物理群星
大卫·希尔伯特 肖像

图:佚名,1907(公有领域)

大卫·希尔伯特

David Hilbert

1862–1943 · 生于东普鲁士柯尼斯堡 · 德国

数学物理

他把哥廷根变成全世界的数学中心,又活着看它在几个月里被拆光

「我们必须知道,我们必将知道。」

—— 1930 年 9 月 8 日柯尼斯堡的退休演说,后刻上他的墓碑

希尔伯特在柯尼斯堡长到十八岁。这座城市此前出过康德,也出过那个七桥问题;他念的中学正是康德一百四十年前念过的那所。

真正改变他的是两个同城的人。一个是闵可夫斯基,比他小两岁,安静、聪明得吓人,后来他管这个人叫「我最好也最真的朋友」。另一个是从哥廷根来的赫尔维茨。三个人每天下午五点准时去果园散步,边走边把数学从头讨论一遍。他后来说,那几年的散步比任何课都有用。

哥廷根

1895 年克莱因把他弄到了哥廷根。此后三十五年,这座人口不到三万的小城成了全世界数学的首都。

规模可以从名单上看出来:他带过六十九个博士,其中有外尔、库朗、赫克;冯·诺伊曼和维格纳都当过他的助手;玻恩替他誊写过讲义;诺特是他和克莱因请来的;泡利、奥本海默、费米、狄拉克都在这里待过。那句流传的说法——「打包去哥廷根」——不是修辞。

1900 年他在巴黎的国际数学家大会上一口气提出二十三个问题。这是一次相当大胆的举动:他不是报告成果,而是给整个学科排议程,而且排对了——二十世纪的数学有相当一部分是在回答这些问题。第六个问题是给物理学家的:把物理学公理化,像他刚刚对几何做过的那样。

这个问题他自己也动了手。1912 年前后他把主要精力转向物理,学气体动理论、辐射理论、相对论。有一句被反复引用的话据说是他这段时间说的:物理学对物理学家来说太难了。

1915 年 11 月

那年秋天,爱因斯坦到哥廷根做了六场讲演,把广义相对论当时的困境讲了个透。希尔伯特听完就接着往下做。

接下来的几周,两个人几乎同时逼近同一组方程,谁先谁后争了八十年。1997 年,三位科学史家找到了希尔伯特那篇论文的印刷校样。校样的日期在爱因斯坦提交之前,可上面没有那组明确的场方程;方程是在爱因斯坦发表之后、校样修改时补进去的。

争论就此了结:优先权属于爱因斯坦。希尔伯特留下的是另一样东西——他是从一个作用量出发做变分,而不是像爱因斯坦那样一步步凑。今天写下任何一个基础理论,第一件事都是写它的作用量,然后变分。

希尔伯特自己对这件事的态度很平静。他说过一句话大意是:哥廷根马路上随便一个孩子都比爱因斯坦更懂四维几何,可是发明相对论的是爱因斯坦,不是数学家。

一间研究所是怎么消失的

1930 年他退休,外尔接他的位子。同年 9 月他回柯尼斯堡领荣誉市民,作了那场退休演说。当时流行一句拉丁格言,说有些事我们不知道也永远不会知道;他的回答是「我们必须知道,我们必将知道」。这句话录了音,后来刻上他的墓碑。

演说的前一天,在同一座城市开的另一个会上,二十四岁的哥德尔第一次宣布了不完备定理——任何一个足够强的形式系统里,都有真而不可证的命题。希尔伯特那套「把数学彻底形式化、彻底证明其无矛盾」的纲领,在他说出那句话之前一天就已经被限住了。

1933 年 4 月起,哥廷根被清空。外尔走了,诺特走了,朗道、库朗、伯奈斯都走了,有的因为犹太血统,有的因为配偶。一年后希尔伯特在一次宴会上被安排坐在新任教育部长鲁斯特旁边。部长问他:数学研究所真的因为犹太人的离开而受了那么大影响吗?

他的回答是:受影响?它已经不存在了,不是吗。

1943 年他去世时,来送葬的不到十二个人,其中只有两位是同行。消息传到外界,已是几个月之后。

代表方程

爱因斯坦-希尔伯特作用量

S=12κ∫R−g d4xS = \frac{1}{2\kappa}\int R\sqrt{-g}\,\mathrm{d}^4x

广义相对论的场方程可以从这一个积分变分出来:被积的只是时空的标量曲率 RR。1915 年 11 月希尔伯特与爱因斯坦几乎同时逼近这组方程,走的却是两条路——爱因斯坦从等效原理和水星轨道往前推,希尔伯特从「什么样的作用量最简单」往下推。今天几乎所有基础理论都是先写作用量再变分,这个写法就是从这里开始的。

希尔伯特空间的内积

⟨ψ∣ψ⟩=∫∣ψ(x)∣2 dx=1\langle \psi | \psi \rangle = \int |\psi(x)|^2 \,\mathrm{d}x = 1

希尔伯特研究积分方程时,把「无穷多个分量的向量」和它们之间的内积整理成了一套自洽的几何。二十多年后,量子力学发现自己需要的正是这套东西:一个量子态就是这个空间里的一个单位向量,两个态的内积给出跃迁振幅,模长的平方是概率。这个空间的名字是冯·诺伊曼取的。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.希尔伯特《数学问题》,《美国数学会通报》第 8 卷第 437 页(1902,1900 年巴黎讲演的英译)
  2. 2.希尔伯特《物理学的基础(第一份报告)》,《哥廷根科学学会消息》第 395 页(1915)
  3. 3.科里、伦恩与施塔赫尔《希尔伯特-爱因斯坦优先权之争的迟来判决》,《科学》第 278 卷第 1270 页(1997)——校样证据
  4. 4.里德《希尔伯特》,施普林格出版社(1970)——标准传记,本页的轶事多出自此书