).這不符合我對數學的看法 一個問題被解決了 那麼那個問題的價值就消失了 重要的是更多的被提出的問題以及彼此學科中的關係和連結… 數論的美當然並不建立在我所說的這個標準之上. 但是我也因此沒列入數論中的大數學家. 希望做代數或數論的朋友們不要生氣…

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路人提問:

Quillen能及Weil, Deligne?
———————————————————————–
Weil 除了提出Weil 猜想沒有做什麼重要的東西. Deligne 很大程度的工作是在推廣 而且是單純的推廣 比如說 etale 理論. 他最重要的工作我看來是 Weil 猜想 和 Mixed Hodge 結構的構造. Quillen 的定理似乎沒有 Deligne 有名氣 但是同倫代數 高階K理論 和 Cobordism 理論的深度比起 Deligne 的工作高的多 下個世紀 Quillen 的工作會被重新發掘出來成為數學的新方向 相較之下 Deligne 的工作除了少數本質的內容外,噱頭就比較多.
———————————————————————–
Hodge能及Weyl?
———————————————————————–
您是做表示理論的 我想看的起Weyl 是正確的 但表示理論的問題除組合和代數技巧性難關外通常沒有難度 相對比較 Hodge 做的 Harmonic decomposition of cohomology 是一個數學的斷層 從這裡之後人們發現幾何和代數的深刻連結 更發現這種連結的內在遠遠比其他數學難以了解 . Hodge 本人提的 Hodge 猜想 以及後來拓墣學家用這個鏈結 幾何-拓墣的算子做出 Atiyah Singer 定理 在我來看 Hodge 的貢獻遠遠多過 Weyl. 大部分的數學家回到那個時代 都會做的出 Weyl 的工作 但是一定做不出 Hodge 的工作
———————————————————————–
Donaldson能及Gauss?
———————————————————————–
從廣度上來看 也許Donaldson 不如 Gauss 但是Donaldson 做的東西的深度比Gauss做的所有東西的深度多了十倍還不止 當然您可以說後人總是比前人做的深 問題是Donaldson 的東西是在下100年內才有可能看清楚的那麼的巨大: 規範理論 慢慢成為幾何和拓墣的主流 Donaldson 的理論刺激了 Gromov Witten 理論的建立 Seiber Witten 理論的建立 後來的 鏡對稱和弦論與此關係非常的大. 說 Donaldson 是 上個世紀最偉大的數學家 沒有多少人有意見的 另外在帶學生這件事情上 Donaldson 的學生不算太多 但是每一個的貢獻都是很傑出的 比如 Richar Thomas, Paul Seidal 是其中最出名的兩個. Gauss 的學生只有黎曼一個人說得過去 而且似乎也不算高斯帶出來的..
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Quillen能及Weil, Deligne?
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Weil 除了提出Weil 猜想沒有做什麼重要的東西. Deligne 很大程度的工作是在推廣 而且是單純的推廣 比如說 etale 理論. 他最重要的工作我看來是 Weil 猜想 和 Mixed Hodge 結構的構造. Quillen 的定理似乎沒有 Deligne 有名氣 但是同倫代數 高階K理論 和 Cobordism 理論的深度比起 Deligne 的工作高的多 下個世紀 Quillen 的工作會被重新發掘出來成為數學的新方向 相較之下 Deligne 的工作除了少數本質的內容外,噱頭就比較多.
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Hodge能及Weyl?
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您是做表示理論的 我想看的起Weyl 是正確的 但在我看來 表示理論的問題除組合和代數特色外通常沒有難度 不過 Hodge 做的 Harmonic decomposition of cohomology 是一個數學的斷層 從這裡之後人們發現幾何和代數的深刻連結 更發現這種連結的內在遠遠比其他數學難以了解 . Hodge 本人提的 Hodge 猜想 以及後來拓墣學家用這個鏈結 幾何-拓墣的算子做出 Atiyah Singer 定理 在我來看 Hodge 的貢獻遠遠多過 Weyl. 如果我是當年的數學家 我做的出 Weyl 的工作 但是一定做不出 Hodge 的工作
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Donaldson能及Gauss?
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從廣度上來看 也許Donaldson 不如 Gauss 但是Donaldson 做的東西的深度比Gauss做的所有東西的深度多了十倍還不止 當然您可以說後人總是比前人做的深 問題是Donaldson 的東西是在下100年內才有可能看清楚的那麼的巨大: 規範理論 慢慢成為幾何和拓墣的主流 Donaldson 的理論刺激了 Gromov Witten 理論的建立 Seiber Witten 理論的建立 後來的 鏡對稱和弦論與此關係非常的大. 說 Donaldson 是 上個世紀最偉大的數學家 沒有多少人有意見的 另外在帶學生這件事情上 Donaldson 的學生不算太多 但是每一個的貢獻都是很傑出的 比如 Richar Thomas, Paul Seidal 是其中最出名的兩個. Gauss 的學生只有黎曼一個人說得過去 而且似乎也不算高斯帶出來的..
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楼主的十大,如果仅看1950年以后,还是很中肯的,但是不能把先人和现在的人想提评论的说,这个比较本就不在同一层次上.
其实Chevalley也是非常非常好的数学家,我觉得他至少不比Serre差很多.
也许Yau跟楼主有千丝万缕的联系,但是Yau确实难以跻身前10,甚至如果宽泛一些的说,前30
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您說的沒錯 但是我個人認為 1950 年以後的數學家當然比 1950 年以前的強很多 Riemann Gauss Poincare Hilbert 是僅有的四個例外 但也不見得他們的層次就高到哪裡去
Chevalley 對純代數的貢獻比較多 但是對幾何 拓墣 都沒有 SERRE 大
Yau 和我的關係不大 也就是老闆的老闆 數學上也沒有聯繫 Yau 擠身前十是我個人的觀點
姑且不論 相對論或正質量定理 Yau 找出來的 Kaehler Einstein 度量在 過去 20 年內人們完全沒有更深刻的認識 其重要性在幾何裡面是非常巨大的 類似的度量在下個世紀會是幾何研究的核心.

我在列這些人的時候 很大程度上是考慮其對後人的影響 一大程度上取決於他們是否提出非常重要的問題 另一個程度是他們是否把自己的問題做的一乾二淨 如果那樣是非常不好的因為數學的活力在於還沒有解決的問題 比如說

1 Riemann 的黎曼幾何和黎曼曲面論是20世紀數學的研究中心 下個世紀也不會例外 Gauss 可以算他的論文的引出者 當然也不能忽視 不過主要的提出者還是黎曼

2 Poincare 的 Poincare 猜想 雖被解決但是後續的問題非常的多 主要是三維流形所有不變量的整合, 曲率流技術在其他幾何問題的威力, 加上對奇異點的研究

3 Hodge 的 Hodge 猜想 和 調和形式的相關問題 這個Hodge 猜想可以算是 Poincare 猜想解決後最重要的幾何問題 其正確和錯誤都會影響整個幾何和拓墣學界的發展. 經由 Tate 猜想也深入的影響數論的發展..

4 Grothendick 提出的 Stack 一直到最近才開始有小小研究 以及他的 Motivic 理論結合 加洛瓦表現(數論)和簇(variety)的上同調(幾何) 甚至加上 同倫 (homotopy)(拓墣). 是近代數論學家慢慢開始關心的主題… p-adic Hodge 理論也要仰賴他的工作 (當然 Deligne 尤其是 Faltings 才是這個方向的領頭)

5 Serre 雖然他的數論猜想已經被解決(今年) 但比如說高維球所有同倫群的計算問題還沒解決 拓墣中到處見到的”homotopy fibration”是他的工作… 他提的 Spectral Sequence 也是代數技巧的顛峰之作(我想把 Serre 換成 Tate 或是 Thom 也可以接受 不過似乎把他換成 Atiyah 比較合適)

6 Quillen: 上述的 同倫代數 高階K理論 Category 的手法 和 Cobordism 理論 都是後續研究無限延長的例子 他的構造不同理論的聯結是上個世紀的數學之謎 下個世紀如果能稍微看清楚Quillen的工作 都會是震動數學界的結果 要說 Quillen 是當代最強的代數學家 我第一個點頭

7 Donaldson 提出的四維拓墣的微分結構不變量 和此不變量取得的方式 完全罩住了1985年到現在的幾何和拓墣 這個世紀是規範理論的世紀(Atiyah 這麼認為) 也是數學物理的世紀 Donaldson 是第一個用物理研究數學取得成功的範例 無數的幾何和拓墣學家將要走上這條路 我也想辦法混進去

8 Shin Tung Yau 的工作就不用說了 正質量對相對論的影響和 Calabi 猜想對 宇宙除去相對論部分 的量子部分的分布空間的研究 講狂一點他研究的領域把宇宙的兩個部份給走了一便 (弦論學家預測宇宙是一個 Calabi Yau 流形 fibration over Einstein 的 四維非黎曼度量宇宙(也就是廣義相對論的用的度量) Yau 解決了兩個部份中根本的數學問題). 丘成桐同時是 上個世紀微分幾何的領頭人 他的學生遍部美亞 他提的問題 我就不一一列舉了 詳見 Arxiv 的 “Prospectives in Geometric Analysis”, 是下個世紀 用幾何研究數學物理的數學家們聚集的研究對象..

9 Edward Witten
這個傢伙來頭更大 我就不敢在這邊說了 雖然算是物理學家 但是他對數學界的衝擊令數學家們汗顏 Gromov Witten 理論 Seiberg Witten 理論, 曲線模空間的 Witten 猜想 拓墣場論…無數的猜想和理論從他手上生出來 如果實驗證實世界是弦論預測的那個宇宙 這個 Witten 的數學可能要變成所有數學家和理論物理學家的研究領域 (數論學家可能可以例外一陣子)

10 Maxim Kontsevich
他的主要工作是 用 Gromov Witten 理論來解釋物理的閉弦的交互作用 和其對 辛幾何的量子變形理論的研究 所謂的 “Virtual Cycle” 的理論由他預測 是另一個連起幾何和拓墣的方法 我的一個研究方向就是這個 希望藉由 Quillen 和 Donaldson 的工作的想法來構造出 Kontsevich 預言的 virtual cycle 那樣的話 連絡的模空間就可以代數化 數學家就可以反過來推動物理學家.
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我曾經是代數結構的迷 但是我發現幾何和拓墣的結構更比代數結構古怪 代數結構的操作太過制式化 不算是由心而發的數學……………………上面的人選也許不是最適合代數學者或是分析學者 甚至數論學者 但是數論中 做完一個大問題的人很少問出更有意義的問題 比如 Faltings 或者是 Deligne 甚至 Andrew Weil, 我承認他們是很強的數學家 但是他們解決完世界級難題後就沒有好的深刻的問題的提出(Deligne還有一點).這不符合我對數學的看法 一個問題被解決了 那麼那個問題的價值就消失了 重要的是更多的被提出的問題以及彼此學科中的關係和連結… 數論的美當然並不建立在我所說的這個標準之上. 但是我也因此沒列入數論中的大數學家. 希望做代數或數論的朋友們不要生氣…

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漫谈物理学的过去、现在与未来

Posted by 宝水 on 一月 10, 2008

作者:冯 端    文章来源:作者惠赐 

摘 要 文章试图对物理学的发展历史作一透视,从 而理解其现状,并 进而窥测其未来的前景。我们希望这一看法对于当今从事物理学教学与科研的人士有所助益。由于物理世界的层次化,诸层次之间既可能存在耦合,又可能出现脱耦。因而大量粒子所构成的复杂体系中所涌现的各种层展性质就不能简单地还原成个别粒子所服从的规律。我们根据这一观点并结合物理学的未来前景,讨论了当今物理学研究的若干前沿问题。一切迹象预示着物理学将有光明的前景。(本文系国家自然科学基金资助项目)

“物理学的过去、现在和未来”是一个非常大而且重要的题目,也是一个非常难讲的题目,特别是涉及物理学的未来,结果往往是贻笑大方。这里以历史的透视为主线,提出一些个人不成熟的看法,抛砖引玉,希望得到大家的批评和指正。

1 历史的透视

对物理学的发展历史进行透视,将有助于我们来理解其现状并进而展望其未来。历史很长,不能样样都讲到。我想从牛顿开始,牛顿以前还有很多先驱性的工作,只好从略了。我们不想详细讨论历史,主要考虑那些还在用的物理学知识。

1.1 经典物理学的盛世(17世纪至19世纪末)

第一次综合(统一)是l7世纪牛顿力学构成了体系。可以说,这是物理学第一次伟大的综合。牛顿力学实际上是将天上的行星运动与地上的苹果下坠概括到一个规律里面去了,建立了经典力学。至于苹果下坠启发了牛顿的故事究竟有无历史根据是另一回事,但它说明了人们对于形象思维的偏爱。牛顿实际上建立了两个定律,一个是运动定律,一个是万有引力定律。运动定律就是在力作用下物体怎样运动的规律;万有引力是一种特定的物体之间存在的基本相互作用力。牛顿将两个定律结合起来运用,因为行星的运动或者地球上的抛物体运动都离不开万有引力的影响。牛顿从物理上把这两个重要的力学规律总结出来的同时,也发展了数学。他也是微积分的发明人。他用微积分来解决力学问题。由运动定律得出来的运动方程,可以用数学方法把它具体解出来。这体现了牛顿力学的威力,它具有解决具体问题的能力。假如你要计算行星运动的轨道,基本上可以按照牛顿所给出来的物理规律,加上用数学方法解运动方程就行了。根据现在的轨道上行星位置,倒推千百年前或预计千百年后它们的位置都是轻而易举的,从而开拓了天体力学这一学科。海王星的发现史就充分显示了这一点。人们发现天王星的轨道偏离了牛顿定律的要求,问题在哪里呢?结果认为牛顿定律正确无误,而是在天王星轨道外面还有一颗星,对它造成影响,并估计出这个星球的位置。果然在预计的位置附近发现了这颗星,命名为海王星。这表示牛顿定律是很成功的。按照牛顿定律写出运动方程,若己知初始条件位置和速度,原则上就可以求出以后任何时刻的粒子位置。

到19世纪,经典力学新的发展表现为一些科学家重新表述了牛顿定律。重新表述有拉格朗日(Lagrange)方程组、哈密顿(Hamilton)方程组。这些重新表述形式不一,实质并没有改变。在不改变实质的条件下,用新的、更简洁的形式来表述牛顿定律。这是一个方面。

另一个方面,就是将牛顿定律推广到连续介质的力学问题中去,就出现了弹性力学、流体力学等。在这一方面,20世纪有更大的发展,特别是流体力学,空气动力学和航空技术的发展密切相关,而气动力学的发展又和喷气技术密切相关,进而牛顿力学还构成了航天技术的理论基础。因此我们说牛顿定律到现在为止还是非常重要的,牛顿定律还是我们大学课程中不可缺少的一个组成部分。当然,其表述方法应随时代发展而有所不同。读者如果有兴趣,不妨去翻一翻牛顿当年的表述。牛顿关于力学研究的成果,写在一本叫《自然哲学的数学原理》(简称《原理》)的巨著中。只要稍微翻一下这本书,就会发现它非常难懂。牛顿的一个重要贡献是从万有引力定律和运动定律把行星运动的轨道推了出来。我们现在学理论力学时,行星运动的椭圆轨道问题是不太难的,解微分方程就可以求出来。但牛顿在《原理》里,没有用他的微积分,更没有用解微分方程的方法,他纯粹是用几何方法把椭圆轨道推出来的。现代科学家就不一定能看懂他这一套东西。举个例子来说,费曼(R.Feyman),有名的理论物理学家,他写过一本书,他说他自己对现代数学比牛顿强得多,但对17世纪牛顿当时熟悉的几何学他就不一定能全部掌握,他花了好些时间,想用牛顿的思路把椭圆轨道全部证出来,结果,中间还是有些环节证不出来,最后他不得已调整了一下方法,没有完全依照牛顿的证法,但基本上还是用几何方法把这个问题证明出来了。科学理论的表达是随时代变化的。现在来看,牛顿运动定律的关键问题,譬如行星运动是椭圆轨道,现在应有可能在普通物理中讲了,因为简单的微分方程已经可以用计算机求解了。由于计算机的发展,也许今后在普通物理中讲牛顿定律时,就可以在课堂上把行星运动椭圆轨道的一些基本概念说清楚了。在这里也可以说,教学问题与现代科技发展是息息相关的。

第二次综合是麦克斯韦的电磁学。大家都知道,最初是库仑定律,用以表达电荷与电荷间的相互作用力,也表达磁极与磁极之间的相互作用力。然后电与磁之间的关联被发现了:奥斯特的电流磁效应,安培发现的电流与电流之间相互作用的规律,然后是法拉弟的电磁感应定律,这样电与磁就连通成为一体了。最后,19世纪中叶,麦克斯韦提出了统一的电磁场理论。电磁定律与力学规律有一个很大的不同。力学考虑的相互作用,特别是万有引力相互作用,根据牛顿的设想,是超距的相互作用,没有力的传递问题(当然用现代观点看,引力也应该有传递问题)。现在从粒子的超距作用改成电磁场的场的相互作用,这在观点上有很大变化,重点从粒子转移到场。麦克斯韦考虑电磁场的相互作用,导致电磁波,电场与磁场不断相互作用造成电磁波的传播,后来赫芝在实验室中证实电磁波的发射。另外,电磁波不但包括无线电波,实际上包括很宽的频谱,很重要的一部分就是光波。光学在过去是与电磁学完全分开发展的,到了麦克斯韦的电磁理论出来以后,光学也变成了电磁学的一个分支了,在这里,电学、磁学、光学得到了统一。这在技术上有重要意义,发电机、电动机几乎都是建立在电磁感应的基础上的,电磁波的传播导致现代的无线电技术。电磁学直到现在,在技术上还是起主导作用的一门学科,故在基础物理学中电磁学始终保持它的重要地位。

第三次综合是从热学开始的,涉及到宏观与微观两个层次。根据热学研究总结出热力学的两大基本规律:第一定律,即能量守恒律;第二定律,即熵恒增律。但科学家不满足于单纯在宏观层次上来描述,还想追根问底,企图从分子和原子的微观层次上来阐明物理规律。气体分子动理学便应运而生,用以阐述气体物态方程、气体导热性与粘滞性等物性参量的微观基础。进一步就是玻尔兹曼与吉布斯所发展的经典统计力学。热力学与统计物理的发展,促使物理学家接触到具体的物性问题,加强了物理学与化学的联系,建立了物理化学这一门交叉学科。

1.2 转折与突破(19世纪至20世纪初)

正是由于经典物理学取得了非凡的成就,给人们印象太深刻了,遂使有些科学家产生了错觉,认为巨大发现的时代业已过去。这种悲观的论点在上世纪末相当流行。具有典型意义的据称是著名物理学家迈克耳孙(A.A.Michelson)说过的一段话,“当然无法绝然肯定物理科学不再会有像过去那么惊人的奇迹,但非常可能的是大部分宏伟的基本原理业已确立,而今后的进展仅在于将这些原理严格地应用于我们所关注的现象上。在这里测量科学的重要性就显示出来了——定量的结果比定性的结果更为可贵。一位卓越的物理学家曾经说过,物理科学未来的真理将在小数点六位数字上求索”,(1898年芝加哥大学导学手册)。值得注意,这类悲观论点,在20世纪科学的重大发展之后,又在本世纪末重新问世。具有代表性的是美国资深科学记者霍根(J.Horgan)访问许多知名学者之后,写出了《科学的终结》一书,在断章取义地引述若干科学家的谈话之后,得出了荒谬的结论,不仅是物理学走向了穷途末路,而是一切自然科学都到了散场的地步,堪称为上一世纪末悲观论点变本加厉的新版本,其命运必将重蹈前者的覆辙。

富有洞见的是英国著名物理学家凯尔文(L.Kelvin)于1900年所作的演说。他在对19世纪物理学的成就表示满意的同时,提出了“在物理学晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的乌云”。这两朵乌云指的是:其一实验察觉不到物体和以太的相对运动;其二是气体多原子分子的低温比热不符合能量均分定理。这两朵乌云迅速导致倾盆大雨,即相对论和量子论的两场物理学的革命。

19世纪的科学家不满足于用麦克斯韦方程组来解释电磁现象,热衷于采用机械模型来说明问题,即使是大师麦克斯韦本人也不例外。以太被引入作为真空中传播电磁波的媒质。迈克耳孙与莫莱(Morley)设计了精巧的实验来验证物体和以太的相对运动,取得了负的结果。爱因斯坦提出了狭义相对论(1905年),其 物理洞见在于摒弃了不必要的以太假设,进而肯定电磁学的规律对于一切惯性参考系都是成立的,而且具有相同的形式,真空的光速不变,不同惯性系之间的变换关系为洛伦兹变换。我们知道,牛顿力学也是对于惯性参考系才成立,而不同惯性系之间的变换关系为伽利略变换。这样经典力学和经典电磁学之间就存在矛盾。爱因斯坦肯定了经典电磁学,而对经典力学作了相应的修正,摒弃了牛顿的绝对的时空观,认为空间、时间与运动有关,并首创性地提出了质量与能量的对等关系,将牛顿力学修正后成功地应用于高速运动的情形。

牛顿力学的另一局限性表现在它不能圆满地解释强引力场中物体的运动,这从它无法定量地解释水星轨道近日点的进动问题而初露端倪。另一带根本性的问题是它对万有引力的存在没有任何理论解释。这些缺陷尚有待发展进一步的理论来弥补。l916年,爱因斯坦的广义相对论应运而生。这一理论的出发点在于肯定惯性质量与引力质量等同的等效原理(这己为实验所证实),将非惯性参考系中观测到的惯性力与局域的引力等同起来。进而提出一切参考系均有相同的物理规律这一广义相对性原理。广义相对论成功地预言了一些效应,如强引力场中光线的弯曲,引力强度与光谱线频移的关系,并用空间的弯曲很自然地解释了引力的存在。由于广义相对论是针对强引力场和大质量物体而提出来的,因而广泛应用于天体物理学,也构成了现代宇宙论的基础。

如果说相对论消除了经典物理学的内在矛盾并推广其应用范围,那 么量子论就开启了微观物理学的新天地。在l9世纪,化学家道尔顿提出了原子论,物理学家也提出原子-分子微观运动的概念来构筑分子动理学和统计物理学。特别是著名物理学家玻尔兹曼在发展原子-分子运动理论,推动统计物理学的发展上作出了杰出的贡献。但是这些工作受到马赫(E.Mach)与奥斯特瓦尔德(W.F. Ostoold)等人从实证论哲学观点的质疑。按照实证论的观点,只有为人们所感知的事物是存在的。而当时由于显微术观测条件的制约,原子与分子都无法直接看到,因而有关的理论受到实证论者的否定。玻尔兹曼为捍卫原子-分子理论进行了激烈的争辩。爱因斯坦于1905年提出布朗运动的理论,为分子运动的图像提供了有力的旁证。随后,佩兰(J.B.Perrin)的实验观测提供了更加确凿的证据。

在明确了宏观世界之外存在有微观世界后,进一步的问题在于探索微观世界的物理规律。上世纪90年代中叶后,有一系列重要发现,对这方面的研究起了很大促进作用:1895年,伦琴发现了X射线,随后X射线成为揭示物质的微观结构的重要工具;1896年贝克勒尔发现了放射性,随后居里夫妇发现了强放射性元素镭,卢瑟福确认了a,β,γ射线的本质,这些工作揭开了原子核科学研究的序幕。l897年,汤姆孙发现了电子,这是最早发现的一种基本粒子,随后也被作为重要的工具应用于研究物质的微观结构 操纵电子的器件成为现代信息技术的基础。作出这些重大发现的科学家也都获得了新世纪初诺贝尔奖的桂冠。

如果说证实原子与分子的存在就意味着揭示物质结构在微小尺度上具有不连续性,那么早期量子论则揭示了能量在微小尺度上的不连续性。1900年,普朗克为拟合黑体能量分布的实验数据,在经典物理学的理论无效之后,挺而走险,提出了包括作用量子h的量子论。随后,1905年,爱因斯坦根据光电效应存在能量阈值的规律提出了在物理上更明确的具有能量为hv的光子这一种基本粒子。1911年,卢瑟福根据金箔对于a粒子的散射实验结果,提出了有核的原子模型:正电荷集中在原子核这一微小区域之内,而外围则为电子所环绕。1913年,玻尔提出了量子论的原子模型,认为原子中的电子处于确定的轨道上,处于定态,在定态之间的量子跃迁则导致发光。玻尔用这种半经典的量子理论相当满意地解释了氢原子的线系光谱,面对着更复杂的原子光谱问题就遇到了困难。科学家需要改弦易辙,发展更全面的量子理论。1924年,德布罗意正确地指出,正如电磁波也具有粒子性质(光子),而具有粒子性质的电子等也将具有波动性。1925-1926年,海森伯与薛定谔分别完成了量子力学的两种表述,矩阵力学与波动力学,强调了波动与粒子的二象性。电子衍射的实验结果证实了电子具有波动性,而量子力学的理论全面地解读了纷纭繁复的原子光谱实验结果,一举解决了原子结构的问题。随后狄拉克将非相对论的薛定谔方程推广到(狭义)相对论的情形,建立了狄拉克方程,为量子力学作了重要的补充。这样,微观世界的物理规律终于确立。

2 当代情景

在量子力学确立之后,物理学进入了新的时期,这里统称为当代物理学。由于当代情景错综复杂,头绪繁多,难以用甚短的篇幅来进行概括。下面就以实验和理论这两条主线,对此作一粗略的介绍。

2.1 实验技术

20世纪是实验技术突飞猛进的时期。早期卢瑟福的a粒子散射实验为随后的核物理与粒子物理的研究树立了样版。但技术上的改进是多方面的。轰击的粒子束有质子、中子、电子和各种离子等。30年代初,中子被发现后,由于其散射截面大,容易引起核反应,受到学术界的重视。费米及其合作者系统地用中子来轰击周期表中不同元素,发现了一系列的核反应和新的放射性元素。1938年,哈恩(0.Hahn)与迈特纳(L.Meitner)终于发现和确认铀的裂变。随后原子核裂变的链式反应得的实现,导致了裂变反应堆的问世。它为实验技术提供了新的手段,又为裂变能的军事与和平利用鸣锣开道。随后,轻元素的聚变提供了另一种核能源。聚变能的爆炸式的军事应用于50年代初即已实现,但可控的和平利用却经历了漫长的发展过程。两种方法,磁约束与惯性约束,虽则取得不少科学成果,但作为能源,尚处于得失相抵(breakeven)的前夕,要点火尚需继续努力。

到30年代科学家开始认识到天然放射性元素发射的粒子能量太低,束流也不够强,不能适应实验物理学的要求。在这种情况下,加速器技术就应运而生。早期有高压倍加器和静电加速器,主流是劳伦斯开创的回旋加速器及其变型。以后加速器的能量愈做愈高,技术愈来愈精。能量已从早期的MeV量级升高到如今的TeV量级。一代代的加速器为核物理和粒子物理的研究立下了汗马功劳,发现了几百种粒子。与之并行发展的还有粒子检测技术,从早期的盖革计数器、云雾室,到照相乳胶、气泡室、火花室和闪烁晶体列阵等。虽然技术的进展十分引人注目,但许多物理实验的基本思路,例如通过质子对高能电子的深度非弹性散射来论证质子具有夸克结构,仍然和卢瑟福的原型实验十分相似。值得注意,加速器与反应堆也被用于非核物理学以至于其他科学的研究,同步辐射和高通量中子源就是例证。

另一高速发展的物理科学领域是天体物理学。光学望远镜愈做愈大;射电望远镜是在第二次世界大战中由雷达技术推动而发展起来的,也朝向巨型发展;而依据射电望远镜发展起来的综合孔径技术也反馈到光学望远镜的技术中去了。新波段,如红外、X射线和γ射线的望远技术得到了发展,还有新的检测技术如CCD列阵。为了超越大气层的吸收和干扰,还将望远镜放到太空中去,如哈勃、爱因斯坦、康普顿望远镜等。可以说当代也是天体物理学的黄金时代。大量天体谱线红移的数据为宇宙膨胀提供证据,3K微波背景、脉冲星、类星体及γ射线爆等重大发现,为理论天体物理和宇宙论提供了大量数据,使星体和宇宙成为检验物理理论的庞大实验室。

现代高能物理学(包括部分核物理)及天体物理学已经成为大科学主宰的领域。其特征在于设备庞大,人员众多,经费数额巨大,计划实施时间漫长。

到30年代,光谱学研究已有盛况不再之感。但第二次世界大战中雷达技术的发展又为微波波谱及磁共振的研究提供机遇。50年代初,首先在微波频段实现了受激发射,随后转移到光学频段,导致激光器的问世。激光技术引起了光学和光谱学的一场革命,导致量子光学的诞生,影响十分深远。应该指出,早在1917年,爱因斯坦就提出了受激发射的理论,而实验室中的实现却延迟到40年之后。激光技术引入物理实验室,为小型精巧的实验研究提供了机会。

X射线和由之衍生的电子衍射与中子衍射,导致了晶体结构分析的发展。它为凝聚态物理和材料科学奠定基础,而且大大地促进了化学、生物学和矿物学的研究。出自这一领域的科学家获得了诺贝尔奖多达十几次。电子显微术超越了光学显微术的分辨极限,并实现了原子尺度的成像。80年代以后,扫描隧道显微术发展成为花样繁多的显微探针技术,不仅实现了原子尺度的成像,还实现了多种原子尺度的测量和操纵技术,充分显示了小规模精巧创新的实验技术仍然富有生命力。

为了消除热运动对固体中许多现象的干扰,将试样冷却到低温下进行研究成为重要的手段。现代低温技术始于氮的液化(4.2K),进一步采取稀释致冷机可以达到mK的温度,再进行核退磁致冷,可以达到μK的量级。近年来发展起来的激光冷却,再加上蒸发致冷,可以使原子气体达到μK以下的温度。低温物性的研究取得许多重要的成果:金属与合金的超导电性,4He液体的超流动性,3He液体的超流动性,多种非常规的超导性(如有机化合物、重费米子、铜氧化物超导电性,其中最后一种已经超出低温的范围)。1995年起,又在μK温度以下观测到碱金属气体的玻色-爱因斯坦凝聚,随后,相位相干的原子束得到了实验演示,即所谓原子波激射(atomic laser)。

晶体纯度和完整性对物性有重要的影响,促使固体制备技术有了较大的发展:单晶拉制、区熔提纯、控制掺杂等技术成功地应用于半导体的制备。1947年,晶体管的发明也许是20世纪中物理学家所作出的取得最大经济与社会效益的一项成就。70年代后,超高真空技术成为实验室中的常规手段,在超高真空下的结构与能谱测试手段相继问世,开拓了表面物理的新领域。以分子束外延为代表的当代薄膜与异质结制备技术的开发,引起量子纳米结构(量子阱、量子线与量子点等)的热潮,并向磁性材料(巨磁阻效应)和超导电体方面延伸。许多新的物理效应的发现,诸如整数与分数量子霍尔效应、介观量子输运等,显示了凝聚态物理尚大有可为。

2.2 理论与计算
在量子力学建立之后,理论发展就分道扬镳,其中一条道路是深入到更加微小尺度的微观世界中去。首先发展的是原子核结构与动力学理论。虽然核子之间存在强相互作用,但基于平均势场中作有效单粒子运动的壳模型也取得成功。还有强调核的集体行为的液滴模型和复合核模型,也有将单粒子运动和集体运动结合起来的综合模型,核子配对的相互作用玻色子模型等,颇成功地说明原子核的某些性质。

进入更深层次的物质结构就到达了粒子物理学的研究领域。50和60年代,除核子以外,又发现大量的强子(具有强相互作用的粒子),其中多数是不稳定的。1964年,盖尔曼(M.GellMann)等提出了强子的夸克模型,认为强子并非基本粒子,而是由具有分数电荷(1/3或2/3电子电荷)、还具有色荷(红、蓝、绿三种颜色之一)的夸克所构成的。质子的夸克结构已为实验所证实。理论所预言三色六味的各种夸克,一一被实验所揭示,最后一种顶夸克是到1995年才发现的。夸克虽然存在于强子结构中,但独立存在的自由夸克却一直没有观测到。科学家又提出夸克禁闭模型来说明这一事实。

到本世纪中叶,已经明确了自然界只有四种基本相互作用,即引力、电磁力、弱力与强力。其中引力和电磁力是长程的,而弱力与强力是短程的,限于原子核的范围之内。爱因斯坦晚年致力于统一场论,试图将引力和电磁力统一起来,未取得成功。量子力学建立之后,处理量子体系与互作用场的理论(量子场论)得到了发展。首先发展的是,处理电磁相互作用的量子场论,即量子电动力学。在40年代末,利用重正化消除了发散的困难,使量子电动力学的理论预言得到了高精确度的实验证实(有效数字高达十几位)。随后,处理强相互作的量子场论、量子色动力学得到了发展。弱相互作用的理论始于费米的自衰变理论,60年代末,温伯格(S.Weinberg)与萨拉姆(A.Saiam)成功地将电磁相互作用与弱相互作用统一起来。在量子场论中,一些粒子被理解为场的激发态,而另一些粒子则成为传递相互作用的玻色子。

进一步探索各种相互作用的统一理论尚在进行之中。大统一理论企图将统一的范围包括强相互作用,尚有待实验的证实。进而将引力包括在内的超大统一理论的设想也被提出。

三代夸克与轻子的粒子模型,量子色动力学与电-弱统一理论,被统称为粒子物理学的标准模型,在概括和预言实验事实取得了非凡的成功。它预言了62种基本粒子,其中60种已被发现,只剩下希格斯玻色子与引力子尚待发现。

但标准模型仍带有唯象性质,它包含十几个参量,而且对粒子的质量不提供理论解释。如何超越标准模型,并从更根本的微观模型来解释粒子物理,就成为对理论物理学家的重大挑战。在这方面的努力以超弦理论最引人注目。这一理论极其精巧,也推动了相关数学问题的研究。但最终如何评价这一理论尚有待于实践来检验。

当代天文学研究总结出来的大爆炸理论被称为宇宙论的标准模型。按此理论设想,宇宙起源于一百数十亿年前的一次大爆炸:原先是时空奇点(密度和曲率却无限大),各种相互作用统一在一起。到10-44s,发生了引力与其他相互作用分离的对称破缺,到10-36s,发生强力与其他相互作用分离,到10-10s又发生弱力与电磁力的分离,成为如今四种相互作用并存的世界。到10-6s时,开始合成强子,到3min后形成原子核,再逐步形成各种原子及各种星体与星系。大爆炸宇宙论是建立在若干天文学观测的结果上的:哈勃定律所描述的宇宙膨胀,3K宇宙背景辐射的发现,星体一些元素的丰度数据,是一种持之有效的物理学理论,当然还有许多问题尚有待于澄清。值得注意的是,早期的宇宙(3min之前)是粒子物理学的天下。著名物理学家温伯格的有名科普著作《最初三分钟》即以此而命名的。

量子力学建立之后,另一条发展道路在于进入较大尺寸的物质体系。将量子力学应用于分子,建立了量子化学;将量子力学与统计物理学应用于固体,建立了固体物理学,随后发展为凝聚态物理学。涉及了这些问题,就需要明确区分量子力学和经典物理学的各自适用的范围。通常的提法是量子力学适用于微观体系,而经典物理学适用于宏观体系,这显然不够精确,因为也存在宏观量子体系。对于特定粒子构成的系统,可以采用量子简并温度(即粒子的德布罗意波长等于粒子的平均间距对应的温度)来区分。这里h是普朗克常数,m为质量,kB为玻尔兹曼常数,α为平均间距。如果温度远大于T0,则可以放心采取用于经典物理学的理论方法来处理这一体系,否则,就得用量子力学的方法。至于T0的高低则取决于粒子的质量m和体系的平均间距α(或密度)。对于固体和液体,α约为0.3nm,对电子系统而言,T0~105K,从而表明处理电子系统的问题,离不开量子力学。对于原子核或离子而言,T0~(50/A)K,A为原子质量数,对于轻元素(如氮与氢),在低温下要考虑量子力学的效应。因而在通常情况下处理大量原子核(或离子)与电子的混合体系,对于电子这一子系统,必须采用量子力学的理论方法,而对于原子核这一子系统,则不妨采用经典物理学的理论方法。凝聚态物理学和量子化学由于大量采用这种混合的处理方案而取得了成效。但应该指出,这类的电子理论涉及了相互作用粒子的多体问题。基于有效场单电子近似的固体能带理论显然很有成效;引入适度的相互作用而发展起来的费米液体理论、巡游电子铁磁性理论和BCS超导理论也成绩斐然;但是强关联电子体系(包括高温超导体)仍然是一根硬骨头,对理论物理学家提出了强有力的挑战。

如果仅关注原子(或离子)与分子常温下的位形与动力学问题,那么采用经典物理学的方法是无可非议的,正如当代液体物理学和软凝聚态物理学所作的那样。当然,如果涉及键合的细节和电子的跃迁,还是需要量子力学。低温下的量子流体(4He与3He)突出地体现了量子力学效应。在气体中要体现这种效应,由于原子间距,简并温度要压得很低。在进入90年代后,方始观测到这类理论预期的效应,原子束光学和玻色-爱因斯坦凝聚都是例证。特高密度下的物质,如中子星,使简并温度高达1010K,可能使这些星体内部呈现超流性等量子力学效应。

应该指出,当代也是经典物理学复兴的时代。在相变与临界现象领域,研究了具有长程涨落的经典统计体系,呈现了普造性和标度律,发展了重正化群理论。经典动力学系统理论和非线性物理学都取得了长足的进展,像混沌、分形、孤子等概念,在交叉科学中获得了广泛的应用,成为理解复杂性的钥匙,也为解决端流这个长期悬而未决的难题提供了有意义的线索。

电子计算机的突飞猛进,对于当代物理学产生了异乎寻常的影响。量子化学与凝聚态电子理论的从头(abinitio)计算方案变得切实可行,从而促进了计算材料科学这门新的交叉学科的发展。分子动力学、蒙特卡罗方法,乃至于元胞自动机为物理学的各个分支提供了鲜明生动的物理图像和信息。以至于有些科学家认为计算和计算机模拟已成为可与实验和理论并立的科学研究的第三个支柱。

尽管由于物质结构层次化的结果,使得当今的物理学家很难精通、也不必要精通物理学的各个分支。但是物质结构在概念上是有其统一性的。相同的概念会在不同的层次上出现。著名物理学家巴丁(J.Bardeen)的一段话很有启发性:“处在这日益专业化的时代之中,得以认识到基本物理概念可能应用于一大批看起来五花八门的问题,是令人欣慰的。在理解某一领域所获得的进展常常可以应用于其他领域。这不仅对材料科学的众多领域是确实的,对广义而言的物质结构亦复如此。作为阐述的例证,为理解磁性、超流性和超导性所发展的概念也被推广应用于众多的领域,如核物质,弱与电磁相互作用,高能物理学的夸克结构与众多的液晶相”。这值得我们深思。

3 学科的前沿与展望

下面我们来讨论有关学科前沿与展望这方面的问题。
3.1 物质结构层次化的结果

当代物理学的研究表明,物质结构在尺度上和能量上都呈现不同的层次(见图1)。明确了物质结构的不同层次之后,当代物理学的分支学科如何划分的问题,也就迎刃而解了(见图2)。最微小(也是能量最高)的层次是粒子物理学(也称为高能物理学),然后是原子核物理学,再上去就是原子物理学和分子物理学。原子或分子聚集起来构成了不同的聚集相:气相、液相和固相,乃至于固液之间的中介相,如液晶、复杂流体与聚合物等软物质。另一类气相(由宏观中和的正负带电粒子所构成的)就是等离子体,相应的是等离子体物理学。大尺度的固体与流体运动的研究归结为固体力学与流体力学。聚集相的复杂组合构成了岩石、土壤、河流、山脉、湖泊、海洋及大气等,成为地球物理学的研究对象;而细胞、器官、植物、动物及人体构成了生物物理学的研究对象。继续扩大物质研究的空间尺度,就引导到空间物理学和行星物理的领域。进而包括太阳、恒星、星系、星系团,乃至于整个宇宙,都构成了天体物理学和宇宙论的内容。在这里似乎遗漏了一些传统物理学的分支学科,如光学与声学。目前的情况是,它们的部分内容正在朝向偏重技术的工程学科转化,而另一部分则和某些结构层次的物理学相结合。例如光物理学就和原子与分子物理学密不可分,也和凝聚态物理学关系密切;而物理声学则与凝聚态物理学及固体与流体力学密切相关。

从物质结构层次化的图表来看,物理学的主要空白区域突出地显示为图表的底部和顶部。其一是尺度上最最微小但能量最高的世界,对应的学科为粒子物理学(亦称高能物理学);其二是最最宏大的世界,即天体与宇宙,对应的学科为天体物理学与宇宙论。这两者,表面上看来,南辗北辙,结果却殊途同归,有合二为一的趋向,奇妙地体现了大与小辩证的统一。粒子物理学所面临的挑战在于探索更加细微尺度下,也就是更高能区物质结构的规律,希望能够超越现有的标准模型,追求相互作用的进一步统一。而宇宙大爆炸的标准模型则表明早期的宇宙是处于超高能的状态。因而高能物理学的研究,从某种意义上来说,是对宇宙进行考古学的研究。提高研究的能量范围,就等于追溯到更早期的宇宙。高能物理和天体物理的实验研究都属于大科学的范畴。大科学威风凛凛,但大也有大的难处,正如《红楼梦》中王熙凤所说的,大科学所面临的问题在于如何持续地获得社会的支持。在冷战时期,巨型加速器成为国力的象征,理所当然地得到了国家的支持。冷战以后,情况显然有所不同,需要考虑这类基础科学研究的社会效益问题。美国超级超导对撞机的下马似乎暗示了:即使像美国那样的富裕发达国家,对大科学项目的支持还是有条件的。看来今后的出路在于走国际合作的道路。对这两个前沿而言,目前是机遇和挑战并存。

除了这两个很明显的前沿外,应该还存在一个前沿问题,即存在于结构层次之间,总的说来,就是朝复杂物质展开:固体物理早期所研究的多半是简单的物质。在进一步研究中,方始接触到比较复杂的物质,当中蕴含有许多尚待发物理展、挖掘的物性。下面以半导体为例作些说明。最简单的硅,研究得最清楚,应用得最广泛;然后是复杂一点的碑化镓这类化合物半导体(Ⅲ-Ⅴ族与Ⅱ-Ⅳ族);更进一步就涉及结构更加复杂的聚合物半导体。近年来,聚合物半导体研究十分引人注目,己能做出聚合物晶体管来。当然,聚合物的集成电路在当前还不能与硅片竞争,但它有廉价、容易制备的优点,因而可以在其他方面发展。由聚合物,我们想到人的大脑问题,大脑里头并没有硅片,但大脑思维复杂程度远远超过现代大型计算机。故从简单物质的研究到复杂物质的研究的发展过程中,物理学应该是大有用武之地的。所以我们可以认定,除了前面两个(实际上已经合二而一了的)前沿外,应该还存在另一个物理学前沿,即探讨复杂物质的结构与物性。

3.2 复杂与简单的辩证关系

下面讨论一下复杂与简单的辩证关系问题,这里牵涉一点哲学观点的问题。因为物理学所研究的是一些最基本的问题,所以在探索和深入到一定程度后,某些哲学观点就会呈现出来了。

物理学家惯用的一个观点往往是还原论。所谓还原论,就是将世界分成许多小的部分,每一部分研究清楚了,最后拼起来问题就解决了。这个观点是很自然的,物理学家过去受到的是这个训练,基本上就接受这一观点。有很多著名的科学家支持这个观点,鼎鼎大名的爱因斯坦就讲过:“物理学家的无上考验在于达到那些普适性的基本规律,再从它演绎出宇宙”。这可以说是爱因斯坦的雄心壮志,也是几代物理学家抱有的看法,就是说,如果我们把世界基本规律搞清楚了,那么就一切事情都解决了。下面是著名理论物理学家狄拉克讲的话,他讲这一段话的时候正好是在量子力学初步建立之后,他说:“现在量子力学的普遍理论业已完成,作为大部分物理学与全部化学的物理定律业已完全知晓,而困难仅在于把这些定律确切应用将导致方程式太繁杂而难以求解”。他的意思是基本的物理规律已经知道了,下面似乎就是一个求解的问题,至于求解,由于方程过于复杂,似乎有些问题还解不出来。

尽管有许多物理学家是抱有这类观点,但现在来看问题似乎不这么简单,基本规律知道了,具体规律是不是就一定能够推出来,这个问题一直是有争议的。19世纪有一种极端的意见,就是所谓实证论的观点,以奥地利科学家马赫为代表,马赫也是个哲学家。他认为物理学家只要追求宏观物体之间的规律,去搞清微观的东西似乎没有用处,且微观是否存在,分子、原子是否存在,他一概采取否定的态度。显然这类观点过于极端。实际上应该看到,物质结构存在不同的层次,层次与层次之间是有关联的,有耦合的,因此,我们需要理解更深层次的一些规律。譬如遗传问题(这当然不是纯粹物理学问题),可以从生物现象上求规律。早在19世纪,门德尔就总结了豌豆的遗传规律,这是个非常重要的基本规律,但为什么造成这个规律呢?显然跟遗传物质的结构有关。最关键的一步在于,1952年左右,生物学家华森(J.Watson)和晶体学家克里克(F.Crick)在英国卡文迪什实验室把DNA分子结构辨认了出来(在某种意义上是猜出来的)。这使我们晓得,遗传规律与DNA分子结构中某些单元的排列顺序有关,也就是说,在分子结构中有个密码存在,这密码规定了遣传情况,如果密码改变,遗传情况也就改变了。由此可以看到,分子结构与遗传物质这两个不同层次之间存在耦合的问题,理解了分子层次的结构,就把遗传规律基本上搞清楚了。再如,固体的导电问题,牵涉到电子在固体中的行为问题,如果我们把电子在固体中的行为搞清楚了,那么对固体为什么导电,为什么有的是半导体,有的是超导体这一类问题就都可以给出一个解释来。这就有利于推动我们去研究导电现象,以及利用这些现象做出晶体管来,做出集成电路来,做出超导的约瑟夫森结,来为人类服务。这就说明层次与层次之间存在耦合现象。另一方面,层次与层次之间也存在脱耦现象。所谓脱耦现象,就是下一个层次的现象对上个层次未必有重要关系。例如,近年来粒子物理有一个重要的发现,就是1995年发现了顶夸克,这在粒子物理是件大事,因为设想的几种夸克,包括最后一种顶夸克也都发现了。但是顶夸克的发现对固体物理或凝聚态物理有没有可以观察到的影响呢?没有,到现在为止,似乎一点影响也没有。这表明,层次跟层次之间,在某些情况下,存在脱耦。我们说粒子物理的进一步发展,对本身,对理解粒子的性质和宇宙早期的问题,具有极大的重要性,但是,它的发展,对理解相隔了好几个层次的物质,就丧失了重要性。再如,原子核的壳结构对遗传有没有影响呢?一般说来看不出太大的影响。这就是层次之间既存在耦合,又存在脱耦,而且大量粒子构成的体系往往有新的规律。

我们来看看另外一个观点,所谓层创论的观点。这里是著名凝聚态理论学家安德森(P.W.Anderson)讲的一段话:“将一切事物还原成简单的基本规律的能力,并不意味着我们有能力从这些规律来重建宇宙,当面对尺度与复杂性的双重困难时,构筑论的假设就被破坏了。大量的复杂的基本粒子的集体,并不等于几个粒子性质的简单外推”。也就是说我们知道两三个或四五个粒子的规律,并不能说明1020或1024个粒子的集体的规律,在每一种复杂的层次上,会有完全新的性质出现,而且对这些新的性质的研究,其基本性并不亚于其他研究。也就是说物质结构存在不同的层次,而层次跟层次之间,往往到上一个层次就有新的规律出现,对这些新的规律的研究,本身也具有基本性。

另外,要引一段卡达诺夫(L.P.Kadanoff)的讲话。他说:“我在这里要反对还原论的偏见,我认为已经有相当的经验表明物质结构有不同的层次,而这些不同层次构成不同群落的科学家研究的领域,有一些人研究夸克,另外一些人研究原子核,还有的研究原子、分子生物学,遗传学,在这个清单中,后面的部分是由前面部分构成的,每一个层次可以看成比它前面的好像低一些,但每一个层次都有新的、激动人心的、有效的、普遍的规律,这些规律往往不能从所谓更基本的规律推导出来。从最不基本的问题向后倒推,我们可以看到一些重要的科学成果。像门德尔的遗传律与DNA的双螺旋结构,量子力学与核裂变,谁是最基本的?谁推导谁?要将科学上的层次分高低的话,往往是愚蠢的,在每一层次上都有的普遍原则中,都会出现宏伟的概念”。重要的是要认识到各个层次之间既有耦合,也存在脱耦。并非是探究清楚最微观层次的规律,就可以把世界上的问题全部解决。近年来有一种提法,说粒子物理面临新的挑战,要建立一种所谓“万事万物的理论”。有些科学家说粒子理论现在已经建立了标准模型,然后下一步就希望建立万事万物的理论。进行这类尝试是完全应该的,要向未知领域再推进!但一定要采取辩证的观点来对待这一问题。即使这个理论取得进展,也并不意味着万事万物的问题就可以迎刃而解了。应该说物理学现在还是很有生命力的科学,但并不意味着要把它的全部命运都跟万事万物理论联系在一起,而是有很多新的发展余地。

3.3 物理学的开放性

物理学一直是一门生气勃勃的学科,这和它具有高度的开放性是密切相关的。它和技术并没有截然的分界线,它和其他的自然科学也没有截然的分界线。它的门户总是开放的,鼓励跨学科的交流与沟通。

物理学和技术关系密切。当今的许多工程学科都是植根于经典物理学的某一分支,而20世纪的物理学进而诱发许多新兴的技术科学,如原子能技术、微电子技术、光电子技术等。即使像高能物理学那样的以基础研究为主的学科,由于它采用了大量和高技术有关的研究手段,因而并不出人意料之外,它会对当代信息、网络技术作出重要的贡献。

另外,在促进进交叉学科方面,物理学也大有可为。物理学是严格的定量科学。卢瑟福有句戏言,“一切科学,要么是物理学,要么就是集邮术”,显然已经不适合当代的情况。其他的自然科学早已摆脱了类似于集邮术的情况,在定量化方面,向物理学靠扰。20世纪的化学是巩固地建立在量子力学基础上的,和物理学已密不物理可分,有许多共同的研究对象。当然在观点上的差别还是有的,正如著名化学家赫许巴赫(D.Herschbach)所指出的,“典型化学家高于一切的愿望是理解为什么一种物质和其他物质行为不同;而物理学家则通常期望寻找出超出特定物质的规律”,正好使双方的研究互相补充。现代生物学早已面目一新,将它的基础建立在分子生物学上。而分子生物学本身就是诞生在卢瑟福的后继者主持的剑桥大学卡文迪什实验室。生物学的面貌显然己大为改观。正如著名生物学家吉尔勃特(S.W.Gilbert)所说的,“传统生物学解决问题的方式是完全实验的。而正在建立的新模式是基于全部基因都将知晓,并以电子技术可操作的方式驻留在数据库中,生物学研究模式的出发点应是理论的。一个科学家将从理论推测出假定,然后回到实验中去,追踪或验证这些假定”。看来物理学家在交叉科学方面尚大有可为。

参考文献
[1]美国物理学评述委员会著,长征等译,90年代物理学(共9册,原文于1986年出版,中译本) 北京:科学出版社.1992-1994
[2]Bardeen.J.Ann.Rev.Mat.Sci.,1980,l0;1
[3]Anderson P W.Science. 1972,177;393
[4]Kadanoff L P. From Order to Chaos. World Scientific. Singapore, 1993.399
[5]Gilbert S W. Nature, 1991,347;99

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物理学对自然科学发展的促进作用

Posted by 宝水 on 一月 10, 2008

作者:贾利群等    文章来源:《安阳师范学院学报》2004年 

今天,我们享用着科学研究所带来的前所未有的技术成果,然而,这一切都离不开物理学的研究和发展。近400年,尤其是近100多年,人类社会的进步超过了过去的几千年。而这段时期,也正是物理学飞速发展的时期。今天的物理学正以它特有的魅力,影响和推动着其它学科乃至社会的飞速发展,并日益展现出其强大的基础科学功能。

1、物理学与其它学科的关系

由于物理学科的基础性,它研究的是物质的基本结构及其运动的一般规律,所以物理学的研究范围极其广泛,从基本粒子到整个宇宙,都是物理学研究的范畴,几乎包括所有学科的研究领域。物理学研究所建立的新概念、新的研究方法,以及由于物理学研究发展起来的特殊环境条件、测量和研究手段,不仅极大地促进了人类对自然界的认识,而且对其它学科和工程技术的发展也指明了方向。可以说,物理学的发展为其它学科的发展奠定了理论和物质基础,物理学的每一个大的革新都为其他学科的发展构建了一个新的技术平台。物理学理论的重大突破带来了三次产业革命,并导致了其它学科诸如信息科学、材料科学、农业科学、军事科学以及生命科学等学科的大发展。

当代,物理学科研究的突破导致技术变革所经历的时间正在缩短,从而在近代物理学与许多高技术学科之间形成一片相互交叠的基础性研究与应用性研究相结合的宽广领域。物理学科与技术学科各自根据自身的特点,从不同的角度对这一领域的研究,既促进了物理学的发展和应用,又加速了高新技术的开发和提高。

2、物理学对自然科学发展的促进作用

2 .1 物理学对信息科学发展的促进作用

信息是一种极为重要的社会资源,它与能源、材料并称为现代社会的三大支柱。

信息科学的内容包括传感技术、通讯技术、计算机技术和自动化技术。物理学中的原子分子物理、光物理、声学物理以及激光技术、近代光学技术、光电子技术、材料科学技术等对现代信息技术影响最大,构成了信息通讯技术的基础。激光的出现使通讯技术的面貌焕然一新,激光出现后蓬勃发展起来的非线性光学在激光技术信息处理和存储、计算技术等方面有重要的应用前景。原子分子物理、光物理和凝聚态物理相结合产生了新的激光器、新的激光波段、新的相干光源和各种各样非线性光学器件,促进了通讯信息科学的飞速发展。而近年来发展起来的“量子信息科学”是物理学与信息科学交叉融合产生的新兴学科,涉及物理、计算机、通信、数学等多个学科。由此可见物理学对信息科学的发展具有重要意义。

2 .2 物理学对材料科学发展的促进作用

材料是发展工业、农业、国防、科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。一个国家材料的品种、质量和产量是直接衡量其科学技术和经济发展水平的重要标志。物理学基础研究的新理论、新发现、新效应和新实验技术是材料科学发展的主要动力之一。其中凝聚态物理是物理学中内容最丰富、应用最广泛、最活跃的领域,也是材料技术的基础。随着高温超导、半导体超晶格物理、新型晶体和晶体学、新型磁性材料物理、超微粒子材料(纳米材料)物理等物理学分支的进一步研究,必将极大地推进材料科学的向前发展。

2 .3 物理学对能源科学发展的促进作用

随着全球能源的需求量愈来愈大,仅靠大力开发石油、天然气、煤等传统能源已不能满足社会可持续发展的需要。对新能源的开发利用、节约能源成为引人瞩目的新技术,而能源科学的发展完善离不开物理学作为基础和后盾。例如,原子能的开发和利用离不开物理学中的核物理和高能物理学,太阳能的开发利用离不开凝聚态物理和光物理学,而近年来物理学家对反物质的研究,则可能会给人类带来新的能源。反物质这东西很神秘,只要一露面,立即就会与正物质结合,同时放出大量的能量。关于通古斯大爆炸有各种假说,其中之一认为,1908年中西伯利亚的通古斯大爆炸,就是由于天外飞来一块由反物质组成的陨石与正物质在通古斯上空结合放出大量能量而造成的。据估计,一克反物质与正物质结合时,放出的能量相当于世界上几个最大水电站发电量的总和。

2 .4 物理学对空间科学发展的促进作用

空间科学包括应用卫星技术、载人航天技术、从空间研究地球及宇宙整体行为的技术和微重力科学技术,而这些都离不开作为其基础的物理学。物理学研究的水平高低直接决定了空间科学技术的发展。众所周知,物理学是卫星和火箭发射、运行、控制的直接理论基础,天体物理、大气物理和地球物理是空间技术的重要理论背景和设计基础。不久前,经过半年多星际旅行,美国”勇气”号火星车于美国太平洋时间2004年1月3日20时35分(北京时间2004年l月4日12时35分)左右,在火星表面成功着陆。而物理学家对新能源—反物质的研究,则会促使空间科学飞速发展。物理学家预测,假如利用反物质推动太空船,只需六个星期便可到达火星。

2 .5 物理学对生命科学发展的促进作用

生命科学的研究离不开物理学作为基础和手段。研究生命现象会遇到一个根本性的问题:什么是生命?对此,1944年,量子力学创始人之一薛定愕在《什么是生命》一书中预言了遗传密码的存在和生命赖“负熵”而生存。此外他还指出:量子力学应当成为生命科学的基础。这在生命现象研究中是前所未有的突破。运用力学对生命现象的研究,可追溯到伽里略、牛顿和哈维。

物理学还为生命科学提供了现代化的实验手段和技术。早在1791年解剖学家、物理学家伽伐尼(L.Galvani)用电刺激蛙神经,发现了生物的导电现象。1927年,马勒(H .J.Mullor)用x射线使发果蝇的基因发生突变,开辟了遗传学研究和实际应用的新领域;最近,瑞士科学家又用x射线晶体成像法首次发现了DNA关键部位的原子结构,为人类从原子层次揭开生命之谜开辟了道路。

物理学中的理想模型、研究方法和计算方法,在生物系统中得到广泛的应用。用分子涨落的方式对DNA与RNA的结构和动力学特征所做的量子力学计算结果,其精确度令人十分满意。

2 .6 物理学对军事科学发展的促进作用

从科学技术发展史看,一种崭新武器的出现,都离不开物理学的理论,尤其是核物理学的研究成果,更是极大地影响着军事科学的发展。从现在和未来来看,纳米技术的迅猛发展,特别是微机电系统的初步成功,为军事科技工作者研制纳米武器奠定了物质基础。他们可尽情发挥想象力,研制出千奇百怪的战场“精灵”。诸如“麻雀”卫星少蚊子”导弹少苍蝇”飞机少蚂蚁士兵”等。

2 .7 物理学对农业科学发展的促进作用

2 .7 .1 物理学与植物经络学

在我国率先举起物理农业大旗的侯天侦教授从植物的电、声、热、核等生物物理特征的测定,植物的光合、呼吸代谢以及运动周期等方面的研究中,发现了“植物具有类似于人体和动物的经络控制系统”,发现了植物经络系统的穴位,提出了植物控制系统的理论,创立了植物经络学说。

2.7.2 草木知音一植物声学

近年来,世界各国科学家进行了多种实验,探索声波或音乐对农作物的影响,希望用声音提高产量或改良品质,并且出现了可喜的苗头。

1000多年来草木知音现象的原理一直是一个不解之谜。中国科学家根据植物经络学说很好地解释了草木之音现象,揭开了草木知音现象的科学原理,中国科学家还精确地测定出了植物的自发声和接受声的频率,并运用发明的植物声频押制技术大大地提升了作物产量和品质目前.

这种奇特的技术已在美国和中国北京、新疆、山西等地的133公顷农田应用,30多种农作物产量大幅度提高,抗病虫害能力也有所增强。

当前,农业正处于由化学农业向生态农业过渡时期,而物理农业是实现生态农业的主要途径之一,即将电、磁、声、光、热、核、辐射、微重力等物理学科的基本知识和相关领域的高新技术作为有效的“物理肥源”应用于农业中,在无污染的条件下达到选种、增产、优质、抗病和简化管理等目标。

2.8 从诺贝尔奖看物理学对其它学科发展的促进作用

据不完全统计,20世纪中叶以来,获得诺贝尔生理及医学奖者中,具有物理学背景者约占60%。获得诺贝尔化学奖者中,具有物理学背景者约占50%以上。诺贝尔经济学奖第一位获奖者便是具有物理学博士学位的杨廷伯根。据不完全统计,获得诺贝尔经济学奖者中,具有物理学背景者约占50%左右。由此可见,物理学对其它学科发展具有巨大的促进功能。然而在物理学方面,迄今为止尚未发现非物理学背景的学者获得诺贝尔物理学奖。

为什么具有物理学背景者进入其它学科获得了诺贝尔奖,而非物理学背景者迄今却无人问津诺贝尔物理学奖呢?其主要原因在于物理学研究的是物质的基本结构和物质运动的一般规律,物理学是自然科学的基础学科、核心学科和带头学科,物理学和其它学科相结合,很容易在边缘交叉领域上取得重大突破;另一方面在于物理学研究方法的普适性。例如,具有物理学背景者利用物理学的理想模型方法在经济学领域取得突破,从而获得1997年诺贝尔经济学奖就是重要例证。

可见,物理学昨天和今天都对科学技术乃至社会的发展起着重要的推动作用,明天也将如此。

3、运用自然辩证法的原理探讨物理学对自然科学发展促进作用的原因

物理学是自然科学的基础,它是在人们认识自然和改造自然的过程中发展和壮大起来的。自然科学与生产实践相结合变成直接的社会生产力,社会生产力的发展又推动自然科学向更深层次发展。也就是说,生产决定科学,科学又反作用于生产。生产力的三要素包括劳动者、劳动工具和劳动对象。劳动者的劳动能力主要决定于他的科学知识水平,一个时代的劳动能力则决定于当代科学发展的水平。正是由于物理学的发展使得人们的科学知识和实验技术水平得到了大的发展,推动了自然科学的向前发展。作为生产力中物的因素的劳动工具、劳动对象的改革和创新也与物理学的发展密不可分。资本主义大工业生产以来所经历的三次大的技术工业革命,每一次都是以工具的变革为标志。正是因为出现了电子器件、半导体、激光、原子能等方面的一系列新工具,工业部门才推动了当代军事工业、信息产业、材料工业等新的学科的出现和发展。同时随着自然科学的不断进步使得劳动对象的范围不断加深和扩大,开辟了新的自然科学的研究领域诸如太阳能和潮汐能的利用、核能的开发利用、航空和航天技术、纳米技术、超导技术等等。

从更深层次上分析,物理学的发展和完善不仅推动了整个自然科学的发展和完善,同时也推动了社会的进步。物理学中的科学实验方法是检验自然科学真理性的标准。毛泽东同志曾经指出:“许多自然科学理论之所以被称为真理,不但在于自然科学家们创立这些学说的时候,而且在于为尔后的科学实践所证实的时候。”物理学的发展促进了辩证唯物主义的完善和发展,它的每一次大的飞跃都为自然科学的发展创建了一新的平台。在这个新的平台之上,社会对新的技术的需求增大。正如恩格斯所总结的:“社会一旦有技术上的需要,则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。

作者:贾利群,王喜中,张耀宇

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什么是“物理学”——物理学概念之沿革

Posted by 宝水 on 一月 10, 2008

作者:厚宇德    文章来源:《大学物理》2004年1月   

什么是“物理学”?这是科技史,尤其是物理学史不可回避的一个十分基础的课题。近年来物理学概念内涵之演变引人关注,对这方面的了解将会给教授者、学习者一定的指导和启示。

1、物理学概念的西方源起

“物理学”(即英语里的“physics”),最早始见于古希腊亚里士多德的《物理学》一书,该书的中文译者张竹明先生指出:这本“《物理学》是一门以自然界为特定对象的哲学。它不同于我们现在的物理学,但却包括了现在的物理学,也包括化学、生物学、天文学、地学等等在内,总之,涉及整个自然科学,它只研究自然界的总原理,是自然哲学”[1]。鉴于亚里士多德的《物理学》中有许多物理方面的错误结论,所以1949年因提出了宇宙起源的大爆炸学说而声名大震的美籍前苏联物理学家乔治·伽莫夫曾指出:亚里士多德“在物理学领域中最重要的贡献也许只是创造了这门学科的名字,”这个词由古希腊“自然”一词推演而来[2]

2、中文“物理学”一词的来源

1900年,日本人藤田丰八把饭盛挺造编写的《物理学》译成了中文,由当时上海江南制造局刊行。这本书是我国第一本具有现代“physics”内容的称为“物理学”的书。

如此说,并非1900年以前中国就没有“physics”.东方的包括中国的近代科学都是从西方传进来的,实际情况是从西方传到中国远比传到日本还要早.不过1900年以前,我国译述西方物理学著作没有采用“物理学”的译法,而是多译为“格物学”或“格致学”.如1879年美国人林乐知将罗斯古编写的一本物理书翻译成汉语并命名为《格致启蒙》,其中第二卷为格物学;1883年美国传教士丁韪良(丁韪良,英文名Martin,1888年曾来中国传教,接触中国古代文明后曾提出“丁韪良猜测”:中国的“元气说”曾影响过笛卡尔提出“以太”漩涡说)也将一本物理书译为汉语,名字为《格物测算》.另外,国内1886年有译著《格致小引》,1889年又有《格物入门》出版。

大量史料表明:“格物学”或“格致学”就是“physics”的早期汉语意译.这两种译法是“格物致知”一词两种形式的缩写。“格物致知”一词源于儒家“致知在格物,格物而后知至”的思想.

应该强调的是,日本学者指出:“特别值得大书一笔的是,近世中国的汉译著述成为日本翻译西洋科学译字的依据.”[3]日本早期物理学史研究者桑木或雄说:“在我国最初把‘physics’称为‘穷理学’.明崇祯年间一本名叫《物理小识》的书,阐述的内容包括天文、气象、医药等方面.早在宋代,同样内容包含在《物类志》和《物类感应》等著述中,这些都是中国物理著作的渊源.”[3]

2002年4月在北京召开了中国近现代科学技术回顾与展望国际学术研讨会,会上仍有学者认为将“physics”译为“物理”不如译为“格物”或“格致”更符合汉语文化.但是“物理学”一词毕竟被中国人所逐渐接受,1902年京师大学堂在格致科下设物理学课目,1912年改格致科为理科,下设物理门.同年金陵大学设物理学课目,1918年商务印书馆出版了由陈幌编写的《物理学》,这是第一本国人命名为《物理学》的“physics”著作。可见我国用“物理学”译“physics”还是较晚的,1900年在德国普朗克已经提出了能量量子化假说,标志着物理学跨人了现代的大门,量子力学的序幕已经拉开.

必须特别指出的是,在中国“物理”一词出现并不晚,不过含义不同于“physics”。明代吕坤(1536一1618)著有《呻吟语》,其中卷六第二部分名为“物理”,大体是有关物性学的,并用以引申一些关于人文及世界的观点.宋代朱熹(1130一1200)等人常用“物之至理”或“物理”一词.当代著名物理学家李政道曾引用唐代杜甫《曲江二首))中的诗句“细推物理须行乐,何用浮名绊此身”来说明物理一词在盛唐时即已出现[4]。其实在中科院哲学研究所和北大哲学系编著的《中国哲学史资料简编))(中华书局)“两汉一隋唐”部分中就记载了三国时吴人杨泉曾著书《物理论》,是研究和评论当时有关天文、地理、工艺、农业及医学知识的著作。更久远的有,在约公元前二世纪成书的《淮南子·览冥训》中就有:“夫隧之取火于日,慈石引铁,葵之向日,虽有明智,弗能然也,故耳目之察,不足以分物理;心意之论,不足以定是非”之论述.中国古代的“物理”,应是泛指一切事物的道理.

3、关于“物理学”的一般传统认识

一般的物理学教材或辞典手册大都这样介绍:物理学是研究物质运动最一般规律及物质基本结构的学说。具体地说,按所研究的物质运动形态和具体对象,它涉及的范围包括:力学、声学、热学和分子物理学、电磁学、光学、原子和原子核物理学、基本粒子物理学、固体物理学以及对气体和液体的研究等.物理学包括实验和理论两大部分,经过实践检验被证实为可靠的理论物理包括:理论力学、热力学和统计物理学、电动力学、相对论、量子力学和量子场论.当然这些理论也只能是相对真理,有各自的局限性.运用物理学的基本理论和实验方法研究各种专门问题,使物理学中各种新的分支不断涌现和形成如流体力学、弹性力学、无线电电子学、金属物理学、半导体物理、电介质物理、超导体物理、等离子物理、固体发光、液晶及激光等。一些边缘学科也随物理的广泛应用而陆续形成如化学物理、生物物理、天体物理及海洋物理等等.

作为一门学科,物理学之存在须以以下几个要素为前提:

1)一种描述性的通过自然现象之间的相互关系来理解和说明自然的自然观.这种自然观建立在两个信念之上:其一是自然有可以被人们认识和理解的理性规律.“相信世界在本质是有秩序的和可以认识的这一信念,是一切科学工作的基础.”(爱因斯坦语);其二相信自然是实存的,且具有近恒常性而不是唯心主义的迷梦或理念世界的幻影.

2)存在一种与上述自然观相适应的定量方法系统来处理现象,尤其允许可近似量化处理.具体而言就是公理化的逻辑与具有实用可操作性的数学体系,它可说是科学理论的骨架.

3)重视实验,既把实验看成理论的来源,又看成审判理论的法官.如果没有实验这一要素,科学即使能诞生往往也只能是一个封闭的理论构架,虽自身可能逻辑自洽,但因缺乏证实或证伪机制而易流于玄想并丧失进一步发展的生命力.

4)社会和文化的需要.

4、《物理百科全书》关于“物理学”的解释

美国麦格劳一希尔图书出版公司1983年第5次出版由帕克主编的《物理百科全书))(科学出版社,1996年8月),书中关于物理学的主要观点如下:

物理学在以前称为自然哲学.物理学涉及自然的某些方面,它们可以通过一种基本的途径,即依据一些基本原理和基本定律来加以理解.随着时间的推移,不同的特殊学科从物理学中分了出来,形成自己的研究领域.(典型的分化论,本文作者注).在此过程中,物理学保持着它的本来面目:理解自然界的结构和解释自然现象。

物理学的最基本部分是力学和场论。力学涉及质点或物体在给定力作用下的运动.场物理学则涉及万有引力场、电磁场、核力场以及其他力场的起源、本质和特性.力学和场论合在一起就构成了理解科学上所提出的自然现象的最基本途径,最终目的是要通过这两个方面理解全部自然现象。

物理学的较古老的或者称经典的分法,是以自然现象的某些一般类型为基础的.当时,对于这些自然现象是已经知道特别适合于应用物理学方法来研究的.按照这样的分法,计有经典力学及其分支天体力学、流体力学和弹道学;热学和热力学;气体运动论和统计力学;光学、声学;电学和电磁学.这样的分法现在都还通行,但其中有许多越来越有被列入应用物理学或技术的分支的趋势,越来越不属于物理学本身的固有的分支了。

数学物理学用数学来研究物理现象,它包括所有各门物理学中较数学化的部分以及统计力学、量子力学、相对论和场论的绝大部分内容.通常在数学物理学和理论物理学之间所作的区别是:对于后者,虽然形式上也全都是数学,但它被认为是更接近于实验物理学的.然而,不论是数学物理学还是理论物理学都不可能真正与实验物理学分开,因为一个对自然的完全理解,只有同时应用理论和实验才能得到。

在物理学的各个领域内,其特点与其说是取决于所涉及主题的内容,还不如说是取决于对所探索内容的理解的精确性和深度.物理学的目的是通过数学建立一个统一的理论体系,它的结构和行为要尽可能广泛地复现整个自然界.其他科学只满足于用本门学科的特殊局限概念来描述和联系各种现象,而物理学则总是探索着把对同一现象的理解,作为一个特殊的表现形式而纳入作为整体的自然界的基本统一结构.按照这样的目的,物理学的特色就在于:精密的仪器设备、精确的测量以及通过数学来表达所得到的结果。

《物理百科全书》的这种特色说显然有问题,既言特色就该是独具的,可你能以此区分物理与化学吗?化学家赫许巴赫的高论有助于我们在一定意义上区分理化:

“典型化学家高于一切的愿望是理解为什么一种物质和其他物质行为不同;而物理学家则通常期望寻找超出特定物质的规律.”

5、朝永振一郎关于“物理学”的见解

朝永振一郎(1906一1979)是日本理论物理学家,因在量子电动力学方面的贡献获1965年诺贝尔物理学奖.

1977年10月是日本数学物理学会成立100周年,在纪念大会上,朝氏以“什么是物理学”为题目作了一个报告[5].但他只讲了几段物理学历史及物理学与技术的关系,并没有直接回答这个问题(至少从汉译文看来如此).他说:“不过依我看来,物理学以像模像样的自然科学形式出现,似乎是在开普勒、伽利略、牛顿时期才开始的.”开普勒主要研究行星围绕太阳的运动,与开普勒不同伽利略则研究地上现象.牛顿将两人的成果集中起来再进行深人研究,建立了牛顿三定律和万有引力定律.

朝氏认为现代物理学的性质有二:第一,采用观测或实验方法;第二,用数学来表达定律.

他认为我们要用物理学来了解存在于自然深处的规律,这个思想在考虑什么是物理学时不可忽视.朝氏强调物理学的进一步发展不仅使自身范围扩大了,由力学发展到光、热、电磁、原子和分子等方面甚至连化学等也纳人了物理学范畴.有重新统一一切现象、整合一切学科的趋势,我们不妨与分化论相对称之为统一论.著名物理学家卢瑟福也有一句名言:“一切科学要么是物理学,要么是集邮术.”[6]这可以看成物理学大统论的最简洁的定义说明.

6、哥本哈根学派的观点

以上的观点虽有不同,但都不违背牛顿的说法:“自然哲学的目的在于发现自然界的结构和作用,并且尽可能把它们归结为一些普遍的法则和一般的定律—用观察和实验来建立这些法则,从而导出事物的原因和结果.[7]就是说科学的目的是发现客观的与人无关的自然规律或真理.

这种思想在微观领域受到了冲击.

在这种领域,观测对现象的影响是不可忽略的.因此以玻尔(N.Bohr)、海森伯(w.Heisenberg)为代表的量子力学哥本哈根学派断言:认为物理学的任务是去发现自然界是怎样的是错的.物理学涉及的是关于自然界我们能说什么.“描述自然界的目的不在于提示现象的真实本质,而只在于尽可能远地把多种多样经验的各个方面之间的关系追溯出来”(玻尔)[8];“自然科学不是自然界本身,而是人和自然界之间关系的一部分,因而就依赖于人,有人的烙印”(海森伯)[8];“当你寻求生活的和谐时,你必须永远不要忘记,在生存的戏剧中我们自己既是演员又是观众.’,(玻尔)[8].显然量子力学的科学观与其前物理相比出现了巨大的变化.

7、“未来我们选择怎样的物理学?’’一文的相关思想

S.M.Gruner和J.S.Langer在1995年第12期《Physics Today》以“未来我们选择怎样的物理学”为题发表了文章,认为物理学概念的演变就是被定义得越来越狭窄了.为了拯救物理,如今物理学家对物理学的定义不是根据那些特定的专业和领域,而是基于那些不同时期和不同研究活动结合为科学家共同体的一组概念工具.分别是:

l)在一组核心学科方面接受过高级训练.目前这些学科有力学、电学、磁学、热力学、统计力学和量子力学等.

2)掌握了研究物理现象所使用的定量方法和整理数据的方法

3)有较强的抽象能力和打破常规的勇气和精神、能超越特定研究对象的洞察力和对问题本质的把握.

这些概念化工具比其他任何特征和标准更能使物理学家区别于其他科学家.最能体现物理学家与其他科学家不同的地方,不在于他们所涉及的领域,所研究的问题,而取决于他们所采用的研究方法和所寻求信息的特征.天文学家研究脉冲星,生物学家研究生命系统,物理学家对二者都关心,因此这两者都是物理学的研究对象。

8、赵凯华先生的观点

纵观20世纪物理学研究对象的扩展,从宏观到微观,从传统的物理过程到化学过程(量子化学),从无生命的到有生命的……从不同角度看,学科既有分化又有统一整合,分化论与统一整合论都有道理都有事实依据,二者绝不是非此即彼、誓不两立的关系.由于统一与分化学科得以向广度和深度发展分化标志着科学局部发展的成熟,统一整合标志着科学整体认识上的深入.但也正由于统一与分化,使得现在很难用传统的眼光来界定什么是物理学。一位外国物理学家风趣地自问自答:What is physics?Physics is what physicists do.按逻辑,人们应继续问:what are physicists?答案可借鉴上面提到的Gruner和Langer关于物理学家共同体概念给出.

赵凯华先生说[9]:“我想给这句话加个注解.物理学家所作的研究怎样才算得上是物理工作?论文能为国际上公认的物理杂志或物理学术会议所接受,可算得是一条充分条件”1995年在我国厦门召开了第19届国际统计物理大会.大会的论文摘要中出现了按传统的观念不像物理名词的词汇,如细菌生长、生物进化、生物膜、轮轴藻细胞、细胞色素C、厄尔尼诺、南方振荡、红血球、心率、鸟儿为什么一起飞、免疫网络、曲折的河流、神经网络、沙堆模型、交通流量等等.“可见,今天已不可能再用研究对象来界定什么是物理学,物理学是所有自然科学和工程技术的理论基础,物理学代表着一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法.把这套方法运用到什么问题上这问题就变成了物理学.”[9]这与Gruner和Langer的观点在精神上是相似的.

诸年来还有另一现象影响着人们对物理学看法的改变.

现在有不少物理专长人才毕业后不搞物理这就要求物理学必须相应有所改变.1996年国际大学物理教育学术研讨会在美国马里兰大学召开.大会发布的统计数据表示,在美国有超过60%的物理专业毕业生进人了各工业部门,获得学士学位的毕业生中有超过2/3的人不从事物理方面的工作,英国的统计数字大体与美国相似.在我们国内也存在这一现象按传统看法这是“用非所学”,是人才培养上的浪费.赵凯华先生认为这是正常现象,他说:“一个人学了物理学之后干什么都可以,他的物理学没有白学……在我看来,对于学物理学的人无所谓‘改行,……’[9].中国大恒集团总工程师、光电技术所所长宋菲君也说过:“有什么比掌握‘四大力学’更困难?能够掌握四大力学的人只要下功夫,从事什么职业都会有所建树.物理学工作者特别适合于从事高新技术开发,做创新的工作.”[10]赵、宋二先生的说法,只有在打破过去对物理专业的认识,彻底树立物理学方法论的新物理观基础上才能得以正确理解.

9、启示

前面的关于“物理学”的观点,有同有异,莫衷一是.但可以肯定的是,“物理学”概念的内涵己经且正在发生着演变如果说物理学过去在物质和精神上曾很好地造福于人类,各种辉煌成就的取得与物理学家的打破常规的勇气和探索精神密不可分那么,今天和明天的人们将进一步认识到物理学是一套获得、组织、运用和探求知识的有效方法,这是至关重要和更有意义的.这样的认识无论对学习物理的人还是教授物理的人都应成为其指导学习工作的原则一旦物理学方法论思想真真实实地被人们所掌握,那么学习物理的人就不再会满足于背点概念公式做几道题,而是更注重在一定的基础上对物理思想、物理方法的领悟,并能在诸多领域得以应用.当然,物理方法不是空谈即能掌握的,它只能形成于良好的物理专业素质之上.这要求广大物理教师必须致力于履行素质教育.良好的物理专业素质主要体现为清晰全面准确的物理思想、扎实的数学应用能力和较好的实验能力几个方面,简言之,即具备良好的理论素质及实验素质,且对学生打基础而言这二者同等重要,不可偏废。2002年6月20日丁肇中先生在CCTV的“东方之子”栏目中说得好:“在学校成绩好,就做理论;动手能力强,就做实验.这种观点是完全错误的。很多成功的实验物理学家都精通理论,做实验最重要的是找题目,动手能力、做法是次要的”

另一方面,物理学发展史告诉我们,一流的理论物理学家往往也具有扎实的实验基础。牛顿做过许多著名的实验,爱因斯坦读大学时也曾用很大精力做实验,这对他后来获得巨大的理论成功至关重要.

“物理学是一门实实在在的科学,是一门久经考验的科学,是一门伟大而艰巨的科学,那些昙花一现的理论、学说和物理学是无可比拟的,那些在改革浪潮中用蛊惑人心的语言装饰起来的雕虫小技更是不值一提,物理学的发展就像宇宙演变一样永不止息[11]

这话感情色彩较浓,但不无道理.

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数论的学习途径

Posted by 宝水 on 一月 10, 2008

    这是我在博士家园里看到了两篇好文章,作者分别是Forms和Quillen,现在我把它们合在一起发出来,供大家学习:      在国内有一个不好的倾向是把数论分的太绝对化,要么是学代数数论的要么是学解析数论的。听过美国威斯康星大学杨同海教授的一个报告,说了一句挺有意思的话:在美国都认为我是做解析数论的,而在国内都说我是做代数数论的。其实我认为作为一个学数论的研究生,在硕士阶段,即使你是学代数数论的也应该知道Riemann-zeta function zero-free,学解析数论的也应该明白Adele ring,Idele group,这些都是以后进一步学习最基本的东西5。如果作为一个硕士毕业的数论研究生这些你都不知道,那只说明一种情况是你老板不是一个合格的导师。我一直认为一个合格的导师是不仅把自己的专业知识传授给学生,更重要的是告诉学生自己的学科在整个数学中的所处的地位和作用,在和自己相关的学科中别的数学家都在做什么工作什么是主流的数学什么是核心的数学,而不是逼着学生去读你的只能发表在某某大学学报上的论文。
我所说的书目,一类是可以做教材的一类是平时学习的参考书。做教材的书我认为起码要满足三个条件:不要太厚 不会让人望而生畏;起点不要太高,即预备知识不要太多;要有当代数学的内容,你不能整个一本书都是讲一百多年前的数学,那是本科生的教材!
1 初等数论 内容主要是数论函数和同余性质。国内外都有很多很好的参考书的。
2 解析数论 H.Davenport multiplicative number theory springer-verlag GTM74
A.A.Karatsuba(卡拉楚巴) 解析数论基础 科学出版社 有中译本和英译本 这两本书都是非常适合做教材的。包含了Riemann zeta function,Diriclet L-functions, zero-free , prime number theory , explicit formula,three primes theorm of Goldbach conjecture , circle method … 解析数论所有的基础知识。 H.D的书写的非常简练优美可读性很强(除去前六章,我认为! )。 另外如果你有足够大的书架足够高的学习热情,你可以买本潘承洞潘承彪的“大词典”:解析数论基础 科学出版社。我觉得这本书只适合做词典用。 有了这两本书的基础,如果你想了解 Goldbach Conjecture and Chen’s Theorem,你可以看 潘兄弟 歌德巴赫猜想 科学出版社 有英译本。这可能是他们合写的一本最好的书。 如果想学习更详细的 Reimann zeta function 知识,你应该只看E.C.Titchmarsh The theory of the Riemann zeta function, second ed. Oxford Univ. Press.这是因为在 BAMS 中 P.Sarnak 给 A.A.Karatsuba and others The Riemann zeta function 写的 book review 的最后一句很有意思的话是:If I were limited to having just one book on my shelves on Riemann zeta functions,I would opt for the 1986 edition of Titchmarsh"s monograph. 最近一二十年Riemann Hypothesis 和 Random matrix theory的研究有很大的关系,但一般讲Reimann zeta function的专著中很少讲到这一点的,不过可以从网上找到一些这方面的survey文章来看看的。 最近又有一本非常新非常好的讲解析数论的书,那就是H.Iwaniec E.Kowalski analytic number theory 2003 AMS 书比较厚当然内容也非常多,基本上包含了当代解析数论所有的工具技巧和内容。有了这本书上面所有的书你都可以不用读了。
3 代数数论 H.P.F.Swinnerton-Dyer A brief guide to algebraic number theory Camb. Univ. Press 这是我见过的最适合做教材的一本书,一学期的课程足够了!作者是大名鼎鼎的 BSD Conjecture 中的 SD。薄薄的一百多页讲述了 Ideals ,Valuations , Adele , Idele , Special fields , Tate’s thesis , L-series , Class field theory ect . 我一向不喜欢写的太厚的书更不喜欢写的太初等的书,书中没有这两个缺点而是很多地方充溢着作者对代数数论独到的精辟的见解。关于其他参考书目我建议大家看看冯克勤老师的代数数论的一个附录和结语,我认为这是那本书最值得看的部分 。 我比较喜欢 S.Lang algebraic number theory springer-verlag GTM110. S .Lang是一个以写很多书而著名的数学家,光springer-verlag就好像给他出了三四十本吧!出书多了就有很多人对他写的书不以为然,其实就这本书来说我认为还是非常好的讲了class field theory ,analytic theory , Hecke L-functions , Artin L-functions, … . 另外一部名著我认为是学数论的学生大都知道可能大都没仔细读完过(起码我是只仔细看过其中的chapter VII Zeta-functions of A-fields,另外第二部分classfield theory并不是我很感兴趣的地方。),不用猜你知道我说的是 A . Weil Basic Numer Theory. 大数学家都喜欢给自己的书起个不起眼的名字,A . Weil就是这样,其实讲的东西绝对一点都不basic,用simple algebras和group representations的工具使用Adele ring and Idele group的语言 ,统一讲述Global Field-number fields and functions fields上的数论。读这本书之前可能需要懂点拓扑群和群表示的东东。
4 自守形式 自守表示 自守L-函数 郎兰兹纲领 (1) H . Iwaniec Topics in classical automorphic forms AMS
H . Iwaniec Spectral methods of automorphic forms AMS second ed. 这两本书都是从analytic methods出发。第一本讲述了GL(2) 上的 holomorphic modular forms 的情况着重讲 了 Kloosterman sum , automorphic L-functions ; 第二本讲述了GL(2) 上的 Maass wave forms 的情况着重讲 Spectral theory 中的trace formula . 从这两本书里,你能看到当代解析数论的主要研究领域和主要研究方法,这与经典的堆垒素数论additive number theory在内容和方法上都有很大的差别。Kloosterman sum , Trace formula 在当代解析数论研究中起着桥梁的作用也是研究的主要工具和方法。大家知道L-Functions的研究在 Langlands Program 中起着中心的作用,而研究L-functions 往往需要很强的分析方法。最后引用别人的一段话 :… we remark that over the the past three decade research in the Langlands Program has been pursued along main lines; via L-functions,via dual reductive(theta liftings)and via the trace formula … one can take the point of view that automorphic forms are primarily of interest because of concrete analytic information they give us classical problem. In the optic, functoriality is a tool rather than an end in itself,and a wide range of other methods from analytic number theory play an equally important role…
(2) Automorphic forms ,Automorphic representations , Langlands Program 关于伟大的Langlands Program , 最原始也可能是最好的参考书是伟大的 H.Jacquet 和伟大的R.P.Langlands 写的伟大的 Automorphic Forms on GL(2) LNM 114 (可在Langlands主页上免费下载). 当然这本书对初学者来说也是比较难读的,需要掌握很多预备知识。 S.Gelbert Automorphic Forms on Adele Groups (Princeton 出版的一套红皮书)应该是一本非常好的参考书尽管出版于1975年。励建书老师曾在一个Summer School给同学们推荐过这本书. 但是我翻过感觉写的有点乱,不像一般的书,将这方面的理论分成local theory和global theory,一目了然! 还有一本不错的书是 R.Godement(法国人,Jacquet的博士生导师)写过一个比较薄的讲义 Note’s on Jacquet-Langlands’ theory 书中主要是把LNM114的重点内容讲了一边,比LNM114好读多了,就像在perface中作者说的那样,书名其实也可以叫做 Jacquet-Langlands’ theory made easy !这本书的缺点就是一般的图书馆都找不到,好像没有出版? 只是一个内部讲义!笔者最初就是从这本书学起的,一位非常认真的老师给仔细讲过。 可能很多人喜欢看, D.Bump Automorphic forms and representations 当然这是一本非常好的参考书。书里主要讲了 local and global theory (Jacquet-Langlands’ theory) for GL(2) 和 Rankin-Selberg Method ,“… but it less tightly organized and considerably longer ( 574 pages ) … ” . Rankin-Selberg method 和 Langlands-Shahidi method当然是研究automophic L functions的重要的解析方法。Rankin-Selberg method 也是 Bump 所擅长所偏爱的部分,书中就写的比较多。内容有点偏 (励建书语,呵呵). 另外著名的书就是 A . Borel W.Casselman Automorphic forms, Representations , L-functions PSPM vol. 33 (AMS上可免费下载)。 这是一个会议论文集,都出自大家之手,当然也是非常全面非常厚的。这本书可能是做这方面的数学家人手一册的必备参考书,让AMS 赚足了钱,后来就索性贴到网页上 online 。一位老师告诉我这是一辈子都有用的书 ^-^. 当然,初学者不可能也没必要从头读到尾,拣你喜欢感兴趣的看就行了。 还有两本非常新也是非常好的书 J.Bernstein S.Gelbart An Introduction to Langlands Program 这也是一个会议论文集,但不太厚,作者都是这方面的专家的,重要的是从最基本的基础讲起,也不需要太多的基础知识就能看的懂的 J.W.Cogell , H.H.Kim , M.R.Murty Lectures on automorphic L-functions 书中分了三部分分别讲述了Rankin-Selberg method and converse theorem,Langlands-Shahidi method 和applications of symmertic power L-functions to analytic number theory 三人都是这方面的专家。看看下面的介绍你就知道是一本非常好的书 This book provides a comprehensive account of the crucial role automorphic L-functions play in number theory and in the Langlands program, especially the Langlands functoriality conjecture.There has been a recent major development in the Langlands functoriality conjecture by the use of automorphic L-functions, namely, by combining converse theorems of Cogdell and Piatetski-Shapiro with the Langlands-Shahidi method. This book provides a step-by-step introduction to these developments and explains how the Langlands functoriality conjecture implies solutions to several outstanding conjectures in number theory, such as the Ramanujan conjecture, Sato-Tate conjecture, and Artin’s conjecture. It would be ideal for an introductory course in the Langlands program. 中文的可以看 黎景辉 二阶矩阵群的表示和自守形式 北京大学出版社。书中的内容偏少些,重要的Automorphic L-functions基本上没讲,但无论如何是一本不错的参考书。 还有一本不错的中文书是 李文卿 数论及其应用 北京大学出版社 书中也是统一处理数域和函数域的,前几章讲当代解析数论的基础内容,第七章讲的是classical的模形式,第八章automorphic forms相当把 LNM114 简要的叙述了一边。
5 算术代数几何 arithmetic algebraic geometry 是最近三四十年数论和代数几何相结合发展起来的一门学科.由P.Deligne,G.Faltings,A.Wiles最近二三十年的工作,显的尤其重要,也可能是在国外数论最热的方向。需要较多的预备知识,起码你要知道点 代数数论 (integers ring , discriminant and ramification , ideal class group ); 交换代数( Dedekind domains , discrete valuation rings) ; 代数几何( affine and projective curves , scheme theory ,Riemann-Roch theorm) . 我见过的这方面的书比较少,有一本是 D. Lorenzini An Invitation to Arithmetic Geometry GSM9 AMS ,这本书的优点是你不知道上面的内容也没关系,从头开始,最后证明了 Riemann Hypothesis for curves over finite fields,用的是 Bombieri 只用Riemann-Roch Theorem 给出的证明方法,可能对于要做这个方向的硕士生来说还是有点太简单吧。
另一本书 IAS/PARK CITY vol 9 Arithmetic Algebraic Geometry 是AMS组织的 summer school的讲义,总要讲了 Elliptic Curves,Open Questions in Arithmetic Algebraic Geometry,Galois Representations ,Serre’s Conjectures,Modular forms ,这辆本书可能会只使你对这个方向有个大致的了解吧!
GTM201 Diophantine Geometry spring-verlag 也应该是这方面的不错的书,但内容和难度都比上面两本书高一个层次的。偶的感觉! 如果真要从事arithmetic algebraic geometry这个方向的研究,个人认为A.Grothendieck同学搞的那些抽象的象天书一样东东早晚还是需要拿来仔细读的,但是厚厚的几大本有点bt的EGA,SGA是不是都要仔细读哪(三年未必能看完)?可能也是个仁者见仁智者见智的问题! 笔者当然没有看任何一本。 最後一段對閱讀 EGA SGA 有一些反對意見, 筆者也認為如此, 現在除了 Hartshorne 可以取代 EGA 一部分之外, 關於 Etale Theory 有 Milne 的 "Etale cohomology" 取代, 其他專題也有專書取代, 沒有必要一定去念法文. 算術幾何最重要的三個工作, 分別是 Deligne 證明的 Weil 猜想, Faltings 證明 Mordell 猜想, Wiles證明 費瑪猜想, Wiles 學生證明 Modularity 猜想. Silverman 有 Arithemetic of Elliptic curves 一二冊, 第一冊介紹橢圓曲線的基本知識, 第二冊有一些進階的內容, 比如 CM 曲線, Tate 曲線, Neron 模型. 兩本書寫的很基礎, 很值得對算數幾何有興趣的人一看. 筆者只唸過第一冊和第二冊的一點點, 感覺非常好. 上述的 Diophantine Geometry 也是 Silverman (銀人)的專著, 內容是 Roth 定理 和 Vojta 用估計方法重新證明 Mordell 猜想的內容, 其時寫得還可以, 但是內容不是如帖子中講的那麼深, 只要學過一點點袋鼠幾何就可以看了. 費馬問題有一本書 Modular Forms and Fermat’s Last Theorem by Gary Cornell, Glenn Stevens, and Joseph H. Silverman , 是一堆人合寫的好書, 把費馬問題的周邊問題一章一章的講了, 當然把 Wiles的證明也介紹了, 是相當難的書,但是很棒,值得下功夫. Algebraic Groups and Class Fields, Translation of the French Edition (Graduate Texts in Mathematics) by Jean-Pierre Serre 是早期的 函數體上類域論的書, 聽說很精采. Weil Conjecture的標準書就是上述的 Milne 寫的 Etale cohomology theory. 需要對 scheme 理論很熟悉, Hartshorne 整本書都應該看完而且習題作完才能讀這本書. Arithmetic Geometry by M. Artin, C.-L. Chai, C.-L. Chinburg, and G. Faltings 提到 Faltings 證明 Mordel 猜想所用到的各個分支, 書的結構也是一章一個步驟(專題), 讀完書可能會略知 Faltings 的證明大要 而且會知道更多的分支, 也需要 Harshorne 跟底 David Mumford 的 Abelien Variety 是介紹 Abelien Variety 的標準書, 需要Hartshorne 第二章的知識, 這本書寫的很好, 學幾何的話也可以參考其 1,2章來學 abelien variety和 cohomology and base change. 第三四章講 group scheme 和其 自同構環的算數,如果看的董會對學習數論很大幫助. Diophantine Approximation and Abelian Varieties: Introductory Lectures by Bas Edixhoven and Jan-Hendrik Evertse 是專門講Faltings 的証明, 把一些太抽象的方法用估計代替, 不需要多少袋鼠幾何, 但是一點 Abelien Variety 還是需要的. Lectures on Arakelov Geometry by C. Soulé, D. Abramovich, J. F. Burnol, and J. K. Kramer 是比較難的 Arakelov 理論的書, Arakelov 講算數曲面上的性質,所以需要相當多的袋鼠幾何. 另外 Introduction to Arakelov Theory by Serge Lang 是比較早的書. 這些書如果讀了(花個一兩年) 就可以進到算數幾何的最新研究領域, 對Falting 的證明也可以輕鬆掌握.
另外還有 Drinfeld module 的書 是函數體上的橢圓曲線的推廣, Crystalline cohomology 的書 (在下不知是什麼東東, 和 etale cohomology) 有關, 還有所謂 geometric langlands program 的書, 是現在挺紅的方向.. 但是在下認為算數幾何比純數論還美, 只是可以做的大問題比較少罷了..

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二十世纪的拓扑学

Posted by 宝水 on 一月 10, 2008

拓扑学在20世纪数学中占有核心的地位。布尔巴基学派的主将迪厄多内(J.Dieudonné)在1970年代中曾这样概括:“代数拓扑学与微分拓扑学通过它们对于所有其他数学分支的影响,才真正应该名副其实地称为20世纪数学的女王。”
  拓扑:加速发展的渗透性学科
  在拓扑学还是灰姑娘的时候,20世纪最伟大的数学家之一、规范理论的奠基者外尔(H.Weyl),已经多次强调抽象代数学和拓扑学是理解数学的两种途径,并论述拓扑学的奠基人黎曼和庞加莱工作的意义。但直到20世纪下半叶,通过本文介绍的12位菲尔兹奖获得者以及其他一些大数学家的工作,拓扑学才真正脱颖而出,成为数学发展的领头羊,把传统的数学领域——数论、代数、几何、分析加以改造,并推向一个全新的水平,而且还给理论物理、化学、生物科学、经济学甚至心理学带来意想不到的应用。这种成就是高斯的数学女王——数论与传统的前沿——分析所达不到的。
  20世纪下半叶获奖的12位数学家正好反映了拓扑学的蓬勃发展及其影响的扩大。他们是1954年获奖者塞尔(J.P.Serre),1958年获奖者托姆 (R.Thom),1962年获奖者米尔诺(J.Milnor),1966年获奖者阿蒂亚 (M.Atiyah)、斯梅尔(S.Smale),1970年获奖者诺维科夫(S.Novikov),1978年获奖者奎伦(D.Quillen), 1982年获奖者瑟斯顿(W.Thurston),1986年获奖者弗里德曼(M.Freedman)、唐纳森(S.Donaldson),1990年获奖者琼斯(V.Jones)、威滕(E.Witten)。
  值得注意的是,他们虽都因拓扑学上的成就获奖,但大都在其他数学领域乃至理论物理和哲学方面取得新的突破,而这正反映了拓扑学的地位。许多人是真正的数学大师,是当今数学界的领袖人物。
  这12位获奖者的工作显示出20世纪拓扑学的发展轨迹。在上半世纪,不仅建立了一般拓扑学的基础,还创立了拓扑学中相互关联的四大领域:(1)同调论,特别是同调论的公理化,引入上同调及上同调运算;(2)同伦论;(3)纤维丛和示性类理论;(4)拓扑变换群和不动点理论以及连续映射、可微映射、莫尔斯(M.Morse)理论等。可是对至关重要的球面同伦群的计算,到1940年代末只计算出一两个,算第三个同伦群时,前苏联著名数学家庞特里亚金(L.S.Pontrjagin)还出过错(他由此离开拓扑学领域)。这时,法国学派领导世界新潮流,在韦伊(A.Weil)、嘉当(H.Cartan)、勒雷(J.Leray)等老一辈数学家的指引下,新一代数学家迅速成长,最突出的有塞尔、托姆、吴文俊等人,正是他们在1940年代末和1950年代初成就了拓扑学的辉煌时期,对于5维和5维以上的流形拓扑学取得重大突破。然而对于低维(特别是3维及4维拓扑学)却无能为力。在 1970年代中,拓扑学进入一个低潮。
  不久,瑟斯顿、弗里德曼分别在3维和4维拓扑学上取得突破,这与物理学有着不可思议的关系,拓扑学进入第二个黄金时期。这也从获奖者获奖时间明显划分出来,前7位主要研究高维拓扑,而后5位则研究低维拓扑。
  高维拓扑学的辉煌成就
  第一位因拓扑学方面的成就荣获菲尔兹奖的是塞尔,他也是迄今为止最年轻的获奖者,获奖时还不满28周岁。塞尔1926年9月15日生于法国南部巴热,在七八岁时就喜欢数学,11岁到尼姆上中学,14岁开始看微积分。1944年参加中学会考,获数学第一名。1945年考进高等师范学校,1948年毕业。 1948—1953年在国家科学研究中心任实习研究员,1951年获博士学位。1953年升任助理研究员,1954—1956年到南锡大学任数学系讲师。 1956年,30岁的塞尔成为法兰西学院代数和几何讲座教授,1994年成为荣誉教授。
  塞尔在1951年的博士论文里把同伦论发展到新的高度,开拓了拓扑学广泛的应用前景。他首先攻克球面同伦群计算的大难题,证明有限性定理,证明除了两个无穷系列之外,其他同伦群都是有限阿贝尔群,还发展一些新方法来计算它们。在取得拓扑学的突破之后,他把拓扑学的方法成功应用到其他数学领域并取得一系列成就。首先是同嘉当在多复变函数论上利用勒雷的层的观念取得划时代的成果,证明定理A,B,发展斯坦因(K.Stein)空间理论。他独立证明代数几何和复解析几何的相似性,他的论文以GAGA著称。他还发展了同调代数学,简单说就是应用拓扑方法来研究抽象代数。他取得同调代数学的首批重大结果,而这是用抽象代数方法得不到的。这又一次显示拓扑方法的成功。最后,他的兴趣转向数论,也是引进一系列的拓扑方法,特别是伽罗瓦上同调,成为解决问题的有力工具。
  塞尔的工作博大精深,在解决大问题上也毫不逊色。在1994年英国数学家怀尔斯(A.Wiles)成功证明费尔马大定理的过程中,关键一步便是证明塞尔的 ε猜想,这里的ε表示塞尔大猜想的一个极小部分。他的论文在1986年已收集成《全集》3卷,1985—1998年的论文收集成第4卷于2000年出版,其中不乏经典之作。他获得许多荣誉,包括法国科学院院士和美国科学院外籍院士,英国伦敦皇家学会外籍院士。他还荣获2000年度沃尔夫奖和1985年巴尔赞(Balzan)奖。他出版十几种论述性著作,论述清楚明白深入浅出,为此获得美国数学会斯蒂尔(Steele)奖中的论述奖。
  托姆于1923年9月2日生于法国蒙特利亚尔。1943年进入高等师范学校,1946年毕业后到斯特拉斯堡大学,跟随嘉当和埃雷斯曼(C.Ehresmann)读博士,在这里他结识了吴文俊并受到吴的影响。1951年他写出博士论文“球丛空间及斯廷罗德(Steernod)平方”,获得国家博士学位,其后两年去美国访问,1953年回国后任格林诺布尔大学讲师,1954年回斯特拉斯堡大学任讲师,1957—1963年任教授。1964 年到巴黎高等科学研究院任数学教授,1988年退休。
  托姆的获奖工作主要是1954年发表的配边理论。配边是流形间的一个等价关系,两个n维流形称为配边,如果它们共同构成一个n+1维流形的边。流形按配边关系划分成等价类,这些等价类构成一个阿贝尔群Nn。而各维的群构成一个分次环N。托姆的功绩在于完全定出N的结构并定出其生成元。其中关键定理是Nn与托姆复形的同伦群同构。他还把配边理论推广到定向流形,并且得到相应的结果。这个漂亮的工作不仅引出一系列新配边理论,而且对数学产生冲击性的影响。
  利用托姆的配边理论,德国数学家希策布鲁赫(F.Hirzebruch)证明了高维代数的黎曼-洛赫定理,米尔诺证明了7维球面上有多种微分结构,阿蒂亚和辛格(I.M.Singer)给出指标公式最早证明。托姆其后发展了奇点定理,并提出突变理论,引起了轰动。突变理论系统论述于1972年出版的《结构稳定性与形态发生》一书中。这时他的兴趣转向生物学、语言学和哲学,并建立“语义物理学”。1989年《语义物理学概要》出版,提出他的一套科学哲学体系。托姆是法国科学院院士。
  米尔诺1931年2月20日生于新泽西州奥兰治,中学时期就是数学竞赛的优胜者。1948年进入普林斯顿大学学习,1951年毕业,1954年获博士学位,后留校任教,1956年任教授,1962年任亨利·帕特曼讲座教授。1968—1970年任麻省理工学院教授。1970年任普林斯顿高等研究院数学教授。1989年起任纽约州立大学石溪分校数学科学研究所所长。
  米尔诺的工作继续托姆对于定向配边群的确定,并推广到复配边、酉配边、自旋配边等理论的研究。1956年他证明7维球面上存在多种微分结构而引起轰动,由此开创微分拓扑学的新纪元。接着他与瑞士数学家刻维尔(A.Kervaire)得出高维球面上微分结构群的结构,他提出的换球术成为研究高维流形的基本方法。1964年他证明微分流形的切丛和庞特里亚金示性类不是拓扑不变量。他在1961年首先举出主猜想的反例,系统建立怀特海(J.H.C.Whitehead)扰元理论,同穆尔(C.C.Moore)建立的霍普夫(H.Hopf)代数是量子群的原型。其后,他的工作涉及微分几何学、动力系统理论、代数K理论、二次型理论、代数数论等等,尤其在复超曲面理论、迭代映射等多方面有重大贡献。他是美国科学院院士,曾获美国国家科学奖章(1966),1989年获沃尔夫奖。
  阿蒂亚1929年4月22日生于伦敦。1949年入剑桥三一学院学习,1952年毕业,1955年获博士学位,1954—1958年任研究员,1958— 1961年任讲师。1961年去牛津大学任高级讲师,1963—1969年任塞维尔几何讲座教授。1969—1972年任美国普林斯顿高等研究院数学教授。1973年回牛津任皇家学会研究教授。1990年回剑桥任三一学院院长。
  阿蒂亚的最重大贡献是同辛格在1963年证明了指标定理,把拓扑不变量通过解析不变量来表示。由这个定理可以推出许多数学上的重要定理,其证明也涉及数学上诸多领域,特别是偏微分算子和他参与建立的K理论。K理论是第一个重要的广义上同调理论,有广泛应用,英国拓扑学家亚当斯(J.Adams)曾用来解决球面上独立向量场的数目问题。到1970年代阿蒂亚启动新一轮研究,即规范理论和拓扑与几何关系,进而导致20世纪最后25年低维拓扑及几何和理论物理如量子场论与弦论的奇妙关系的发现,它把拓扑、几何和物理都带到一个全新的境界。
  阿蒂亚是英国伦敦皇家学会会员,美国国家科学院和法国科学院外籍院士,1983年获爵士称号。1990—1995年任皇家学会会长,1990年他任新建牛顿数学科学研究所首任所长,在这些位置上对科学政策、教育与研究方向发挥重大作用。
  斯梅尔1930年7月15日生于密歇根州弗林特。1948年入密歇根大学学物理,后转为数学,1952年毕业,1953年获硕士学位,1956年获博士学位。其后在芝加哥大学任讲师,并在普林斯顿高等研究院作研究,1961—1964年任哥伦比亚大学教授,1964年起任加利福尼亚大学伯克利分校教授, 1998年任香港市立大学教授。
  斯梅尔早期工作是关于流形的浸入问题,特别是他发现了不弄破球面而把里面翻到外面的方法。他最大的成就是证明5维及5维以上的庞加莱猜想,即一个与Sn (n维球面)具有相同同调群的单连通闭n维流形一定与Sn同胚(n≥5)。而原来n=3的庞加莱猜想至今尚未解决,成为21世纪最大难题之一(众所周知,这个难题已经被Perelman所解决)。1960年以后他开始研究微分动力系统,通过拓扑方法奠定这门科学的理论基础,这理论其后获得飞速发展(如混沌理论)。他还研究数理经济学、计算复杂性理论、非线性泛函分析以及在物理学、生物学等方面的应用,成为当代最有影响的数学家之一。他获得过多种荣誉,如1965年获美国数学会维布仑(Veblen)几何学奖。1970年,他当选为美国国家科学院院士。
  前苏联数学家诺维科夫1938年3月20日生于高尔基城,父母都是杰出的数学家。1955年进入莫斯科大学数学力学系学习,1960年毕业后到数学研究所当研究生,1964年获副博士学位,1965年获博士学位,其后回莫斯科大学任教授。1971年以后,他转向理论物理,任科学院理论物理研究所数学室主任。到戈尔巴乔夫时代,他才获准出国访问,1992年后定期在美国马里兰大学任教。
  诺维科夫在1970年获奖之前工作方向主要是拓扑:研究稳定同伦群的计算以及复配边理论,证明3维流形上余维1的叶状结构一定存在紧叶。他最大的贡献是证明单连通流形有理庞特里亚金示性类的拓扑不变性(注意:庞特里亚金示性类不是拓扑不变的!),还对5维及5维以上单连通光滑流形进行微分同胚的分类。他引入高阶符号差并提出诺维科夫猜想,推动了其后拓扑学的发展。1971年以后他研究数学物理学,特别是研究弧子解的周期性及其与黎曼曲面和θ函数的关系,完全可积系统的哈密顿力学,量子力学与量子场论中一些拓扑不变量等。诺维科夫早在1966年就当选为苏联科学院通讯院士,1981年当选为院士,1994年被选为美国科学院国外院士。
  奎伦于1940年4月22日生于美国新泽西州奥兰治。1961年大学毕业后到哈佛大学随拓扑学家博特(R.Bott,也是斯梅尔的博士导师,2000年沃尔夫奖获奖者)做博士论文,1964年获博士学位。此后他一直在麻省理工学院任教,1971年起任教授。他是美国科学院院士。
  奎伦的工作继续前人的工作:首先在米尔诺和诺维科夫的复配边理论中,发现其结构与形式群的关连,其后解决拓扑K理论的亚当斯猜想,在同伦理论中引入有理同伦理论及其重要工具,微分分次代数(DGA)以及极小模型。他的巨大贡献在于运用拓扑思想解决代数及其他领域中的问题,其中最重要的是系统建立代数K理论,现在已成为庞大分支。另一个重要成就是证明塞尔的猜想:多项式环上的射影模必是自由模。正如前面几位大师一样,奎伦最近的研究也与物理有关,这涉及当前的热门:黎曼曲面的参模空间,其上的向量丛等等,它们与规范理论***论有关。
  低维拓扑学的振兴
  瑟斯顿于1946年10月30日生于华盛顿。1967年在佛罗里达州的萨拉索塔新学院获生物学学士学位,后去加利福尼亚大学伯克利分校读数学研究生, 1972年获博士学位。在麻省理工学院工作一年,1973年任普林斯顿大学教授。1992—1997年任伯克利数学科学研究所所长,其后到加利福尼亚大学戴维斯分校任教授。
  瑟斯顿的主要贡献是闭3维流形的分类。他把3维流形分解为“素”流形的连通和,然后提出一个分类纲领,即每一种素流形都具有8种几何结构的一种,他完成了这个纲领的大部分。他还对泰希米勒空间、克莱因群、动力系统等理论得出重大成果,在拓扑学方面对叶状结构理论以及证明史密斯(P.Smith)猜想做出贡献。他是美国科学院院士,获得1976年美国数学会维布仑奖。
  弗里德曼1951年4月21日生于洛杉矶,1968年在伯克利分校读一年之后,去普林斯顿大学读博士,1973年获博士学位,其后在伯克利任讲师。 1976年到加利福尼亚大学圣迭戈分校任助理教授、副教授,1982年起任教授。1984年当选为美国科学院院士,1987年荣获美国国家科学奖章。
  弗里德曼的主要贡献是打破4维流形的禁区,在1981年率先证明了4维庞加莱猜想,而且完成4维单连通流形的拓扑分类,他的主要结果是任何整系数公模二次型都是某4维流形的交截形式。他的工作直接影响唐纳森进一步的结果。到1990年代,他的方向转向应用拓扑学与物理学,特别是等离子体物理和磁流体力学。
  唐纳森于1957年8月20日生于剑桥。1976年入剑桥大学彭布罗克学院学习,1979年毕业。1980年到牛津大学伍斯特学院读研究生,1983年获博士学位,其后在牛津大学万灵学院任初级研究员。1985年以后任牛津大学沃利斯(Wallis)数学讲座教授。
  唐纳森的数学工作紧随弗里德曼。他证明光滑单连通4维流形如具有正定交截形式,则可以化为整数系数的对角形式。结合弗里德曼的工作,由此得出惊人结果:4 维流形上可以存在不同的微分结构。尤其是4维欧氏空间上存在着不可数无穷多种微分结构。更令人惊异的是他的结果建筑在拓扑与规范理论的奇妙的联系之上,这引发后来不可思议的发展。
  琼斯于1952年12月31日生于新西兰吉斯伯恩。1970年入奥克兰大学,1973年毕业。1974年到瑞士日内瓦进修,先学两年物理,后来师从拓扑学家黑富利格尔(A.Haefliger)学数学,1979年获博士学位。1975—1980年间同时任日内瓦大学助教。1980年赴美,1981年在宾州大学任教,1985年起任加利福尼亚大学伯克利分校教授。
  琼斯的重要贡献在于引入分类纽结与链结的不变量——琼斯多项式。从1928年美国拓扑学家亚历山大(J.Alexander)得出分类纽结的亚历山大多项式以来,这一领域50多年进步不大,直到1984年琼斯得出他的多项式。有趣的是,他是通过冯·诺伊曼(J.von Neumann)代数来构造多项式的,这种联系完全难以想象。琼斯多项式在一两年内得到快速推广,先后得出HOMFLY多项式和考夫曼(L.Kauffman)多项式,最后得到瓦希里耶夫(V.Vassiliev)不变量。几年之内,纽结理论成为一大热门。琼斯多项式的意义还不限于纽结理论,它与3维拓扑学以及物理领域有密切关系。
  威滕于1951年8月26日生于马里兰州。他在布兰迪斯大学学习历史和经济学,1971年毕业,曾参加1972年总统竞选事务。其后到普林斯顿大学学习物理,1974年获硕士学位,1976年获博士学位。而后在哈佛大学作研究工作,1980年任普林斯顿大学物理教授。1987年起任普林斯顿高等研究院物理教授。
  威滕物理学家的身份曾引起许多数学家对他数学工作的疑虑,但阿蒂亚据理力争,他认为很少数学家具有威滕的数学能力。威滕的目标是建立大统一理论,他的方法很大程度是拓扑的,特别是他对莫尔斯理论、德·拉姆(de Rham)和霍奇(Hodge)理论,尤其是指标定理给出新的表述及证明。他给出威滕不变量,结果以琼斯不等式、弗洛尔(A.Floer)不变量和唐纳森不变量为其特殊情形。1990年代威滕的工作更为辉煌:一是在1994年同塞伯格(N.Seiberg)引入塞伯格-威滕不变量,这通过解线性方程可以计算的不变量使得过去许多不变量相形见绌。二是在1998年建立M理论、统一不同形式的弦论成为完整的框架。他已经发表200多篇论文,被誉为当代最有影响的物理学家之一。追根溯源,这些都来自拓扑学的威力。

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