这次是一场很难有机会听到的演讲,从故事的开头就谈到许多数学最基本的东西及其典故。一般研究生做数学研究的时候,都是比较偏重技术性,从定义定理开始,即便不知道这些定理的由来,也还是继续进行技术性的逻辑推导。但不管从任何角度来看,我们做研究都必须知道故事的来龙去脉及源头,这样才能提供继续往下走的动力。
今天的演讲题目怪物与月光有点不大像数学。
如果你来这边觉得会听到我谈月光怪兽,对不起,今天不谈月光怪兽,也不说月光之下的怪兽,我们今天谈的是实实在在的数学问题。
也许你会感到疑惑,为什么名字那么奇怪,怪兽与月光,我希望大致解释一下为什么用这样的名字来看数学问题,另一个很重要的问题是Richard Borcherds在这个月光与怪兽之间做了些什么事情,让他获得1998年的菲尔兹奖,这是最主要要说的内容,当然这之间多少会提到些数学,有些简单,有些较难。
首先,Monster是什么,第二个问题Moonshine月光是什么,为什么用那么奇怪的名字命名数学问题。
当然,除了解释是什么之外,也会提到为什么是有趣的,或是说为什么很特别。接下来,简单介绍一下Richard Borcherds。他的第一篇论文发表的时候只有20出头,在25、26岁时就有些非常重要的结果。我也会简单地讲一下他做了什么事情,有那些贡献令我们对Monster和Moonshine有更好的了解。
Monster是个有限群。如果学过代数,就会知道什么是有限群,是在研究些什么东西。
Monster是最大的一个散在单群,要解释什么是单群比较困难,从简的解释就是它没有正规子群。英文中sporadic指的是分散的、不常出现的,当你研究单群的时候可以发现,有许多的单群例子,而sporadic是分散的,没有一个好的方法说明它是什么样的群。
在数学里面若有一个对象是sporadic、exceptional,也就是不清楚来源,也不清楚与其它对象之间的关系,这些东西在某种程度上都是重要的,必须费心思去研究。
我说它在sporadic群中是最大的,它有多大呢?这一个群的大小是808017424794512875886459904961710757005754368000000000,长度有54位数。54位数听起来似乎还好,但是如果认真算一下,是非常可怕的。物理学家说这个数字比我们银河系中的基本粒子还多。所以就算想要用计算机处理这个数也是办不到的,因为没有足够记录的粒子,尤其当时的计算机还不是很发达。
所以当发现有这个既大又可怕的对象的时候,就被命名为Monster怪物。当然在定名为Monster之前,也有人称之为Friendly Giant,但后来大家还是觉得并不是很友善,所以还是以Monster称之。
Sporadic群总共有26个不同的群,其中Monster是最大的,剩下的各有不同的名字,有5个是Mathieu群,Janko发现了四个,称为Janko群,Conway发现三个,是Conway群,Fischer有三个群,是Fisher群,其他分别由不同的人发现也都各有命名。
在这当中,Monster和Baby Monster也都是由Fischer发现的,不过一般称为Monster和Baby Monster,并没有用Fischer的名字命名。
Moonshine呢?这没办法用三言两语详细说明,但是简单来说它代表Monster群特征标和数论中一种很重要的函数——模函数的神秘关系,是一个完全出乎意料的关系。模函数和群看起来没有甚么特别的关系,在研究数论或黎曼曲面时常会遇到模函数,但跟有限群好像没有太大关系。有了这个奇怪的关系,数学家们第一个想知道的问题就是它是否正确,第二个问题自然而然地就是为什么是正确的。如果是正确的,有没有一个好的解释。
1982年Griess发表了这个196883的代数的论文,实际上,他在1980年就已经公布了这个结果。这件事在当时是一件非常轰动的事情,因为196883是一个这么庞大的矩阵,加上那时候的计算机技术也不甚发达,所以没有人相信这个群可以那么快就做出来。没想到,Griess用手就把它算出来,发表的论文也不过是一百页左右。除了把这个196883的代数算出来,他也证明了Monster是存在的。
后来Conway跟Griess将原来的做法简单化,把196883加了一个单位元变成196883+1,因为这是代数结构,所以希望有单位元,比较容易处理。这样做的好处是容易处理,坏处是维度又变大了。
最后,Moonshine这个名称的由来就是因为Conway, Norton等人尝试去解释这个关系,但当时完全没有足够的证据,也没有证明。他们发表的文章也是数学论文中的一篇奇葩,因为没有太多的定理,也少有证明,只有观察与计算。这样的数学论文是非常少有的。也是因为这个关系在当时还没完全“合法”,所以被称为moonshine也就一点都不奇怪。