大宇之形9787535794482

序曲

从柏拉图到宇宙未来的形貌

在伟大的前科学时代，柏拉图就指出，我们所见的世界，只是这个不可见几何形体的反映罢了。这个观念深得我心，也和我知名的数学证明紧密相关。

　　　　神以几何造世。——柏拉图

　　大约公元前360年，柏拉图（Plato）完成了《蒂迈欧斯篇》（Timaeus），这是一篇以对话形式呈现的创世故事，对话者包括他的老师苏格拉底（Socrates）以及其他三位贤者：蒂迈欧斯、赫谟克拉提（Hermocrates）、克里底亚斯（Critias）。蒂迈欧斯应该是个虚构的角色，据说他从南意大利的洛克利城来到雅典，是一个“天文学专家，志在理解大自然的本质。 ”通过蒂迈欧斯之口，柏拉图陈述了自己的万有引力理论（theory of everything），其中的核心角色是几何学。

柏拉图尤其着迷于一组几何形体，这组特别的多面体也从此被称为“柏拉图立体”。这些多面体的各面是全等的正多边形，例如正四面体的四个面是全等的正三角形；正六面体（俗称的正方体）是六个全等的正方形；正八面体是八个正三角形；正十二面体是正五边形；正二十面体则又是由二十个正三角形构成。

柏拉图并不是这些以他为名的立体的发明者，事实上没有人确实知道发明者是谁。不过一般相信是柏拉图的当代学者泰阿泰德（Teaetetus）证明了这五种“正多面体” 的存在，并且就只有五种。欧几里得在《原本》（The Elements）一书中，为这些几何形体给出详细的数学描述。

柏拉图立体有许多迷人的性质。检视任一种正多面体可以发现，与每一顶点（尖角的点）相邻的多边形数目都一样多；每个多边形的各角都一样大；可以找到一个圆球通过所有的顶点（一般多面体并没有这个性质）；而且，顶点的数目加面的数目等于边的数目加2。

柏拉图赋予这些立体形而上学的意义，这也是他的名字与这些立体永远牵连的原因。事实上，根据《蒂迈欧斯篇》的内容细节，正多面体是柏拉图宇宙论的根本要素。在他宏伟的万物架构里，宇宙有四种基本元素：土、气、火、水。如果检视这些元素的微小细节，就会发现它们是由微小的柏拉图立体构成的：“土”由小正方体构成；“气”由正八面体构成；“火”是正四面体；“水”是正二十面体。关于正十二面体，在《蒂迈欧斯篇》中柏拉图写道：“还剩下一种构造，第五种元素，上帝用于整个宇宙，编织各种物象于其上。 ”

受益于两千多年来的科学发展，现在看来柏拉图的猜想当然很可疑。虽然，今日我们对于宇宙的基本构造元素并没有一致的结论，后被证明为正确的，或许是轻子与夸克，也许是理论上的次夸克粒子“先子”（preon），又或者是还在理论阶段却更微小的“弦”，不过我们很确定，并不是把土、气、火、水编织在巨大的正十二面体上而已。我们也不相信，仅仅由柏拉图立体的形状就能决定这些基本元素的性质。

话说回来，柏拉图从未宣称他完成了大自然的确定理论，他认为《蒂迈欧斯篇》只是“可能的解释”，是当时所能得到的见解，并且承认他之后的学者，尽可以去改良他的理论，甚至是大幅修改。就像蒂迈欧斯在他的对话中说的：“如果有人测试我的宣告，发现并非事实，我们将恭贺他获得荣耀。 ”

柏拉图的想法无疑有许多错误，但从宽广的角度审视他的思想，柏拉图显然也有正确的地方。这位卓绝的哲学家在承认他可能犯错，但以他的观念为本的理论却可能成真时，展露了或许是的智慧。举例来说，正多面体具有高度对称性，正十二面体和正二十面体有60种不改变其呈现的旋转方式（60恰巧是其面、体边数的两倍的事实，并非偶然）。当柏拉图以这些形体作为宇宙论的基础时，他正确地指出了：任何企图描述大自然的可行理论中，对称性必须是它的核心性质。如果想要构筑万有理论，统一所有的作用力，而且所有构成要素只需遵守一两组法则，我们就必须发现潜藏其中的对称性，因为这是足以生发万物、以简驭繁的法则。

显然地，这些形体的对称性质直接源自其几何形状。这是柏拉图的第二个重要贡献：除了理解数学是测度宇宙的关键之外，他提出了今日所谓物理几何化（geometrization of physics）的思考理路，就像爱因斯坦所促成的大飞跃一样。在伟大的前科学时代，柏拉图就指出大自然的元素与其性质，还有作用其上的力，可能都可归源于某个潜藏于幕后的几何结构，它主导了这一切。换句话说，我们所见的世界，只是这个不可见几何形体的反映罢了。这个观念深得我心，也和我知名的数学证明紧密相关（对于曾听说过我名字的人而言）。虽然有些人可能觉得这太牵强，只是大张旗鼓为几何宣传罢了，但是，这个想法或有真意，各位不妨拭目以待，静心阅读下去。

广义相对论研究巨大尺度的物体──例如星体、甚至整个宇宙；量子力学研究甚至整个极小尺度的奇妙现象──如原子世界。弦理论 (String Theory) 则企图成为两者间的桥梁。
　　从微细的“弦”振动开始，弦理论认为我们生活在一个十维的世界中，其中四维是我们日常生活感知的时空，另外六维呢？物理学家发现，1976年出现的“卡拉比-丘流形” (Calabi-Yau Manifolds)，一个纯粹的数学几何结构，正好可以用来刻画六维空间的內在形状！
　　本书中，丘成桐细说从古希腊时代柏拉图等几何学家、到爱因斯坦、卡拉比以及丘成桐自己的研究、他对几何学未来的看法等等；敘述了他几十年來所有成就的来龙去脉以及心路历程。读者可以深切了解近代数学和物理学研究的重要进展，更体会到*流科学家的研究精神。