这是菲尔兹奖得主，华人数学家丘成桐的科普佳作，主要讲述了他的思想演化，同时引介了众多现代数学家。
1976年，年方27岁的丘成桐解决了微分几何中的一个著名难题“卡拉比猜想”，其结果被称为“卡拉比-丘流形”，后来被应用在物理学的弦理论中，成为描述宇宙空间的理论基石。1979年，他又证明了每个符合爱因斯坦方程的解都具有正总质能量，确认平直时空的稳定性。因此，他的研究橫跨数学和物理两大领域。
读者可以与物理学家的弦论经历相互参照，看到数学与物理的相互影响和促进。
2018年新版的《*推动丛书》全新设计了版式和封面，简约个性，提升了阅读体验，让科普给你更多想象。
随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。
本书引领读者探索一个奇怪又奇妙的可能性：我们看到的三维空间可能不是宇宙中*的几个维度。由数学大师为我们从头细说，深度讲解这个近代理论物理学*令人兴奋、争论缤纷的发展。──格林 (BrianGreene，哥伦比亚大学物理教授，《宇宙的琴弦》等畅销书作者)
爱因斯坦的想像：物理定律从空间的形狀涌现出来。弦理论的更高维度将爱因斯坦的概念往前拓展，不仅改变了近代物理，也改变了数学的形貌，而丘成桐正是身处于这些发展的中心。在这本雄心十足的书中，丘成桐敘述了他在数学世界的经验、弦理论和数学结合、尝试了解空间的努力。──波钦斯基 (JoePolchinski，加州大学圣塔芭芭拉校区物理教授)
《大宇之形》风格独特：在描述过去四十年几何分析和弦理论的发展，以及指出未来的方向之外，同时也是本半自传。这本书让我们得以了解近代*重要、*有影响力数学家之一的思维以及洞见。──多纳森 (SimonDonaldson，伦敦皇家学院理论数学教授兼数学研究院院长)
一般读者在《大宇之形》中会发现许多充满挑战的概念和想法；学者则在了解丘成桐的成长过程和研究工作时，会觉得兴趣盎然。──威滕(EdwardWitten，普林斯顿高研究院教授)
这是弦理论的数学如何被发现的*手报道。菲尔茨奖得主丘成桐和科普高手纳迪斯联手，让我们见识到位于宇宙中心的深层次的几何。──史特格茲 (StevenStrogatz，《纽约时报》专栏作家，康奈尔大学数学系教授)
丘成桐和纳迪斯的这本不寻常的书，带给爱好者关于数学中*美丽和*重要的神秘内部世界的出色一瞥。——科茨（John Coates，剑桥大学，赛迪纯粹数学教授）
《大宇之形》把读者带上了探访现代几何与物理学的美丽领域，以及当代做出贡献的人物的奇妙旅程，我极力推荐给富有求知欲的读者。——格罗斯(David J.gross，诺贝尔物理学奖获得者，格鲁克理论物理教授)
第1章 想象边缘的宇宙（部分）
对数学家而言，
维度指的是一种“自由度”，
也就是在空间中运动的独立程度。
在我们头上飞来飞去的苍蝇可以向任何方向自由移动，
只要没有碰到障碍，
它就拥有三个自由度。
但维度是不是就只有那么多？
望远镜的发明以及随后多年以来的不断改良，帮助我们确认了一项事实：宇宙比我们能看到的还要浩瀚、广大。事实上，目前所能得到的*证据显示，宇宙将近四分之三是以一种神秘、看不见的形式存在，称为“暗能量”（dark energy），其余大部分则是“暗物质”（dark matter），再剩下来构成一般物质（包括我们人类在内）的，只占百分之四。而且物如其名，暗能量和暗物质在各方面都是“暗的”：既看不见，也难以测度。
我们所能看见的这一小部分的宇宙，构成了一个半径大约137亿光年的球体。这一球体有时被称为“哈勃体”（Hubble volume），但是没人相信宇宙的整体范围只有如此而已。根据目前所得的*数据，宇宙似乎是无穷延伸的——不管我们向哪个方向看去，如果你画一条直线，真的可以从这里一直延伸到永恒。
不过，宇宙仍有可能是弯曲而且有界限的。但即使如此，可能的曲率也会非常微小，以至于根据某些分析显示，宇宙必然至少有上千个哈勃体那么大。
*近发射的普朗克太空望远镜，或许会在几年内揭露宇宙可能比一百万个哈勃体还大，而我们所在的哈勃体只是其中之一而已。我相信天文物理学家的这一说法，也了解有些人可能会对上面引述的数字有不同意见，但无论如何，有个事实是不容辩驳的：我们目前所见到的，不过是冰山一角。
而在另一个*，显微镜、粒子加速器以及各种显影仪器持续揭露宇宙在微小尺度上的面貌，显现了人类原先无法触及的世界，像细胞、分子、原子，以及更小的物体。如今我们不再对这一切感到惊讶，完全可以期待望远镜会向宇宙的更深处探索。另一方面，显微镜和其他仪器则会把更多不可见之物转为可见，呈现在我们眼前。
*近几十年间，由于理论物理学的发展，再加上一些我有幸参与的几何学进展，带来了一些更令人惊讶的观点：宇宙不仅超出我们所能看见的范围，而且可能还有更多的维度，比我们所熟悉的三个空间维度还要多一些。
当然，这是个令人难以接受的命题。因为关于我们这个世界，假如有件事是我们确知的，假如有件事是从人类开始有知觉时就知道，是从开始探索世界时就晓得的，那就是空间维度的数目。这个数目是三。不是大约等于三，而是恰恰就是三。至少长久以来我们是这样认定的。但也许，只是也许，会不会还有其他维度的空间存在，只不过因为它太小，以至于我们无法察觉呢？而且尽管它很小，却可能扮演非常重要的角色，只是从人们习以为常的三维视野无法体认到这些罢了！
这个想法虽然令人难以接受，但从过去一个世纪的历史得知，一旦离开日常经验的领域，我们的直觉就不管用了。如果运动速度非常快，狭义相对论告诉我们，时间就会变慢，这可不是凭直觉可以察觉到的。另外，如果我们把一个东西弄得非常非常小，根据量子力学，我们就无法确知它的位置。如果做实验来判定它在甲门或者乙门的后面，我们会发现它既不在这儿也不在那儿，因此它没有*的位置，有时它甚至可能同时出现在两个地方！换言之，怪事可能发生，而且必将发生。微小、隐藏的维度可能就是怪事之一。
如果这种想法成真，那么可能会有一种边缘性的宇宙，一处卷折3 在宇宙侧边之外的地域，超出我们的感官知觉，而这会在两方面具有革命意义：单仅是更多维度的存在——这已经是科幻小说一百多年来的注册商标 ——这件事本身就够令人惊讶，足以列入物理学史上的*重大发现了。而且这样的发现将会是科学研究的另一起点，而非终点。这就好像站在山丘或高塔上的将军，得益于新增加的垂直向度，而能把战场上的局势看得更清楚。当从更高维的视点观看时，我们的物理定律也可能变得更明晰，因而也更容易理解。
从苍蝇的世界看维度的意义
我们都很熟悉三个基本方向上的移动：东西、南北、上下（或者也可以说是左右、前后、上下）。不管我们去哪里——不论是开车上杂货店或是飞到大溪地 ——我们的运动都是这三个独立方向的某种基本组合。我们对这三个维度太过熟悉，以至于要设想另一个维度，并且指明它确切指向哪里，似乎是不可能的。长久以来，似乎我们所见的即是宇宙的一切。事实上，早在两千多年前，亚里士多德在《论天》（ On the Heavens）中就论称：“可在一个方向上分割的量，称为线；如果可在两个方向上分割的量，称为面；如果可在三个方向上分割的量，则称为体。除此之外，再无其他量。因为维度只有三个。”公元150年时，天文学家、数学家托勒密尝试证明不可能有四个维度，坚持认为不可能画出四条相互垂直的直线。他主张，第四条垂直线“根本无法量度，也无法描述”。然而，与其说他的论点是严格的证明，还不如说是反映了人们没有能力看到并描绘四维空间的事实。
对数学家而言，维度指的是一种“自由度”（degree of freedom），也就是在空间中运动的独立程度。在我们头上飞来飞去的苍蝇可以向任何方向自由移动，只要没有碰到障碍，它就拥有三个自由度。现在假设这只苍蝇降落到一个停车场，而被一小块新鲜柏油黏住。当它动弹不得时，这只苍蝇只有零个自由度，实质上被限制在单一点上，亦即身处于一个零维的世界。但这小东西努力不懈，经过一番奋斗后从柏油中挣脱出来，只可惜不幸翅膀受了点伤。不能飞翔之后，它拥有两个自由度，可以在停车场的地面上随意漫步。然后，我们的主角察觉到有掠食者（或许是一只食虫的青蛙），因此逃进一根丢弃在停车场的生锈排气管，苍蝇此时只有一个自由度，暂时陷入这根细长管子的一维，亦即线状的世界。
但维度是不是就只有那么多？一只苍蝇在天上飞，被柏油黏住，在地上爬，逃进一根管子里——这是否就囊括了一切可能性？亚里士多德或托勒密应该会回答“是”，对一只没有高度冒险精神的苍蝇而言，或许也确是如此，但是对当代数学家来说，故事并没有就此结束，因为他们通常不认为有什么明显理由只停留在三个维度。我们反而相信，想要真正理解几何学的观念，像是曲率或距离，需要从所有可能的维度，从零维到 n维来理解它（其中 n可以是非常大的数）。如果只停留在三维，我们对这个概念的掌握就不算完整，理由是：比起只在某些特定情境才适用的断言，如果大自然的定律或法则在任何维度的空间中都有效，那么它的理论威力更大，也可能更基本。
甚至即使你所要对付的问题仅限于二维或三维，也可能借由在各种维度中研究该问题而得到有利的线索。再回到我们那只在三维空间里嗡嗡飞的苍蝇，它可以在三个方向移动，亦即具有三个自由度。然而，假设还有另一只苍蝇在同一空间里自由移动；它同样也有三个自由度，整个系统就突然从三维变成六维的系统，具有六个独立的移动方向。随着更多的苍蝇在空间里穿梭，每一只都独立飞行而不与他者相关，那么系统的复杂度及其维度，也随之增加。
窥探更高的维度
研究高维度系统的好处之一是，可以发现一些无法从简单场景里看出的模式。例如在下一章，我们将讨论：在一个被巨大海洋覆盖的球形行星上，洋流不可能在任何点都朝同一个方向流动（例如全部从西流向东）。事实上一定会发生的是：一定存在着某些点，海水是静止不动的。虽然这条规则适用于二维曲面，但我们只有从更高维的系统观察，也就是考虑水分子在曲面上所有可能运动的情况，才能导出这个规则。这是为何我们不断向更高维度推进的原因，希望看看这样能把我们带到什么方向并学习到什么。
很自然的，考虑更高维度的结果之一是更大的复杂度。例如所谓“拓扑学”（Topology）是一门将物体依*广义的形状加以分类的学问。根据拓扑学，一维空间只有两种：直线（或两端无端点的曲线）和圆圈（没有端点的封闭曲线），此外再无其他可能性。你或许会说，线也可以是弯弯曲曲的，或者封闭曲线也可能是长方形的，但这些是几何学的问题，不属于拓扑学的范畴。说到几何学和拓扑学的差别，前者就像拿着放大镜研究地球表面，而后者则像搭上太空船，从外太空观察整个地球。选择何者，要视底下的问题而定：你是坚持要知道所有细节，比方说地表上的每一峰脊、起伏和沟壑，抑或只要大致的全貌（“一个巨大圆球”）便已足够？几何学家所关切的通常是物体精确的形状和曲率，而拓扑学家只在乎整体形貌。就这层意义而言，拓扑学是一门整体性的学问，这和数学的其他领域恰恰形成明显对比，因为后者的进展，通常是借由把复杂的物件分割成较小较简单的部分而达成。
也许你会问：这些和维度的讨论有何关系？如上所述，拓扑学中只有两种基本的一维图形，但直线和歪歪扭扭的线是“相同”的，正圆也和任何你想象得出的“闭圈”，不论是如何弯的，多边形、长方形，乃至于正方形都是相同的。
二维空间同样也只有两种基本形态：不是球面就是甜甜圈面。拓扑学家把任何没有洞的二维曲面都视为球面，这包括常见的几何形体，像立方体、角柱、角锥的表面，甚至形状像西瓜的椭球面。在此，一切的差别就在于甜甜圈有洞，而球面没有洞：无论你怎样把球面扭曲变形（当然不包括在它中间剪洞），都不可能弄出一个甜甜圈来，反之亦然。换句话说，如果不改变物体的拓扑形态，你就无法在它上面产生新的洞或是撕裂它。反过来说，假如一个形体借由挤压或拉扯，但非撕裂（假设它是由玩具黏土做成的），变成另一个形体，拓扑学家就把这两个形体看成是相同的。
只有一个洞的甜甜圈，术语称为“环面”（torus），但是一般甜甜圈可以有任意数目的洞。“紧致”（compact，封闭且范围有限）且“可赋向”（orientable，有内外两面）的二维曲面可以依洞的数目来分类，6/7这个数目称为“亏格”（genus）。外观回异的二维物体，如果亏格相同，在拓扑上被视为是相同的。
先前提到二维形体只有球面与洞数不同的甜甜圈面两大类，这只有在可赋向曲面的情况才成立，本书所讨论的通常都是可赋向曲面。比方说，海滩球有两个面，即里面和外面，轮胎的内胎也有两个面。然而，对于比较复杂的情况，例如单面或“不可赋向”的曲面如“克莱因瓶”（Klein bottle）和“莫比乌斯带”（Mbius strip），上述说法并不成立。
丘成桐(Shing-Tung Yau)，当代*伟大的数学大师之一，著名科学家，哈佛大学数学系系主任、讲座教授，清华大学数学科学中心主任。他获得了菲尔兹奖、沃尔夫奖、克莱福特奖、美国国家科学奖等大奖，是美、俄、中、意四国科学院院士。
丘成桐成功地解決了许多有名的数学难题，在偏微分方程、微分几何、复几何、代数几何以及广义相对论等都有影响深远的贡献。自1987年起，丘成桐在哈佛大学数学系任教，目前刚卸任该系系主任。
史蒂夫·纳迪斯 (Steve Nadis)，《天文》杂志专栏作家，在MIT、“关心世事科学家联盟”担任过研究员，曾任世界资源研究所和WGBH、NOVA等机构的顾问。
译者介绍：
翁秉仁，毕业于加州大学圣地亚分校，现为台湾大学数学系副教授，研究领域为低维拓扑、微分几何。曾翻译《数学：确定性的失落》与《科学人》等。
赵学信，成功大学建筑研究所建筑硕士，现任数学部编本网站工程师。曾翻译《Net&Ten》《现世》等。
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