
亚历山大·柯罗滕迪克(1928—2014),生在柏林,一生大半时间没有国籍。父亲是从乌克兰逃出来的无政府主义者,母亲是汉堡的记者;父亲 1942 年死在奥斯维辛,母亲 1957 年病逝于蒙彼利埃。他没有上过完整的中学,却在三十岁那年把整个代数几何重写了一遍——不是添几条定理,是换掉「空间」这个词的意思。
他一生做了三件事。第一件造空间:把「方程的解集」换成「环上的空间」,取名概形;解集丢掉的厚度(重数、无穷小邻域)在概形里被找回来了。第二件立法:造出层与上同调,让「局部拼成整体」这件事第一次可以计算,并把有限域上数点的难题变成一道算迹的题。第三件换世界:把「什么叫做覆盖」重新定义,得到一个叫拓扑斯的东西——一个自带逻辑的世界。
明线三样:概形(空间由环长出来,点可以是素理想)、层(每块小地方给一份数据,重叠处必须对得上,对不上的部分由上同调记账)、拓扑斯(换一套覆盖,就换一套逻辑,换一套「什么算证明」)。
暗线一句:把海抬高。他讲过两种做数学的办法:一种拿锤子凿子正面砸,一种把问题泡进海里,等它自己软。他一生选后一种。本册五幕都在写这行手艺,以及它最后把他带到了哪里。
五幕:第一幕讲柏林的孩子与南锡的十四个问题(p.6—p.12);第二幕讲 1958 年之后那张叫概形的纸(p.13—p.19);第三幕讲层、上同调与韦伊猜想的账(p.20—p.26);第四幕讲拓扑斯与 1970 年那封辞呈(p.27—p.33);第五幕讲山里的二十四年与两万八千页手稿(p.34—p.40)。
三层读法照旧:故事层无需预备知识;数学层只用到加减乘除、乘方、同余与几张小表(p.7—p.9、p.14—p.16、p.21—p.23、p.28—p.30、p.35—p.37),每一步都从头算起;注疏层给出原文、版本与研究文献,逐页可查。
先看家世。1928 年 3 月 28 日,他生在柏林。父亲亚历山大·沙皮罗 1890 年生于乌克兰的新济布科夫,是俄国的无政府主义者:1907 年被沙皇政府判过死刑,因年幼改判终身苦役;1917 年革命放他出来,几年后又被新的政权判了死刑,于是化名辗转逃到柏林。母亲汉卡是汉堡人,做记者。两人在柏林的无政府主义者圈子里认识,一直没有结婚。
他的出生登记上写着另一个姓。母亲当时还与一位记者有婚姻关系,所以他最初登记的名字不是父亲的姓。这件事后来没有更正过——他一生有过好几个名字,也有过好几个祖国,可没有一个是他自己挑的。
1933 年,父亲先走。纳粹上台,一个俄国来的犹太无政府主义者留在德国等于等死。父亲夏天逃到巴黎,没有跟孩子告别。1934 年初,母亲把他交给汉堡一位路德宗牧师家里寄养,自己去了巴黎。他在那户人家住到 1939 年,说德语,上德国学校,以为自己是德国孩子。
1939 年 5 月,他被送上开往法国的火车。到法国没几个月,父亲被当作敌国侨民关进比利牛斯山下的韦尔内集中营;1942 年 8 月,维希政府把他交给德国人,经德朗西转往奥斯维辛,死在那里。同一时期,他与母亲被关进芒德附近的里约克罗斯集中营——那是一座关「不受欢迎的外国人」的营地。他在营里长到十四岁。
1942 年冬,德军占领南部自由区,营地关闭。母亲被转往居尔营,他被送到利尼翁河畔的勒尚邦——那是一个新教村子,1938 年办了一所塞文中学,专门收难民孩子,把不少犹太少年藏了下来。他在那里读完中学,1945 年通过会考。1990 年,这个村子被整体记为「国际义人」。
数学是从这所学校开始的。他后来说,自己第一次对数学发生兴趣是在塞文中学,因为那里的老师肯让他一个人待着想问题。这句话很重要:他一辈子做数学的方式,就是一个人待着想,想到一个更自然的地方去。
下一页,把这一册要处理的两座山摆上桌:一座叫解方程,一座叫看空间。
本册要处理两座山,它们看着毫不相干:一座叫解方程,一座叫看空间。
先说解方程。一个方程有多少个解,取决于允许答案落在哪个世界里。整数里,两个平方相加等于一,解是(一,零)、(零,一)、(负一,零)、(零,负一)四个——这就是勾股数那一类东西的起点。换成「两个平方相加等于三」,整数里一个解也没有:模三一看,平方只可能是零或一,两个平方相加要等于三的倍数,只能两个都是零,于是三能整除两个未知数,把三约掉又回到原处,可以一直除下去,矛盾。
同一个方程,换个世界就有答案。模三的世界里,(零,零)是一个解;模九的世界里又没有解了。答案的有无,随世界而变,而且变得有规律——这个规律后来成了一门学问。
再说看空间。从古希腊起,空间是「点与点之间可以量距离」的东西。十九世纪以后,空间可以是函数、是算子、是拓扑;到了代数几何,空间成了「一堆多项式的公共零点」。坐标一写,几何变成代数,这是十七世纪以来最有效的一招。
可坐标也遮住了东西。一写坐标,就得挑一组基;挑了什么基,就看不清哪些性质跟基无关。更麻烦的是:零点集会把「重数」丢掉。圆与直线相切,只有一个交点,可按照次数的账,它应该是两个——多出来的那一个,在零点集里根本没有位置。
两座山之间原来只有一条窄路,叫坐标。他要做的,是把两座山合成一座:不要坐标,不要零点集,直接说「一个环就是一个空间」。这句话听着像换说法,其实是换地基——点不再是点,而是环里的一个理想;相交不再是求公共解,而是做张量积;重数不再是极限,而是环里一个平方为零的元素。
下一页,先把这三样东西摆出来:一张纸、一张网、一个世界。
本册要处理三样东西,三样看起来毫不相干:一张对折过的纸、一张细线织成的网、一个闭合的圆环。
第一样,纸。概形。一张纸可以折,可以剪成几块再粘回去。概形就是这种「粘起来的东西」:每一小块是一个环的谱,块与块在重叠处按同构对齐,对齐之后就成了一整张。它比曲面宽松得多——同一张纸上可以有一整条「加厚的线」,那上面的点带着一层看不见的厚度。
第二样,网。层。层不是空间上的一个函数,是「每块小地方给一份数据」的规矩。给一块地方一份数据,给更大的地方另一份,两份在重叠处必须对得上。像一张网:每个网眼挂一个数,网眼之间有线拉着,线一拉紧,整体的形状就定了。
第三样,圆环。拓扑斯。把一个环的内外两侧粘起来,就得到一个新的面——它局部看着跟平面一样,整体却不一样。拓扑斯做的是同一件事:把「什么叫做覆盖」重新规定一遍,就得到一个新的世界;在这个世界里,「存在」「或者」「非」这些词的意思都变了,连「一个东西要么是这样要么不是这样」也不再自动成立。
三样东西有一个共同点。它们都不问「这个对象长什么样」,只问「它能被怎样拼起来」。纸问的是块与块的胶水,网问的是眼与眼的线,环问的是覆盖的方式。本册给这份手艺的概括,一句话:把海抬高。
先看第一幕:一个在葡萄园里干活的学生,怎样在几个月内做完了十四道难题。
1945 年,他与母亲搬到蒙彼利埃城外的迈萨尔格,同年进蒙彼利埃大学。他成绩不好:天文学挂过科,课上的东西他嫌讲得浅。可他在图书馆里自己琢磨出一套测度的理论,写给老师看,老师说这是勒贝格十几年前做过的东西。他不知道,是因为没人告诉过他——战争把他的中学断掉了,他缺的不是脑子,是书目。
那几年他靠两份钱过活:一份是奖学金,一份是葡萄园里打短工。他一直没有法国国籍,因为入籍就要服兵役,而他不肯当兵。出门用的是一本南森护照——那是给无国籍者的旅行证件。这件事他从十几岁坚持到四十三岁,代价是一辈子在填表时不知道「国籍」那一栏该写什么。
1948 年他去巴黎,听嘉当的讨论班,听不懂。嘉当讲的是当时最前沿的拓扑与层,他连术语都没见过。嘉当与韦伊给了他一个建议:去南锡,找迪厄多内与施瓦茨,那两人正在做他感兴趣的那一块——拓扑向量空间。
南锡给了他一个考试。两位老师刚写完一篇论文,末尾列了十四个没解决的问题,本意是让这个新来的学生挑一个,够做几年。几个月后他回来了,十四道全做完了。据在场的说法,两位老师先是以为他搞错了题目,后来越看越沉默。
1953 年,他把这些结果写成博士论文,题为《拓扑张量积与核空间》。这篇论文让他一下子成了那门学问的顶尖专家,可它同时暴露了他的方法:他不是把那十四道题一道道解开的,他是先造了一套语言,让十四个问题一起变成一个问题的四种变形。语言一造好,题目自己就散了。
这套方法的代价在当时还看不出来。造语言的人在同行眼里是「把简单的事说复杂」;要等十年、二十年,等别人不得不用他的语言时,账才算清。他后来一辈子都在付这个代价——书越写越厚,读者越来越少。
下一页先算一件最笨的事:一条曲线在有限的世界里有几个点。
先造一个最小的世界。取一个素数 p,只看零到 p−1 这 p 个数,加减乘都照做,结果除以 p 取余数。除法也能做,只要除数不是 p 的倍数。这样得到的东西叫有限域,记作 Fp。它是能算的世界里最小的那种。
第一个例子,射影直线。一条直线上加一个「无穷远点」,就是射影直线。在 Fp 上它有几个点:p 个普通的,加一个无穷远的,一共 p+1 个。p=2 时三个,p=5 时六个。这条账简单到不像数学。
第二个例子,圆。方程 x2+y2=z2 在射影平面上画出一个圆。它在 Fp 上有几个点,可以一个个数:p=3 时四个,p=5 时六个,p=7 时八个,p=11 时十二个,p=13 时十四个。每个数都正好是 p+1。
为什么总是 p+1,有一条不用逐个数的算法。从圆上一点(负一,零)出发,画一条斜率为 t 的直线,它与圆的另一个交点由公式给出:x=(1−t2)/(1+t2),y=2t/(1+t2)。t 取遍 Fp 里的 p 个值,再加一个「斜率无穷大」,一共 p+1 个;每个 t 恰好给一个点,一个不多,一个不少。
有一个细节值得一提。公式里的分母 1+t2 可能为零,这时那个 t 对应的点跑到无穷远去了。p 除以四余一时,负一是平方数,有两个 t 使分母为零,圆上就有两个无穷远点,普通的点少两个;p 除以四余三时没有这样的 t,圆上没有无穷远点,普通的点多两个。p=5 是前一种,p=7 是后一种,两种情形加起来都是 p+1。
这条「p+1」不是巧合。它说明:一个几何对象的点数,由它的「形状」决定,而不由方程的写法决定。圆与直线在射影平面上是同一种形状(都叫亏格零),所以点数一样。这句话要成为定理,得先有 p.14 那个叫概形的东西。
看一个没有解的方程。x2+y2=3,整数里一个解也没有。证明只用一句话:模三看。平方数模三只能是零或一,两个平方相加只能是零、一、二;要等于三的倍数,只能是零加零,于是三同时整除 x 与 y。既然三整除两个未知数,就把三约掉,方程变成同一个形状,可以再约一次,一直约下去。
这个论证的形状值得看清。它没有造出任何东西,它只是指出:如果有一个解,就能造出一个更小的解,而整数不能无限变小。这类论证叫无穷递降。它的力量在于「不必知道解在哪」,只要知道解不能在哪。
换一个世界,答案就变了。模三:x=y=0 就是一个解。模九:又没有解了。平方数模九只有零、一、四、七四种,两两相加能得到的余数里,独独没有三与六。所以这个方程在模九的世界里无解。
把「世界」换得更细,会出现更奇的事。取三个方程连乘:(x2−2)(x2−17)(x2−34)=0。在实数里它有解(二的平方根)。在每个素数处的「p 进数」世界里,它也总有解:三个勒让德符号相乘等于一,不可能三个都是负号,所以总有一个是平方;p=2 时 17 也是平方。可它在有理数里一个解也没有——2、17、34 都不是有理数的平方。
这就是那个有名的分裂:在每一个「局部」世界里都有解,在「整体」世界里没有解。局部是逐点看的,整体是一次看的;两者之间原来并不自动相通。
于是有一个问题浮出来。什么时候「局部处处有解」能推出「整体有解」。对单个二次方程,答案是能(这条定理叫哈塞—闵可夫斯基);对上面这个由三个二次方程拼起来的东西,答案是不能。区别在哪:前者是一个整体,后者是三个整体拼起来的,拼缝处没有胶水。
「胶水」这个词,是这一册往后所有内容的种子。层把胶水说清楚,上同调把粘不上的那部分记下。下一页,先把「解集」换成「环」。
看一个「丢东西」的例子。圆 x2+y2=1 与直线 y=1 相切,交点只有一个:(零,一)。可按次数的账,一次与二次的曲线应当交两个点。少的那个去哪了。
把它算出来就看见了。把 y=1 代进去,得 x2=0。这个方程有一个解 x=0,可它是「二重」的:x2 有两个根,都落在零上。零点集只看得见「落在零上」,看不见「有两个」。
换一个看法,重数就回来了。不要看零点集,看「这些方程定义的函数」构成的那个环。平面上的函数是二元多项式,全体记作 k[x,y];一条曲线由 f=0 定义,就把 f 放进分母(确切说,取商环)。两条曲线相交,就把两边的方程都放进去。圆与直线交出 k[x,y]/(x2+y2−1, y−1),它同构于 k[x]/(x2)。
这个环有多大,可以量。把它看成 k 上的向量空间,基是两个元素:一与 x。维数是二。这个二,就是相交重数。零点集给的是一,环给的是二——多出来的那一份,正是被零点集丢掉的东西。
于是有了一条新路。「点」不必是坐标,可以是「环里的一个极大理想」;「空间」不必是点的集合,可以是「一个环」。在复数上看,极大理想与点一一对应,两种说法没有区别;换到别的域上,区别就大了。
举一个区别的例子。在 F3 上,多项式 x2+1 没有根(零、一、二代入分别是 1、2、2),所以它不可约,它生成一个极大理想。按「零点」的算法,这条曲线上一个点也没有;按「理想」的算法,它恰好有一个点。这一个点代表的是「一对共轭的点」——要扩到九元域,它才裂成两个。
一句话:点是「一个位置」,位置本身可以带着内部结构;零点集只看得见位置,看不见结构。把结构保住,才能谈重数、谈厚度、谈「无穷接近」。这是概形要解决的第一件事。
暗线第一笔,落在这个动作上:把海抬高。
他自己讲过两种做数学的办法。一种叫锤子与凿子:认准一个猜想,正面砸,砸开为止。另一种叫涨潮:不去砸,把整个问题泡进水里,让水慢慢渗进去;海面看不见地在升,忽然有一天,核桃自己就软了。
这两种办法的差别不在勤奋,在对象。锤子对付的是「一个具体的问题」,涨潮对付的是「一类问题的地形」。地形一改,原来立着的那块石头就被水淹了——问题不是被解开的,是被取消的。
第一笔的证据在 p.6。南锡的十四个问题,他没用十四种技巧,他造了一套语言(核空间与张量积),十四个问题成了同一个定理的十四个侧面。这是他一生的第一个成功,也是他一生的方法定型之处。
涨潮有它的代价。第一,慢:水位要升很久才看得出变化,中途没人知道有没有用。第二,贵:造一套语言要写几百页,而这些页几乎没人读。第三,险:水要是升错了方向,退潮时什么也没留下。
他后来把这三条代价全付了。他的书越写越厚,读者越来越少;他在 1970 年之后写的东西,同行读不懂也不愿读。可他自己从未改过办法——在他看来,砸不开的核桃,砸一千次也砸不开,只有泡着才有指望。
本册把这一句当暗线的第一笔,是因为后面四笔都是它的变形。换一套语言(p.17)是往词汇里灌水,把局部粘起来(p.24)是往结构里灌水,换一个世界(p.31)是往地基里灌水,潮水退去(p.38)是水退之后看见的东西。
把两种证明并排看,寿命差得很远。锤子式的证明靠一个巧劲:一条辅助线、一个不等式、一次反证。它短,漂亮,能在一张纸上讲完;可它只解决这一个问题,换一个参数就要重来。潮水式的证明靠一套语言:定义、引理、函子性;它长,笨重,读一遍要几个月;可它一次解决一整类问题,而且解决之后,那类问题从课程表上消失了。
他自己两种都写过。1953 年的博士论文是锤子:十四个问题,几个月,干净利落。1958 年以后全是潮水:一套概形,一套上同调,一套拓扑斯,每套都够写十本书。
潮水式有一个硬标准,很多人忽略了。换完语言之后,老定理必须还能证,而且要更容易证。做不到这一点,就是花架子——把简单的事说复杂,谁都做得到;把复杂的事说简单,才叫换语言。
用这个标准检验一下就清楚了。贝祖定理在旧语言里要说「若无公共分支则交点数为次数的积,重数须另行定义」;在新语言里,它就是「两个环的张量积作为向量空间的维数等于次数的积」,一句话,没有例外。这就是合格。
不合格的样子也见过不少。二十世纪有过好几套「新数学」,写得很厚,用的人很少,因为换完之后老定理没有变容易,只是换了写法。判断的办法只有一个:十年之后,入门的书上用的是哪一套。
这一幕交出的底色是这样。那个在南锡几个月做完十四道题的青年,此后三十年只做一件事:把地基抬高几十厘米,让后来的人不必再爬。第二幕就从 1955 年那份没人肯发的长稿开始。
下一页,第一幕小结。
一、从葡萄园起手。1945 年入蒙彼利埃大学,成绩不好,天文学挂科,自己在图书馆重造了勒贝格测度;无国籍,持南森护照,靠奖学金与打短工过活(p.6)。他缺的是书目,不是脑子。
二、数点。射影直线上 p+1 个点;圆 x2+y2=z2 在 Fp 上也总是 p+1 个点,p=3、5、7、11、13 时分别数得 4、6、8、12、14(p.7)。点数由形状定,不由方程写法定。
三、哪里有解。两平方和等于三,整数无解,模三有解,模九无解;三个二次方程连乘,实数与各 p 进数都有解,有理数无解(p.8)。局部处处有解,推不出整体有解——缺的是胶水。
四、重数回来了。圆与直线相切,零点集只给一个点,商环 k[x]/(x2) 作为向量空间是二维,重数是二(p.9)。暗线第一笔立在这里:把海抬高(p.10)。
下一幕,造那张纸。1958 年之后,他要把「点」换成「素理想」,把「空间」换成「环」,把「相交」换成「张量积」。换完之后,贝祖定理从一件要小心处理例外的事,变成一句话。
博士毕业之后,他没有留在法国。1953 年他去巴西圣保罗大学,1955 年去美国堪萨斯,1956 年回巴黎。走的原因很实在:他没有国籍,法国给的职位要过军队那一关,他不肯;巴西与美国不问这个,只要有课可教。那几年他坐船、坐长途车,行李里最重的东西是稿纸。
1957 年 12 月,母亲在蒙彼利埃去世。她一生在集中营里落下了结核,出营之后一直没有好。他此后几个月几乎不能工作。这件事在他身上留下的痕迹很深:他后来写到自己一生只有三种情感——女人、数学、默想;母亲是第一种情感里最早也最重的那一份。
同一时期,他写完了一篇长稿。题目叫〈论同调代数中的若干要点〉,一百多页。它不解决某个具体问题,它做的是立公理:什么样的范畴里可以做同调,导出函子怎样定义,两个函子的复合怎样算出一串修正项。这种稿子在当时的刊物上不好安排——通篇在立法,不在算例。
它最后刊在日本东北大学的《东北数学杂志》上,一九五七年。圈内从此叫它「东北文稿」。这篇东西后来成了整整一代人的工具书:代数学、拓扑学、代数几何,凡是要「把局部的东西拼成整体」的地方,用的都是它立的那套公理。
1958 年 8 月,爱丁堡的国际数学家大会请他去讲一小时。别人讲已经做成的成果,他讲的是一份计划:要给代数簇造一套上同调,让它能算有限域上的点数;这套东西若造得出来,韦伊猜想就能推。会后不久,他进了刚成立的高等科学研究所,与迪厄多内一起成为首批常任教授。
从这一年起,他的工作方式定了型。不再写短文,不再做单点突破;他把所有力气放在造一套能装下整个学科的语言上。这套语言的第一块砖,是把「空间」这个词重写。
下一页,先看这个词被写成了什么样子。
定义只有一句。一个环的「谱」,就是它所有素理想的集合;再给这个集合配上一种拓扑(闭集取「包含某个理想的所有素理想」),它就成了一个空间。素理想是这样一个理想:它不是整个环,而且两个元素相乘落在它里面,必有一个落在它里面。
为什么不用极大理想。极大理想只给出「闭点」,空间是散的;用素理想会多出一些「不闭合的点」,好处是每个不可约的闭集都有一个代表整块闭集的「一般点」。。
第一个例子,整数环。它的素理想是零理想,与每个素数生成的主理想;谱上的点,就是「零」和「每一个素数」。小于一百的素数有二十五个,小于一百万的有七万八千多个,一直往右排,永不停止。
闭集长什么样。取理想(6),包含它的素理想只有(2)与(3),这一块闭集就两个点;取零理想,闭集是整条线;取整个环,闭集是空。开集就是这些的补——去掉有限个点,它跟实数轴上的开区间完全不像,却满足拓扑的全部公理。
第二个例子,二元域上的多项式环。它的闭点是「不可约的首一多项式」。按次数数:2、1、2、3、6、9 个,累计 23 个。有一条恒等式可校验:次数整除六的「次数乘个数」总和,正好是六次扩域的六十四个元素。
第三个例子,一个多项式在整数环上的「各处行为」。看 x2−2。它在有些素数处裂成两个一次因子(叫分裂),在有些素数处不裂(叫惯性),在 2 处则「重」起来(叫分歧)。判据是 2 是不是该素数下的平方剩余:小于二百的素数里,分裂的有二十个,惯性的有二十五个;按除以八的余数分,分裂的全在一与七,惯性的全在三与五,分界不含糊。
一句话:一个「点」原来可以是一整条曲线;空间不再由点组成,而由「位置」组成;位置上可以有看不见的厚度——正是下一页的事。
环里可以有这样一种元素。它不等于零,可它的平方等于零。这样的东西不可能是数——数的平方等于零,那个数就是零。可它在环里完全合法:取多项式环,把 x2 商掉,剩下的环里有两个「方向」:一与 x。任何元素都写成 a+bε,其中 ε 就是那个 x,它的平方为零。
这个环有多大,一眼看得出。作为向量空间,它有两个基,维数是二。它对应的「空间」只有一个点(因为只有一个素理想,就是 x 生成的那个)。一个点,二维——多出来的那一维,就是「厚度」。
厚度对应的是重数。圆与直线 y=1 相切,零点集只给一个点,商环给出二维,重数是二。抛物线 y=x2 与 x 轴在原点相切,同样是二维,重数二。这个「二」不是估出来的,是数基向量数出来的。
一般的形式是贝祖定理。两条平面曲线,次数分别为 m 与 n,若无公共分支,则交点总数(计重数)恰为 m 乘 n。一次与二次交二点,二次与二次交四点,三次与三次交九点。旧的说法要加一堆但书——相切怎么办,交于无穷远怎么办,重数怎么算;新的说法只有一句:那个商环作为向量空间的维数等于 m 乘 n。
让幂零元进门,是一个具体的建议。据他自己在《收获与播种》里的追述,塞尔在 1957 年前后对他说:应当允许幂零元进来。这句话他记了一辈子。在旧看法里,幂零元是「脏东西」,要除掉才干净;在新看法里,它是重数的载体,除掉就等于把厚度抹平。
这一步的后果比它看起来大。它使「无穷小邻域」第一次成了一个可以运算的对象:不必取极限,不必说「趋于」,只用一个平方为零的元素就够。微分、变形、形变理论,此后都建在这上面。
一句话:重数此前只能靠「逼近」说清楚,现在它是环里的一个元素。可这样的空间怎么「粘」起来,是下一页的事。
定义有三件东西。一个拓扑空间;每点挂一个环(叫结构层);每点附近都同构于某个环的谱。三件凑齐,就叫概形。第三件是关键:它说的是「局部看起来跟环的谱一样」,而不是「整体是一个环的谱」——整体可以比局部大得多。
为什么必须允许「整体大于局部」。看一个最小的例子:整数环模六。它只有两个素理想,(2)与(3),所以它的谱只有两个点。可这两个点的环记住了「六等于二乘三」。用中国剩余定理,模六的环与「模二的环乘模三的环」完全一样:六个元素一一对上,零对(零,零),一对(一,一),二对(零,二),三对(一,零),四对(零,一),五对(一,二)。
于是有两条对偶的规矩。环的「积」对应空间的「不交并」——两片分开的地方,函数就是两套函数各管一片。环的「张量积」对应空间的「交」——两片叠在一起,函数必须同时满足两边的方程。。
「切」这一半就是相交。两条曲线的交,取张量积;这个环作为向量空间的维数,就是交点的重数之和。p.9 那个二维的例子就是这样来的:圆与直线一切,交出二维,重数二。p.15 的贝祖定理,说的也是这件事。
所以概形不是一堆积木,是一本带胶水的册子。每一页是一个环的谱;页与页在重叠的地方按同构对齐,对齐之后就成一整本。允许重叠,也允许「一页里还有一页」——这就是为什么它能装下既有厚度、又有分支的对象。
这本册子的第一页来自塞尔。1955 年塞尔发表《代数凝聚层》,用层重写了代数几何,可他还停在「簇」上;柯罗滕迪克把「簇」换成「谱」,两者一合,就成了概形。他自己说过,这一步不是发明,是把两块现成的积木按对的方向拼起来。
一句话:空间有了,下一步要问「空间上能放什么」。答案是层——而层正是第三幕的账本。
暗线第二笔,落在词汇上:换一套语言,问题自己变了形状。
换掉的只有三个词。「点」换成「素理想」,「零点集」换成「环」,「相交」换成「张量积」。三个词一换,贝祖定理从一个要处理许多例外情形的命题,变成一句关于维数的话;p.9 那个「少了一个交点」的麻烦,从此不再出现——因为厚度本来就在环里。
换语言的收益是可以算的。旧写法要说明:若两曲线相切,则交点须计重数;若交于无穷远,须先射影化;若有公共分支,定理不成立。新写法只有一句:商环作为向量空间的维数等于次数之积。三种例外,一种都没有了——不是被排除,是被装进去了。
代价也是可以算的。入门门槛抬高了一整级。学代数几何的人,先要学交换代数(理想、局部化、维数),再学层,再学上同调,三年才走到门口。他的书因此没什么人读;可读完的人,此后看什么都用这套语言。
换语言有一条判据。换完之后,老定理要更容易证,新定理要能看见。前者是效率,后者是眼界。只看前者,会换出一套更啰嗦的同义词;只看后者,会换出一套没人能用的玄学。
他晚年的失败,恰好在这一条上。1970 年代以后他写的东西,眼界极远,可用的人极少;按他自己的判据,那不能算成功。这一点他自己也承认过——他在《收获与播种》里反复问:为什么没有人接。
这一笔的意思不是「换词一定好」。它的意思是:换词是一种投资,投的是十年后的读者。投对了,一门学科改口;投错了,一卷手稿进库房。第三幕要换的不是词,是「整体」这个概念。
他留下两部大书,写法完全相反。一部叫《代数几何基础》,1950 年代末动笔,到 1967 年出了八辑,计划是十二卷,没有写完。这部书署他一个人的名,实际是与迪厄多内逐句写定的:他口述结构与证明,迪厄多内写成法文,两人对着改。
另一部不署他的名,叫《代数几何讨论班》。1960 年到 1969 年,他每周在研究所讲,学生记,下周发下来,他再改。九年下来整理成七卷。几乎全部由学生执笔,他自己一个字也不写——这在数学史上极罕见:一个讨论班的主持人不出手,讲的东西却全是新的。
讨论班出来的人,后来撑起了半门学科。德利涅、雷诺、韦尔迪耶、伊吕西、贝特洛、德马聚尔——这些名字后来各自成了一方。他们当年做的事,是把一个人口述的思路,写成别人能读的文本。这件事本身就是训练:写不清,说明没想清。
两部书的性质完全不同。《基础》写的是「已经定型的定义与定理」,读它像读建筑规范;《讨论班》写的是「正在形成的东西」,读它像读施工图——有很多地方脚手架还没拆,有些证明只有一句「由前述显然」。两样都不能当教科书用,可两样都被后来的人反复翻。
《基础》停下的地方,正是别人接手的地方。十二卷的计划,出到八辑就停了;第四卷讲到上同调与黎曼—罗赫,讲得很深,后面的没有来。这件事不是失败:一门学科的规范写到某一层,剩下的必须由用它的人来写。
这一幕的交错交出一件事。一个人可以既造语言又造教材,但造教材的方式,决定这门语言能不能活下去。他选了最难的一种:让语言自己在讨论班里长,让规范由别人写。这套办法成就了一代人,也埋下了他晚年的失落——他造的东西被别人接手,接手的人却没有按他的意思用。
一、一篇长稿。1953 年去圣保罗,1955 年去堪萨斯,1957 年母亲去世;同年那篇立公理的长稿刊于日本,圈内叫「东北文稿」(p.13)。他一生的工具,一半在这篇稿子里。
二、点换了意思。环的谱:整数环的点是零与每个素数,小于一百的有二十五个;二元域多项式环的闭点是不可约多项式,按次数是 2、1、2、3、6、9 个(p.14)。一个点可以是一整条曲线。
三、厚度进门了。平方为零的元素合法;一个点的空间可以是二维,那个二就是重数;贝祖定理一句说完(p.15)。重数不再靠逼近,靠数基向量。
四、册子粘好了。模六的环与「模二乘模三」完全一样;环的积对不交并,环的张量积对交(p.16)。暗线第二笔立在这里:换一套语言(p.17)。
下一幕,立账。空间有了,要在它上面记事。记事的东西叫层;记不上的部分叫上同调;两者合起来,能把「一条曲线有几个洞」变成一个可算的量,也能把有限域上的点数变成一道算迹的题。
1958 年 8 月,爱丁堡。国际数学家大会请他去讲一小时。这种报告通常是总结:把过去几年的成果归拢一遍,让人知道谁做了什么。他讲的不是总结,是一份提纲——未来十年打算做什么,为什么值得做,第一步从哪下手。
提纲针对的是一组猜想。1949 年韦伊提出三条,关于有限域上代数簇的「点数」。第一条:把这些点数打包成一个函数,这个函数是有理函数,即两个多项式相除。第二条:它满足一个对称的等式,叫函数方程。第三条:它的根(确切说是倒数)的大小有严格限制,绝对值恰好等于某个数的平方根。
第三条最厉害,也最难。它等价于说:点数的「误差」有一个精确的界,而且这个界是最优的。它与黎曼猜想是同一类命题——都是说某个函数的零点落在一条直线上。韦伊当年证出了曲线的情形,用的是代数曲线上的对应论,手法极重;一般的簇,谁也没有办法。
他的提纲要换一条路。不去直接估点数,而是造一个「上同调」:让它在代数世界里成立(不依赖复数),让弗罗贝尼乌斯映射作用在它上面,然后用一条迹公式:点数等于各阶上同调上迹的交替和。这样,点数就成了线性代数的账——算一个矩阵的迹,而不是数点。
这个提纲要十年才兑现。平展上同调在 1960 年代初成形,靠的是把「覆盖」重新定义:不用开区间,用「局部同构的映射」。这套东西后来写进讨论班记录的第四卷,厚得像一本字典。
账最后是这么结的。前两条,他与合作者在 1960 年代中期证出;第三条对椭圆曲线早由哈塞在 1930 年代直接证过,对一般的簇则要等到 1974 年,由他的学生德利涅证出。地图是他画的,最后一段路是别人走的。
这一页的意思,是把问题的形状说清楚。他做的不是「算出一堆点数」,是「把数点这件事换成一个能算的问题」。前者是搬石头,后者是修路。第三幕剩下的三页,讲的就是这条路的三段:层、上同调、数点。
层只有两条规矩。第一,每块开地方给一份数据(叫截面),从大块到小块有一个「限制」的映射,把数据变小。第二,若一堆小块盖住了某块地方,各小块上各给一份数据,而任意两块重叠处的数据恰好一样,那么必定存在唯一一份大块上的数据,限制下去正好是各小块那几份。
第二条就是胶水。它说的是:能粘的必须粘得上,而且粘法唯一。听着像废话,其实很挑东西——很多常见的对象粘不上。
举一个粘不上的。「有界函数」。左半与右半各取一个有界函数,重叠处一致,能拼成一个整体函数——这一次恰好还有界;可把区间分成无穷多段,每段上界不超过一,拼起来仍然可以无界。所以「有界函数」不成层。
再看一个成层的。「连续函数」成层:两块上连续,重叠处一致,拼起来一定连续,因为连续性只看每点附近。层挑的是「局部性质」——凡是能靠逐点检查决定的东西,都能成层。
最有用的层是结构层。在射影直线上,「多项式函数」构成一个层,记作 O。它的整体截面只有常数:一条射影直线上没有非平凡的全局多项式。若允许「带极点的多项式」,就有更多截面:允许 d 阶极点,整体截面的维数是 d+1。取 d=0、1、2、3、4、5,维数分别是 1、2、3、4、5、6。
为什么是 d+1,理由很朴素:允许 d 阶极点的函数就是两个变量的 d 次齐次多项式,系数正好 d+1 个,截面也就几维。
一句话:层的公理只有两条,可它把「局部」与「整体」的差别,变成一个可以数的量。下一页要数的,就是这个量的「差额」。
层能粘上的叫整体截面,粘不上的叫障碍。把这两样东西排成队,第一格记「能粘的」,第二格记「粘不上的」,第三格记「更高一层的粘不上」——这一队就叫上同调群。第一格里的元素个数(维数)是整体截面的多少;第二格的维数,是「差多少才粘得上」。
举一个纯代数的例子。整数到整数,每个数乘二,得到一个映射;它的像(偶数)与整数之比,剩下一半没打中。于是有一串:零到整数,乘二到整数,到「模二的两个元素」,再到零。中间那一步「剩下一半」,就是一个粘不上的东西。它的「差」被一个叫「扩张群」的东西记下来,这个群里只有两个元素。
换成曲线,就看得见几何。射影直线上,结构层的第二格是零:任何局部数据都能粘成整体,没有障碍。可换到一条有洞的曲线,第二格就不是零了:它的维数恰好等于洞的个数——也就是亏格 g。球面 g=0,第二格零维;环面 g=1,一维;两个洞 g=2,二维。
于是「亏格」有了两个说法。旧说法:曲面上最多能画几条互不相交的闭合曲线而剪不断它。新说法:结构层第一上同调群的维数。两个说法给出同一个数,可后者能推广——推广到高维,推广到有限域,推广到没有「面」可看的地方。
再记一笔账。把「能粘的」维数减去「粘不上的」维数,得到一个数,叫欧拉示性数。球面是 1 减 0 等于 1;环面是 1 减 1 等于 0;两个洞是 1 减 2 等于 −1。这个数在变形下不变,是曲面的「指纹」之一。
一句话:上同调不问「有没有」,只问「差多少」;而「差多少」恰好是一个群,可以算,可以比,可以在映射下传递。这套机器一旦装好,下一步就是把它搬到有限域上去——那正是下一页。
取一条具体的曲线。y2=x3−x。它在实数上是一条分成两段的曲线,在复数上是一个环面(亏格一)。现在问:在 Fp 这个世界里,它有几个点。办法很笨:把 x 从零取到 p 减一,逐个看右边是不是平方数,是就加两个点,不是就不加;最后加一个无穷远点。
数出来是这样一张表。p=3:4 个点;5:8 个;7:8 个;11:12 个;13:8 个;17:16 个;29:40 个;41:32 个。若把点数记作 N,把「p+1 减 N」记作 a,那么 a 依次是 0、−2、0、0、6、2、−10、10。
这张表里有一个界。不管 p 多大,a 的绝对值不超过 2 乘 p 的平方根。p=13 时 a=6,界是 7.21;p=29 时 a=−10,界是 10.77;p=41 时 a=10,界是 12.81。每一次都卡在界里面,而且卡得很紧——这就是「误差有界」的具体样子。
为什么是这样一个界,答案在线性代数里。设想有一个二维的空间,上面有一个线性变换(叫弗罗贝尼乌斯),它把每个坐标都取 p 次方。这个变换有两个特征值,记作 α 与 β。它们的和是 a,乘积是 p。点数就等于 p+1−a,也就是三个迹的交替和:零维的迹 1,二维的迹 a,四维的迹 p。
于是韦伊猜想的第三条变成了一个关于大小的话。若两个特征值的绝对值都等于 p 的平方根,那么它们的和 a 的绝对值自然不超过 2 乘 p 的平方根——界不是估出来的,是算出来的。α 乘 β 等于 p,两个数的乘积定了,只要它们「一样大」,就各是根号 p。
要造这个二维空间,得先有「在代数世界里成立的拓扑」。复数上有开区间可用,有限域上没有;替代的办法是把「覆盖」重新定义成「局部同构的映射」。这套东西叫平展上同调,1960 年代初成形,此后成了算术几何的通用语。
一句话:他把「数点」换成了「算迹」。前者要一个个数,后者只要求一个矩阵的迹——而迹可以算,可以传,可以在映射下比较。这一步换完,韦伊猜想就不再是数论问题,是线性代数问题。
暗线第三笔,落在拼法上:把局部粘起来。
前三笔是一条线。第一笔把海抬高,是换水位;第二笔换一套语言,是换词汇;这一笔换的是「对象」本身——不问整体是什么,只问整体由哪些局部、按什么规则拼成。规则一确定,整体就被确定了。
这一步在数学上出现了三次,每次换个名目。概形:局部是环的谱,胶水是「在重叠处按同构对齐」。层:局部是截面,胶水是「在重叠处取值相同」。拓扑斯:局部是「覆盖的一片」,胶水是「覆盖的相容族」。三次是同一件事,只是拼的东西不同。
上同调就是这套拼法的账本。能拼成的记在第一格,拼不成的记在第二格。第二格不为零,说明这块地方有「洞」——但不是几何意义上的洞,是「拼法上的障碍」。亏格一的那条曲线,第二格一维,那个一就是障碍的个数。
这套办法有一个巨大的好处:它不依赖「看得见」。高维的、奇异的、有限域上的对象,都可以照拼——只要有「局部」与「重叠」,就能定义胶水;只要胶水,就能算障碍。这就是为什么它能把数论问题变成线性代数问题。
代价在于:拼法一旦定得太细,账就算不动。他后来造的「六种运算」(拉回、推前、张量、内同态、上星、下星)是一套极精密的语法,可越精密,能掌握的人越少。这是他一生的模式:工具越好,用的人越少。
一句话:他不构造对象,他构造拼法。拼法一立,对象自己出现。第四幕要做的,是把「拼法」这件事推到尽头——推到连「什么算一个世界」都要重新规定。
1974 年,德利涅证出了韦伊猜想的最后一条。他用的工具全是现成的:平展上同调、迹公式、六种运算;他只加了一招——把问题化到一个「秩一」的情形上,再用一条关于对称性的估计收口。整篇论文不长,可它把所有零件都装上了。
这件事的形状值得看清。他画了地图,标出了路,甚至修好了大部分路段;最后一段是别人走完的。走完的人拿到 1978 年的菲尔兹奖;画地图的人 1970 年已经离开研究所,在蒙彼利埃教书。
他自己的说法很复杂。据通行记述,他当年写信祝贺;可十几年后在《收获与播种》里,他反复说学生没有认他的账,说自己的东西被拿走而不被承认。这两种说法都是真的——他不否认结果,他计较的是「谁的地图」。
地图与走路的关系,可以用一句话说清。地图不走路,可没有地图走不到。反过来,走路的人常常以为路是自己找的,因为他在路上花了力气。两种劳动都真,只是不容易同时被看见。
这也是本册要留的一层。他一生造了三套语言(概形、层、拓扑斯),三套都被别人用得比他熟。一个造工具的人,最好的结局是工具被人用坏——用坏了,说明真在用;可被用坏的工具,通常不记得造它的人。
这一幕交出的是这一层底色。第三幕的账到这里结清:点数成了迹,猜想成了定理,地图成了教科书。可结账的人不是他。第四幕从 1966 年那枚奖章与 1970 年那封辞呈开始——他要走的,是另一条路。
一、提纲先行。1958 年爱丁堡,他讲的不是成果,是未来十年怎么做:造一套上同调,把数点换成算迹(p.20)。先立框架,再解决问题。
二、层是胶水。两条公理:限制与粘合;有界函数粘不上,连续函数粘得上;射影直线上带 d 阶极点的截面维数是 d+1,d=0 到 5 得 1 到 6(p.21)。局部与整体的差,成了一个可数的量。
三、上同调是账本。第一格记能粘的,第二格记粘不上的;亏格 g 的曲线第二格 g 维;欧拉示性数 1−g 在 g=0、1、2 时是 1、0、−1(p.22)。「几个洞」变成一个群的维数。
四、点数成了迹。椭圆曲线在 Fp 上:p=3、5、7、11、13、17、29、41 时点数 4、8、8、12、8、16、40、32,a 依次 0、−2、0、0、6、2、−10、10,全部落在 2 乘根号 p 之内(p.23)。暗线第三笔立在这里:把局部粘起来(p.24)。
下一幕,换世界。1963 年前后,他把「覆盖」的定义本身换掉,得到拓扑斯。这一步比前两步都远:前两步换的是工具,这一步换的是「什么算一个世界、什么算在世界里成立」。
1966 年 8 月,莫斯科。国际数学家大会宣布他获菲尔兹奖。他没有去。理由公开:抗议苏联在东欧的军事行动,以及对作家的处置。奖章由别人代领。这件事在当时引起不小的议论——一个三十八岁的人,把数学界最高的荣誉放在一边,去讲政治。
第二年他去了越南。1967 年,他在河内给当地的师生讲课,讲课的地方有时是防空的地方。他后来把这段经历看得很重:那是他第一次在「数学没用」的地方做数学——不是为了成果,是为了让一群人还能继续学。
1968 年,布拉格之春与巴黎的五月。他上街,开会,签名。这些年他越来越确信一件事:一个做科学的人,不能把自己做的事与它被拿去做什么分开。这句话听着平常,落实起来很难——因为它要求人在自己的职业内部动手。
1970 年,他真的动了手。他得知高等科学研究所的经费有一部分来自国防部。他要求这笔钱立刻停掉;他没有得到同事们期待中的支持,于是辞职。同年 7 月,他与朋友创办了一个叫「生存」的刊物,后来变成「生存与生活」——法国最早的生态运动之一。
代价来得很快。法兰西学院 1970 年为他设了教席,两年后不续——因为他的课要讲「科学与技术的当前危机」,而不只是代数几何。他向国家科研中心申请职位,也被拒绝。1973 年,他只能去蒙彼利埃大学做普通教授,教到 1988 年退休。
他换掉的不只是工作。1966 年以前,他是「一个做出伟大工作的人」;1970 年以后,他是「一个不肯合作的人」。这两种身份在同一个身体里,前者使后者有分量,后者使前者被遗忘。
可正是在这几年,他做出了这一册里最远的一步。1963 年前后,他把「覆盖」的定义本身换掉,得到拓扑斯。这一步不像概形那样有明确的用处,也不像上同调那样能结账;它是把整个地基往上抬了一层。
起点是把「覆盖」当成主角。在通常的拓扑里,最重要的是开集;可仔细一想,开集之所以有用,是因为它能「盖住」东西。于是他换了个问法:不去规定哪些集合是开的,只规定「一族映射什么时候算一次覆盖」。这套规定叫格罗滕迪克拓扑,配上它的一堆层,叫拓扑斯。
覆盖的规定一变,层就变,世界就变。规定得松,层就少;规定得紧,层就多。同一批对象,换一种覆盖,就得到另一个世界。概形与拓扑斯的关系,就像「一座城」与「这座城的地图册」:城是硬的,册子可以有好几本。
要紧的是:拓扑斯自带逻辑。在这个世界里,「存在」的意思是「局部存在」——只要有一族覆盖,每一片上都能找到一个,就算存在。「或者」的意思是「有一族覆盖,每一片上至少一个成立」。这两条一改,「非」也跟着改。
于是排中律可能不成立。举一个具体的:取实数轴,考虑它上面的连续函数。在这个世界里,「实数」就是连续函数。现在看函数 f(x)=x。它是不是「等于零或者不等于零」。它不恒为零(在一处非零),也不处处非零(在零点为零);而且这个判定没法靠「分片」解决——任何一片上,它都既不是恒零,也不是处处非零。
这不是玄学,它有公理。1970 年前后,劳维尔与蒂尔尼把拓扑斯从代数几何里拆出来,给了一套「初等拓扑斯」的公理:只谈对象与箭头,不谈开集。拆出来之后,拓扑斯进了逻辑与计算机科学——今天讲类型的语义、讲程序的证明,用的就是这套东西。
一句话:换一个世界,不是换一套比喻,是换一套「什么算证明」。这一步在数学史上极罕见:多数人改定理,少数人改定义,极少数人改「什么叫做对」。
先说经典的那一套。一个域,加上它的一批扩张,构成一棵树;树上的每个中间域,对应一个子群。这是伽罗瓦理论:域的问题变成群的问题。这条定理统治了代数两百年。
他的改法是把「域」换成「空间」,把「扩张」换成「覆盖」。一个空间的所有有限覆盖,也构成一棵树;树上的每个中间覆盖,对应基本群的一个子群。定理的形状一模一样,只是对象换了。换完之后,域论里的定理成了拓扑定理的特例,反过来也成立。
第一个例子,有限域。一个有限域的谱,它的基本群是一个「整数环的完备化」,由一个元素生成——那个元素叫弗罗贝尼乌斯,作用是「把每个数取 q 次方」。它的指数 n 的子群只有一个,所以次数 n 的连通覆盖也只有一个——把域扩到 n 次,没有第二种扩法。
第二个例子,有理数。有理数的谱,基本群就是伽罗瓦群:所有有理数域的对称。这个群巨大、复杂、至今没有被理解。他没有硬抓,他换了个办法:不去描述群本身,让它作用在一些组合对象上,从作用反推群。
那些组合对象是一类特殊的覆盖。把一条曲线覆叠到射影直线上,只允许在三个点处分支。这样的覆叠可以用一张画在纸上的地图完全描述:顶点、边、面。次数 1 到 5 的这类覆叠,按同构分类,分别有 1、3、7、26、97 个。
伽罗瓦群作用在这 97 个对象上,把它们分成若干组。同一组里的对象,是「定义在有理数上」的同一个对象的不同样子。于是问题变成:把这 97 个东西分组,看每组几个。这条思路后来叫远阿贝尔几何,1984 年他为此写了一份《纲领草案》。
一句话:抓不住群,就抓它作用的东西。这句话不新鲜,新鲜的是他把「作用的东西」找成了画在纸上的地图——于是最难的对象,落到了最朴素的计数上。
问题的起点很朴素。向量空间可以相加——取直和,维数相加。可它不能相减:维数三减维数五,没有对象对应。要在这样一堆东西上做算术,就得允许「负的向量空间」存在。
办法是形式地添负号。把「一个对象减去另一个对象」当成新的符号,再规定两条:若两个对象同构,它们的符号相等;若有一个短正合列(零到一个到另一个到第三个到零),则第三个的符号等于第二个减第一个。这样造出来的群,叫格罗滕迪克群。
举一个小例子,看得见它的脾气。取所有有限阿贝尔群,生成元是「素数阶的循环群」,关系来自短正合列。「模六的群」可拆成「模二直和模三」,符号等于 2;「模四的群」是「模二」的两次扩张,符号也是 2。两个群不同构,可在这个群里是同一个元素。
这个群到底记住了什么,可以算。它记住的是「质因子的个数,含重数」:从一到十二,这个数依次是 0、1、1、2、1、2、1、3、2、2、1、3。八是三个二相乘得 3,十二是二乘二乘三也得 3,所有信息压成一个整数。
第二个例子更有用。射影直线上的向量束,每一个都裂成若干「线束」的直和——这是他的一个定理。于是这个 K 群就是两个整数的直和:一个记秩,一个记次数。两个秩与次数都相同的束未必同构;这个群是有损的压缩。
它的第一件大用处是黎曼—罗赫。经典的说法:一条曲线上的除子,其次数与「截面数减一」之差,等于 2g−2。他的改法:把「曲线」换成任意映射,把「次数」换成 K 群里的元素,定理变成一句「某个图是交换的」。原定理成了取一个特例。
一句话:他造 K 群不是为了算,是为了让「相减」这件事合法。合法之后,一切关于「差」的定理才能写成等式,而不必处处加但书——这又是「把海抬高」的一次。
暗线第四笔,落在最底下那层:换一个世界。
前三笔都还在同一门学科里:换水位、换词汇、换对象。这一笔换的是地基。前三次问的是「怎么算」,这一次问的是「什么算数」——什么叫做存在,什么叫做成立,什么叫做证明。这三样一换,原先所有的问题都得到新的意思。
这一步的分量,可以拿一个例子比。非欧几何换的是「平行公理」,换完之后三角形的内角和不再是两直角,可「点」「线」「角」还是老意思。拓扑斯换的是「逻辑」,连「存在」的意思都变了。前者是换定律,后者是换语言本身的语法。
为什么值得这么干。因为有一类问题,在旧世界里根本说不清。比如:「一个对象局部上处处存在,能不能推出它整体存在」。在旧世界里这句话要靠附加条件说;在新世界里,这句话变成了「上同调的第二格是不是零」——从一句含糊的话,变成一个可以算的数。
代价是同行者。他把地基抬高之后,能站上去的人极少。1970 年之后他写的东西,多数同行读不懂,也不愿读。这不是因为他写坏了,是因为他站的地方太远——远到没有共同的词汇可以讨论。
一个反讽收尾这一笔。拓扑斯后来活了,而且在离代数几何很远的地方活了:逻辑、类型论、程序的语义。他造它的时候想的是「给代数几何找个更自然的地基」;它最后成的地基,却是「数学与计算机之间那座桥」。工具走的路,从来不听造它的人安排。
数学有两种用法,他两种都试过。第一种:数学是工具,拿去解决别的问题——密码、物理、统计、工程。第二种:数学是认识世界的方式,做数学本身就是一种对「什么算重要」的表态。多数人只做第一种,因为第一种有回报。
1970 年那件事,把两种用法摆到了同一个桌面上。他研究的东西被用来编制密码,密码服务于军事;研究所的经费里有一笔来自国防部。这件事在别人看来是常态——基础研究总要有人出钱。在他看来是一条界线:出钱的人决定了问题往哪走,做问题的人就不能装作不知道。
于是他辞职。辞职的代价不是道德上的,是物质上的:他失去了研究所、失去了法兰西学院的教席、失去了在巴黎的位置。1973 年他到蒙彼利埃,教的是最基础的课,一教十五年。
这段经历常被讲成一个「天才发疯」的故事,这样讲省事,但不真。他辞职之后并没有停止思考,只是把思考的方向换了:生态、核武器、科学家的责任、梦。他也没有停止写作——两万八千页手稿,大部分是 1970 年以后写的。
两种用法之间,他的选择很干脆。他不反对别人做第一种;他反对的是「做第一种的人假装自己在做第二种」。这句话是他的全部政治立场的核心,也是他得罪人的地方——因为它把很多人的自我描述拆穿了。
这一幕交出的是这样一层。第四幕的数学(拓扑斯、基本群、K 群)是这一册里最抽象的部分,可它与 1970 年那封辞呈是同一件事:他不肯把「我做的事」与「我的事被拿去做什么」分开。抽象与立场,在他身上不是两截。
一、奖章与辞呈。1966 年莫斯科授奖,他不出席;1967 年去河内讲课;1970 年因军费辞职,同年创办《生存》;1973 年到蒙彼利埃(p.27)。他换的不是工作,是「什么叫做数学工作」。
二、拓扑斯。把「覆盖」公理化,得到自带逻辑的世界;在那里「存在」等于「局部存在」,排中律不成立,f(x)=x 就是一个反例(p.28)。换世界不是换比喻,是换「什么算证明」。
三、基本群。伽罗瓦定理换个对象:域换成空间,扩张换成覆盖;有限域的谱只有一个次数 n 的连通覆盖;有理数的谱抓不住,就让群作用在「孩童的画」上,次数 1 到 5 有 1、3、7、26、97 个(p.29)。抓不住群,就抓它作用的东西。
四、K 群。让相减合法:有限阿贝尔群的账只记质因子个数,模四与模六都得 2;射影直线上向量束的账是秩与次数(p.30)。暗线第四笔立在这里:换一个世界(p.31)。
下一幕,退潮。1973 年之后他还在写,只是写的东西不再是数学论文。两万八千页手稿、一部近两千页的自传、一份没有拿到资助的纲领——这些东西最后交给了谁,又留下了什么,是第五幕的事。
1973 年,他到蒙彼利埃大学。职位是普通教授,教的是最基础的课:微积分、线性代数。上过他课的学生后来回忆,他讲得极清楚,从不看讲义,一道题能从最笨的地方起手,一层层推到最深。学生不多,来的人里有些是冲着名字来的,听完也不知道自己听的是什么。
他把课余时间给了别的事。生态、反核、农业、集体生活。他在塞文山区住过一阵,跟一群人种地、养羊、办刊物。1970 年代中期起他对佛教发生兴趣,此后二十年一直保持——他后来说,自己一生只有三种情感:女人、数学、默想。
写作从这时起变成主业。1983 年他开始写《收获与播种》,写了三十三个月,写成近两千页。1987 年写《梦的钥匙》,记梦,并给梦编索引。此外还有几部未完成的大稿:一部关于「栈」的,一部关于「导子」的,都只在小圈子里流传。
1988 年,他退休。同年 4 月,瑞典皇家科学院把克拉福德奖授给他与德利涅。他拒绝了,写了长信说明三条理由:他的薪金与退休金够用;这类奖给研究者过高的社会地位;他 1970 年起已经离开学界,而这个奖是给二十五年前的工作。
1990 年,他把手稿交出去。交给学生马尔瓜尔,一个在蒙彼利埃跟他做过研究的人;1995 年又交了一批。之后他搬到比利牛斯山中的小村拉塞尔,几乎不再见人。马尔瓜尔把这些纸留在自己家里二十年,2010 年交给蒙彼利埃大学。
2014 年 11 月 13 日,他在阿列日省的圣吉龙去世,八十六岁。消息传出时,很多同行已经几十年没有他的音信。讣告里最常见的两个词是「二十世纪最伟大的数学家之一」与「隐居」——两个词都对,可它们放在一起,读起来像一个谜。
他把「退出」做成了一个动作,不是一个姿态。不是宣布退出,然后照旧出现;是真的搬走,真的不见人,真的把纸交出去,然后不再解释。这件事他自己看得极重——在他晚年的文字里,「离开那个大世界」是一个反复出现的说法。
先把点数打包成一个函数。取一条曲线,把它在 Fp、Fp2、Fp3……上的点数依次记作 N1、N2、N3……;再把这些数当作系数,做成一个幂级数:一加上 N1 乘 T,加上「N1 的平方加 N2 的一半」乘 T 的平方,依此类推。这个函数叫 ζ 函数。
拿 p.23 那条曲线试一试。y2=x3−x 在 F5 上有 8 个点,所以一次项系数是 8。二次项系数是「64 加 N2 再除以二」,算出来是 48;反推回去,N2=32,也就是它在 25 元域上有 32 个点。三次项是 248,反推 N3=104,在 125 元域上 104 个点。开头是这样:一加 8T 加 48T 的平方加 248T 的立方,再加下去。
然后是一个惊人的事实:这一长串数,可以用一个分数写完。它等于(1+2T+5T 的平方)除以((1−T)(1−5T))。分母展开是 1−6T+5T 的平方;两个多项式一除,得到的正是上面那串系数。无穷多个点数,被两个二次以下的多项式装住了——这就是韦伊猜想的第一条。
第二条看对称。把 T 换成「五 T 分之一」,函数值不变。取 T=0.1 试:原式给 2.7778,换过之后也给 2.7778。这个对称叫函数方程,说的是「点数在 n 与「二减 n」两处配平」。
第三条看根。分子的两个根是虚数,实部负五分之一,虚部正负五分之二;它们的绝对值都是 0.447,正好是 5 的平方根分之一。换句话说:两个根的模等于「底数的平方根分之一」——这就是韦伊猜想的第三条,也是它与黎曼猜想同名的理由。
为什么这一条最强。因为根的模一定,点数就不可能离「p+1」太远:误差被两个根的模卡住,最大是 2 乘根号 p。p.23 那张表里每一次都卡在界内,原因就在这里——界不是估出来的,是根的大小算出来的。
一句话:一条曲线在无穷多个有限域上的点数,被两个数管住;找到这两个数,等于找到了这条曲线的指纹。他一生的工具最后都指向这件事,而这件事 1974 年由别人划上句号。
他的记录法只有一条:按日期写,不按题目写。今天想到什么就写什么,写完不回头,不分类,不改写。第二年再写,另起一本。四十三年下来,同一件事的解释可能前后矛盾,他也不去弥合——在他看来,矛盾本身是材料。
这套办法有它的道理。按题目写,等于先假定「什么属于同一个题目」;假定错了,材料就被切错。按日期写,材料原样摊着,结构等以后再找。这跟他的数学方法完全一致:不预设结构,等结构出现。
算一下速度。手稿两万八千页,跨 1949 到 1991 共四十三年,平均每年六百五十一页,每天一点七八页。这个速度不算快——一天不到两页,比一个认真的日记作者多不了多少。可它连续了四十三年,没有中断的年份。
《收获与播种》是例外,也是最密的一段。近两千页,写了三十三个月,平均每月五十七点六页,每天将近两页。这本书不是数学,是自传与清算:他写自己的一生、写三种情感、写对学生与同行的失望、写 1976 年那次「启示」与随后的长期静坐。
《梦的钥匙》更怪。1987 年写的,专门记梦,还给梦编了索引:按人物、按地点、按反复出现的意象。他相信梦里有结构,而结构要靠长期记录才浮出来——这话与他一辈子做的事,是同一句话。
这套办法的代价很直接。材料越多,读的人越少。一个人每天写两页,四十年就是一座山;山不整理,别人进不去。他晚年反复抱怨没人读他,可他从不整理——这两件事在他身上是一致的:整理等于预设结构,而他不肯预设。
一句话:他不预设结构,他等结构出现。这个办法在数学上救了他(造出了三套语言),在写作上埋了他(留下一座进不去的山)。
先把这笔账摊开。他留下的未刊手稿,约两万八千页,涵盖 1949 到 1991 年——从博士前后一直写到七十三岁。这批纸 1990 年与 1995 年两次交给马尔瓜尔,2010 年转交蒙彼利埃大学;2016 年数字化,2017 年 5 月 10 日上线。
上线的是其中一部分。一万八千页,占全部的六成四;剩下的一万页没有上线。原因不是技术:里面有别人的信、有涉及第三人的私事、有版权未清的段落,也有纯粹没整理完的散页。
读一遍要多久,可以算。若一个人每天读二十页,两万八千页要读一千四百天,将近三年十个月;每天读十页,要七年八个月。这还只是读一遍,不算读懂。相比之下,他正式发表的数学论文与书,合起来不到手稿的十分之一。
这批纸里有什么,现在只能说三类。第一类是他自己讲过的:几部未完成的大稿(关于栈、关于导子),以及《纲领草案》之后的一些续写。第二类是他与同行的通信,数量极大,涉及 1950 至 1980 年代几乎每一个重要进展。第三类是日记与梦的记录,与数学无关,可它们解释了他为什么在 1970 年转身。
有人指望里面有「失落的宝石」。这个指望不算离谱:他 1970 年以后的思考方向与主流不同,若真有突破,多半长在这些纸上。可也要说清楚:两万八千页里,大部分是草稿、重复与自我追问,不是定理。读手稿的人,先要学会在沙里待着。
一件事已经确定。他的方法留下来了,而且活得比结论长。概形、层、拓扑斯、K 群、六种运算——这些词今天写在每一本教科书里;他本人的名字,写在括号里。手稿是另一回事:它是方法的原材料,不是方法本身;原材料可以慢慢读,方法已经在用了。
一句话:一个人写了四十三年,后人要读一辈子;而他真正留下的东西,早就不在纸上了。
暗线第五笔,落在退潮上:潮水退去之后。
「把海抬高」是他的办法;可海也有退的时候。1970 年他自己把水放了:不做主流数学,去种地、去反核、去写梦。放水这个动作,不是被动的——它不是「被学界赶出来」,是「自己走出来」。这一点很重要,因为它把退潮从失败改成了选择。
退潮之后,滩上留下了什么。一套语言(概形、层、拓扑斯)、七卷讨论班记录、八辑基础、两万八千页手稿、一部近两千页的自传。这些东西的分量不一样:语言在教科书里活着,讨论班在引用里活着,手稿在库房里等着,自传在争议里活着。
有一个反讽,本册不打算绕开。他造的语言把他送进了每一本教科书,他自己却不在里面。学代数几何的人第一课就学「概形」,可很多人一辈子没读过他一页原文;他用过的词成了公共财产,他的名字成了脚注。
这个反讽不等于失败。造桥的人不必站在桥上;可桥若没有人走,造桥就白费。他的桥每天都有人走,走的人不记得他——这在造桥这件事上,恰恰是成功的标志。
五笔到这里收齐。把海抬高(p.10)是方法,换一套语言(p.17)是工具,把局部粘起来(p.24)是手艺,换一个世界(p.31)是野心,潮水退去(p.38)是结局。五笔连起来,是一个人造了一辈子的桥,最后自己走下桥去。
一句话:把海抬高的人,最后站在海滩上。他留下的不是水,是水位线——后来的人从那条线往上量。
第一次是 1966 年的菲尔兹奖。他领了奖章,但没有出席典礼。理由是政治的:抗议苏联在东欧的军事行动与对作家的处置。这一次他并不否定奖本身,他用这个场合说话——把一个学术仪式变成了一个声明。
第二次是 1988 年的克拉福德奖。奖金不小,与德利涅同得。他拒绝了,写长信列三条:他的薪金与退休金足够;这类奖给研究者过高的社会地位与声望;他从 1970 年起已远离科学界,而这个奖表彰的是二十五年前的工作。这一次是伦理的:他不否认工作的价值,他否认「用奖来定价值」这套办法。
第三次是 1990 年的祝寿文集。同行编了一部文集庆他六十岁,他拒绝接受,理由是:他的工作没有被真正理解,出一部文集只是把误解固定下来。这一次最不客气,也最像他晚年:不是政治,不是伦理,是「没有人懂我」。
三次放一起看,差别很清楚。第一次向外面抗议,第二次向体制抗议,第三次向同行抗议。前两次有人叫好,第三次几乎没人接话——因为前两次他站在一个公共立场上,第三次他站在一个只有他自己能站的位置上。
有一条线把三次串起来。他不是不要荣誉,他是不承认「荣誉」这个尺度。在他看来,一个数学工作的价值由它是否被用、是否被懂来决定,不由奖章与奖金决定。这个看法可以争论,可它是彻底的——彻底到他连自己的声望也不肯拿来用。
还有一层要说清。拒绝领奖的人,通常被写成清高;他不太一样。他 1988 年那封信里,最重的不是「我不要」,是「这个行业对同行的剽窃太宽容」。他把拒绝当成一次公开指控,而不是一次个人修行。
一句话:三次不受,一次比一次孤立。第一次他还有同伴,第二次只剩道理,第三次只剩他自己。第五幕要讲的退出,就是这条线走到底的样子。
一、十五年与二十四年。1973 年到蒙彼利埃教基础课,1988 年退休;1990 年交出手稿,搬进山里,2014 年卒于圣吉龙(p.34)。退出是一个动作,不是一个姿态。
二、一个函数。点数打包成 ζ 函数:p=5 时它等于(1+2T+5T 的平方)除以((1−T)(1−5T)),展开是 1、8、48、248;换 T 为五 T 分之一值不变;分子两根的模都是 0.447(p.35)。无穷多个点数,被两个数管住。
三、记录法。按日期写,不按题目写;两万八千页除四十三年,每天一点七八页;《收获与播种》每月五十七点六页(p.36)。不预设结构,等结构出现。
四、两万八千页。上线一万八千页,占六成四;每天读二十页要三年十个月;正式发表的不到十分之一(p.37)。暗线第五笔立在这里:潮水退去之后(p.38)。
下一部分是收束。先把八十六年排成一张年表,再把三样明线与五笔暗线各归各位,然后用两个「动手做」把这一册的两件本事交到手上:造一个谱,数一条曲线上的点。
把一生的节点排成一行。
1928 3 月 28 日生于柏林;父为乌克兰无政府主义者,母为汉堡记者
1933 父逃巴黎;1934 年起寄养于汉堡牧师家
1939 5 月赴法;父入韦尔内营
1940—1942 与母同囚于里约克罗斯营,在芒德上学
1942 父经德朗西转奥斯维辛遇害;他被送到勒尚邦
1945 会考及格;入蒙彼利埃大学
六行之外,补盛年与晚年:
1948 赴巴黎,听嘉当讨论班
1949 转南锡,从迪厄多内与施瓦茨;数月解十四题
1953 博士论文《拓扑张量积与核空间》;赴圣保罗,1955 堪萨斯,1956 返巴黎
1957 〈论同调代数中的若干要点〉刊于日本;12 月 16 日母逝
1958 爱丁堡一小时报告;入高等科学研究所
1960—1967 与迪厄多内写《代数几何基础》八辑;1960—1969 主持讨论班成七卷
1966 获菲尔兹奖,不出席莫斯科典礼
1967 赴河内讲学
1970 因军费辞去研究所;创办《生存》
1970—1972 法兰西学院教席,未续
1973 任蒙彼利埃大学教授
1983—1986 写《收获与播种》;1984 《纲领草案》
1987 写《梦的钥匙》
1988 退休;拒领克拉福德奖
1990 交手稿于马尔瓜尔;迁比利牛斯山拉塞尔村
1995 再交一批手稿
2014 11 月 13 日卒于圣吉龙,年八十六
三样明线,各有一页压舱。第一样,概形(p.14—p.16):点换成素理想,整数环的点是零与每个素数;幂零元把重数带回来,一个点的空间可以是二维;模六的环与「模二乘模三」完全一样。
第二样,层(p.21—p.22):两条公理,限制与粘合;射影直线上带 d 阶极点的截面维数是 d+1;上同调第二格的维数就是亏格,欧拉示性数是 1 减亏格。
第三样,拓扑斯(p.28):把「覆盖」公理化,得到一个自带逻辑的世界;在那里「存在」等于「局部存在」,排中律不成立;1970 年代它被拆出来,进了逻辑与计算机科学。
三段接线,是本册的另一半。概形接数论(p.14):一个多项式在各素数处分裂、惯性还是分歧,判据是除以八的余数。层接几何(p.22):亏格从「洞的个数」变成一个群的维数。拓扑斯接伽罗瓦(p.29):域论定理成了拓扑定理的特例,有限域的谱只有一个次数 n 的连通覆盖。
暗线一件,五笔连成一体。把海抬高(p.10)、换一套语言(p.17)、把局部粘起来(p.24)、换一个世界(p.31)、潮水退去之后(p.38)——五笔连起来,正是一个人从造工具到走下桥的全程。
一句话收束:本册讲的不是一个人证了多少定理,而是一个人怎样把「空间」这个词重写一遍,让一整类问题自己消失;重写之后他被这门学科用得极熟,也被它忘得极干净。
五幕合起来,是这样一句账:一个在集中营里长大的无国籍孩子,先在葡萄园里自己重造了测度,又在南锡几个月做完十四道题;他造出一张叫概形的纸,把「点」换成素理想,让重数进门;他在爱丁堡讲了一份十年计划,把数点换成算迹,最后一段路别人走完;他在 1970 年为一笔军费辞了职,此后写的字比论文多十倍;他把两万八千页交给一个学生,搬进山里,二十四年后死在一间小医院。
这句话里藏着本册的写法。五幕各有一笔暗线:抬高、换词、粘合、换世界、退潮。明线在纸面上算数,暗线在纸面下说这些数为谁算。两线合一,就是「把海抬高」。
给读者留一句话。学数学最容易犯的错,是把「会算」当成「懂了」。会算的人能解出一道题;懂的人知道这道题为什么长在这个位置。前者靠技巧,后者靠地基——而地基是别人几十年不声不响抬起来的。学一门学问,早晚要问一句:我脚下这块地,是谁铺的。
器材:纸、笔。目标:不用坐标,只用「素理想」这个说法,把三个环的「空间」画出来。
任务一:模十二的环。它的理想由十二的因子生成;素理想只有两个,由二与三生成。所以它的谱只有两个点。这两个点记住的是「十二等于二乘二乘三」——三个质因子,两个不同的。
任务二:模六的环。它的素理想也是两个,由二与三生成。用中国剩余定理,模六的环与「模二乘模三」完全一样:六个元素一一对上。所以「两个点」这件事,与「环分成两块」是同一件事。
任务三:让两块相交。取模六的环与模四的环,做张量积。结果是模二(因为六与四的最大公因数是二)。这就是「两个点在一个更小的点上相交」——两个环的共同部分是二,所以它们交在「二」这个点上。
任务四:造一个「带厚度的点」。取一个域上的多项式环,把 x 的平方商掉。这个环里的元素都写成 a+bε,而 ε 的平方为零。它的谱只有一个点,可它作为向量空间是二维的。写下来:一个点,两维。这就是重数。
任务五:找一个「零点集看不见」的点。在二元域上取 x 平方加 x 加一:代零得一,代一得一,都没有根,所以它不可约。按零点算,这个方程没有点;按理想算,它有一个点,度数是二。要扩到四元域,它才裂成两个点。
收尾一笔账。一个环的素理想,就是它的「地址」。地址的数目、地址之间的包含关系、两块地方在哪个地址上相交——这三样就是几何。坐标可以不要,地址非有不可。
器材:纸、笔、一张平方剩余表。目标:亲手数出 y 平方等于 x 立方减 x 在三个有限域上的点数,再算误差。
任务一:先列平方表。模三的平方是零与一;模五的平方是零、一、四;模七的平方是零、一、二、四。把这三行写下来,后面全靠它。
任务二:数模三。把 x 取零、一、二,右边分别是零、零、六(模三为零)。三次都落在平方表里,每次都只给一个 y(因为零的平方根只有一个)。加上无穷远点,一共四个。
任务三:数模五。右边依次是零、零、六(模五为一)、二十四(模五为四)、六十(模五为零)。落在平方表里的是零、零、一、四、零:一与四各给两个 y,零各给一个。合计一加一加二加二加一,得七;加无穷远点,八个。
任务四:数模七。右边依次是零、零、六、二十四(模七为三)、六十(模七为四)、一百二十(模七为一)、二百一十(模七为零)。平方表里有的是一、四、零;六与三不在表里。合计一加一加零加零加二加二加一,得七;加无穷远点,八个。
任务五:算误差。把点数记作 N,算「p+1 减 N」:模三得零,模五得负二,模七得零。三个数的绝对值都不超过二乘根号 p(三点四六、四点四七、五点二九)。这就是哈塞界。
收尾一笔账。点数是一个一个数出来的,可理论的价值恰恰在于「不必数」。会数的人只能数到七;会算的人知道任意一个素数处该有多少——差别不在耐心,在有没有那两个根。
谱 一个环的所有素理想构成的集合,配上「闭集=包含某理想」的拓扑(p.14)。
素理想 不是整个环、且两元素之积落在其中必有一元素落在其中的理想(p.14)。
概形 局部同构于某个环的谱的赋环空间;把「解集」换成「环上的空间」(p.16)。
结构层 每块开地方给出该处「函数」的那个层;射影直线上它的整体截面只有常数(p.21)。
幂零元 自身不为零而某个幂为零的元素;重数的载体(p.15)。
纤维积 两个空间「叠在一起」的构造;环上对应张量积,几何上对应交(p.16)。
层 每块开地方给一份截面、并在重叠处满足粘合公理的结构(p.21)。
截面 层在一块开地方上给出的那份数据;整体截面即全空间上的那份(p.21)。
上同调 把「能粘的」与「粘不上的」排成一队的群;第二格记障碍(p.22)。
亏格 曲线上的「洞数」;等于结构层第一上同调群的维数(p.22)。
ζ 函数 把各次扩域上的点数打包成的幂级数;对光滑曲线是有理函数(p.35)。
弗罗贝尼乌斯 把每个数取 q 次方的映射;它在第一上同调上的迹决定点数(p.23)。
拓扑斯 一个格罗滕迪克拓扑上的层构成的范畴;自带直觉主义逻辑(p.28)。
K 群 把「直和」变成加法、再形式地添上减法的群;射影直线上记秩与次数(p.30)。
迪厄多内(1906—1992) 法国数学家,布尔巴基成员;《代数几何基础》的执笔者与共同署名人(p.18)。
施瓦茨(1915—2002) 法国数学家,1950 年菲尔兹奖;分布理论创始人,南锡时期的导师之一(p.6)。
嘉当(1904—2008) 法国数学家,布尔巴基成员;其讨论班把层论带入拓扑,是柯罗滕迪克转向的入口(p.6)。
塞尔(1926—) 法国数学家,1954 年菲尔兹奖;1955 年以层论重写代数几何,并提醒他允许幂零元(p.15、p.16)。
韦伊(1906—1998) 法国数学家,布尔巴基成员;1949 年提出关于有限域上簇的 ζ 函数的三条猜想(p.20)。
莫查纳(1900—1990) 高等科学研究所的创办人,1958 年起任所长(p.13)。
德利涅(1944—) 比利时数学家,其学生;1974 年证出韦伊猜想最后一条,1978 年获菲尔兹奖(p.25)。
韦尔迪耶与伊吕西 法国数学家,其学生;前者整理「六种运算」的形式体系,后者整理平展上同调的基底(p.24)。
马尔瓜尔 法国数学家,其学生;1990 与 1995 年两次接受手稿,2010 年转交蒙彼利埃大学(p.34)。
哈塞(1898—1979) 德国数学家;1936 年证出椭圆曲线的「黎曼假设」,即误差不超过二乘根号 p(p.23)。
劳维尔与蒂尔尼 美国数学家;1970 年前后提出初等拓扑斯公理,使拓扑斯进入逻辑与计算机科学(p.28)。
基本文献 《拓扑张量积与核空间》(1953);〈论同调代数中的若干要点〉(1957);与迪厄多内《代数几何基础》(八辑,1960—1967);《代数几何讨论班》(七卷,1960—1969);〈关于韦伊猜想的报告〉(1958);《纲领草案》(1984);《收获与播种》(1983—1986,2022 年两卷本);《梦的钥匙》(1987)。研究文献:舒尔劳《谁是柯罗滕迪克》;《收获与播种》整理版导言;蒙彼利埃大学手稿档案;柯罗滕迪克与塞尔通信集(2001)。
第一件,标准猜想与动机。他 1960 年代提出「动机」这个想法:既然不同的上同调理论(奇异、平展、晶体)算出的东西有相似的形状,那就应该有一个共同的对象,这些理论都是它的「影子」。要把这件事做成,需要一组叫「标准猜想」的命题;六十年过去,这组猜想大半还开着。
第二件,远阿贝尔几何。1984 年那份《纲领草案》提出:不去直接抓有理数的伽罗瓦群,而让它作用在「孩童的画」上。这个方向在 1990 年代之后有人接,可进展零星——它要求同时会三样东西:代数几何、组合、数论,能凑齐的人不多。
第三件,那一万页没有上线的手稿。已经上线的六成四,是 2017 年那一批;剩下的一万页要等整理、清版权、处理他人信件。这件事没有捷径,只能一页一页做。做完了,也许会有新的东西,也许没有——但至少有了一份完整的账。
还有一条更远的路。拓扑斯进了逻辑与计算机之后,长出了一支叫「拓扑斯与理论」的研究:把一门理论(比如群论、环论)对应到一个拓扑斯,用几何的方法研究这门理论。这条路 2000 年代以后才成形,与代数几何已经隔了两层——可它的根,还是 1963 年那次把「覆盖」重新定义。
这一页的意思,不是「还有难题」这句废话,是:他留下的东西件件都还开着。猜想还开着,纲领还开着,手稿还开着,连那套最抽象的工具也在别处开出了新的枝。一个人能在死后继续被引用,靠的不是名声,是问题还开着。
2。一个点的厚度。圆与直线相切,零点集只给一个点,商环作为向量空间是二维。k[x]/(x2) 这个环只有两个基:一与那个平方为零的元素。这个二是概形理论的第一个收获——重数第一次成了一个可以数出来的东西(p.15)。
d+1。层的截面账。射影直线上允许 d 阶极点的函数,整体截面的维数是 d+1;d 取 0 到 5,维数是 1 到 6。理由是两个变量的 d 次齐次多项式有 d+1 个系数。一个层有多少截面,就这样一个系数一个系数地数出来(p.21)。
p+1。亏格零的点数。射影直线,圆,任何一条亏格零的曲线,在 p 元域上都恰好 p+1 个点。p=3、5、7、11、13 时圆上有 4、6、8、12、14 个点,一个不多,一个不少。这是所有点数公式里最干净的一条,也是「形状决定点数」这句话的第一个例子(p.7)。
2 乘根号 p。误差的界。椭圆曲线在 p 元域上的点数,与 p+1 的差不超过 2 乘根号 p。p=29 时是 10.77,实测的差是负十,正好卡在界内。p=41 时是 12.81,实测是十。这个界不是估的,是两个根的模算出来的(p.23)。
0.447。根的模。那条曲线在五元域上的 ζ 函数,分子两个根的绝对值都是 0.447,等于 5 的平方根分之一。这就是韦伊猜想的第三条:根落在「该落的地方」,一点不差。它解释了上面那个界,也解释了为什么这条猜想被叫作「有限域上的黎曼猜想」(p.35)。
两万八千。人的账。四十三年的手稿,六百五十一页一年,一点七八页一天;上线一万八千页,占六成四;一个人每天读二十页,要读三年十个月。前五个数是数学的账,这一个是人的账——两本账放在一起,才知道那五个数是怎么来的(p.36、p.37)。
本册的三层各有入口。小学低年级:只读故事页,配 p.44 前两个任务——模十二与模六的「地址」,只要会除法就能做;「一个环有几个地址」这个问题,孩子数几遍就会自己发现规律。p.3 的皮箱、p.34 的山中小屋也可以当闲话讲:一个没有祖国的人,怎样造出一门没有坐标的几何。
小学高年级到初中:加读 p.7、p.44、p.45 的实算。数点只用平方表与加法;模三那条曲线一共四个点,孩子可以一个格子一个格子数出来。p.45 的任务二到任务四,是把「数点」这件笨事做三遍,做完就明白为什么数学家想找一条捷径。
高中及以上:全册可读。p.14 的素理想、p.15 的幂零元与贝祖定理、p.21 的层、p.22 的上同调、p.23 的平展上同调与迹公式、p.28 的拓扑斯、p.30 的 K 群,是大学代数几何与算术几何两门课的完整预告;注疏层的文献路径可供检索。
三处提示给家长。其一,本册的门槛比同辑其他册高,原因是它的主角造的是一套语言。孩子若读不下去,最好的办法是绕开数学页,只读故事与 p.44、p.45 两个动手做——先摸到「地址」与「数点」,语言的事以后再说。其二,p.3 的家世要讲得平实:父亲死于奥斯维辛,母亲死于狱中落下的病——不渲染,只讲事实;这一册后面的「不肯合作」,根子在这里。其三,本册与同辑讲代数结构的那一册可以对读:那一册问「数域怎样被重排」,本册问「空间怎样被重造」——一个在数的内部动手,一个在地基上动手。
误区一:「概形就是把簇换了个名字。」不是。它多出两样东西:幂零元带来的厚度,与「点可以是素理想」带来的内部结构(p.14、p.15)。换名字不会让贝祖定理少掉三种例外;换地基才会。
误区二:「他证明了韦伊猜想。」不全是。他提出纲领、造出工具,并证出前两条;第三条对曲线早由韦伊与哈塞解决,一般情形由德利涅 1974 年解决(p.20、p.25)。把「造工具的人」说成「证完的人」,是对两种劳动的双重误解。
误区三:「拓扑斯是玄学。」不是。它有严格公理,且已在逻辑与计算机科学里用了五十年(p.28)。它听着玄,是因为它换的是「什么算证明」;一旦换了,很多话要重新学着说。
误区四:「他拒绝了菲尔兹奖。」说法不准。他 1966 年获了奖,只是不出席莫斯科的典礼,奖章由他人代领(p.27、p.39)。「不出席」与「不接受」是两件事;他真正拒领的是 1988 年的克拉福德奖。
误区五:「他晚年穷困潦倒。」不是。他 1973 至 1988 年在蒙彼利埃有教职,退休后有退休金;1988 年拒奖的理由之一,正是「薪金与退休金够用」(p.34、p.39)。他过的是隐居,不是贫困;把隐居写成贫困,会让他的选择看起来像被迫。
《数学家的故事》第五辑 第 50 册
柯罗滕迪克 · 涨潮之海
体例:五幕 · 52 页 · 三层可读(故事/数学/注疏)
插画:40 幅(留白线体)
数值:全册关键数值实算复核
本册为「格物致知」系列数学通识读物之一,面向全龄读者。
故事层无需预备知识;数学层对应高中至大学初年级;注疏层供检索与延伸。
格式 · 格物致知 · JUST FOR FUN