王长立读素数的阴谋数学家群星闪耀时

《素数的阴谋》,[美]托马斯·林编著,张旭成译,中信出版社,年3月出版,页,59.00元素数又称质数,是除1和自己以外没有其他因数的自然数。上了一定年纪的国人对“素数”这个概念肯定不陌生,徐迟年发表在《人民文学》上那篇轰动一时的报告文学《哥德巴赫猜想》在当时的流行程度不亚于现在的顶流明星。陈景润因为对哥德巴赫猜想的贡献成为那个时代的网红。哥德巴赫猜想的表述出奇地简单,简单到小学生都能明白:证明任何一个偶数都可以写成两个素数的和。然而这个问题又是如此复杂和深刻,到现在还是个悬而未决的世界难题。素数基本而神秘,既有序又无序。它们被纳入神秘主义和宗教仪式,并启发了音乐作品。数学家认为素数是宇宙的基础之一,科学家发现了素数和量子力学之间的深层联系,而这些联系至今仍然无法完全解释。《素数的阴谋》结集了托马斯·林(ThomasLin)创办并主编的《量子杂志》(Quanta,报道科学和数学最新发展的独立网刊)中关于数学的系列文章。不懂数学的人可能认为数学家每天都在和各种各样的数字打交道,但华莱士(DavidFosterWallace)曾写过:“只有在几何、拓扑、分析、数论和数理逻辑的 层次,有趣和深刻才真正开始,那时计算器和无上下文的公式都消失了,只剩下纸、笔和所谓的天才,即理性和狂热创造力的特殊结合,它体现了人类心智 的地方。”书中既有在美国中餐馆刷盘子送外卖、近六十岁“高龄”解决世纪难题的张益唐,也有很小就获得国际奥数金牌的早慧型天才陶哲轩(TerrenceTao)、彼得·舒尔茨(PeterScholze),既有曾经想当诗人和科学记者却被伯乐数学大师相中半路出家取得巨大成就的许俊珥(JuneHuh),也有第一位获得菲尔兹奖的华人丘成桐,既有会演奏印度传统乐器的音乐家曼纽尔·巴尔加瓦(ManjulBhargava),也有巾帼不让须眉的玛丽亚姆·米尔扎哈尼(MaryamMirzakhani)和玛丽娜·维亚佐夫斯卡(MarynaViazovska)。

提起数学家,不得不提菲尔兹奖。菲尔兹奖是数学领域的国际 奖项,因诺贝尔奖未设数学奖,故该奖被誉为“数学界的诺贝尔奖”。菲尔兹奖每四年颁发一次,每次授予两至四名有卓越贡献的年轻数学家。获奖者必须在该年元旦前未满四十岁(数学行当的刻板印象认为数学是年轻人的游戏,超过四十岁的数学家很难有重大成果),每人能获得一万五千加币的奖金和金质奖章一枚。从年开始到年,全世界获菲尔兹奖的数学家一共才六十四人,足见含金量之高。菲尔兹奖分布最多的三个国家分别是美国、俄罗斯和法国。《素数的阴谋》中介绍了多位菲尔兹奖得主。

因《纽约客》长篇特写而出圈的华人数学家张益唐大器晚成,没有拿过菲尔兹奖,也因此突破玻璃天花板,成就了一段数学英雄不问年纪的佳话。在数论里,有一个和哥德巴赫猜想一样说起来很容易但至今无解的问题“孪生素数猜想”:证明有无数个相差2的素数对。张益唐通过多年默默无闻的努力,在这个问题上取得了突破性进展。乔治·奇切里(GeorgeCsicsery)的纪录片《大海捞针》(CountingFromInfinity)是难得一见的让数学家当主角的纪录片,片中张益唐略显羞涩,用中国口音的英语说到自己在普渡大学博士毕业的时候,博导不喜欢中国学生,不愿意给他写推荐信。在最初求职期间,他有时会住在朋友的车里,白天去赛百味快餐店打零工。大约有七年时间,他在各种朋友那儿打零工。后来朋友帮他在州立大学找到一份讲师的工作,他也颇受学生欢迎。张益唐始终没有放弃对数学的追求,幸运总是给有准备的人,但灵感的闪现充满了偶然。年7月,张益唐去指挥家好友齐光家做客,齐光院子里经常有梅花鹿出没,张益唐想去看看有没有梅花鹿,鹿一直没有出现,但就在某一个瞬间,灵感出现了。张益唐找到了一个解答弱孪生素数猜想的关键点,之后很快写成文章发表在顶级数学期刊上,震惊了整个数学界。对于数学家的灵感何时以及如何出现,《素数的阴谋》说:“灵感的出现无章可循。”类似的瞬间还包括:一位数学家在公交车站想到了量子混沌系统;一位默默无闻的大学讲师在朋友的后院突然想到了一条证明数论定理的途径;一位统计学家在浴室水槽前产生顿悟,发现了解决不等式的关键。

张益唐张益唐其实并没有彻底证明孪生素数猜想,而是证明了一个弱化版本:无论你在庞大的素数沙漠里走多远,你总会不停地发现相差小于七千万的素数对。重要的是他的方法和思路启迪了很多其他数学家。著名的华裔数学家陶哲轩在张益唐的基础上创立了博学者计划(PolymathProject)在线项目,通过联合全世界的数学家一起来改进这个结果,有点类似“脑力众筹”。出生于澳大利亚的陶哲轩出名很早。家乡报纸的标题写道:“七岁的陶哲轩是个神童。”配了一张身材矮小的陶哲轩上数学课的照片。三年后,十岁的陶哲轩成为历史上国际数学奥林匹克奖牌的最年轻获得者。此后,他获得无数殊荣,包括 奖和菲尔兹奖。

陶哲轩陶哲轩多年后接受采访时承认,年轻时候的自己只是接触到了数学的皮毛,有点类似小朋友对音乐的唯一体验就是练习音阶或学习乐理。后来他逐渐发现,现代数学家必须像 的爵士音乐家那样,既要能即兴创作,又要能与其他数学家紧密合作。数学家的真正工作要到研究生阶段的后期才能体验到。普林斯顿大学的查尔斯·费弗曼(CharlesFefferman)本人曾是数学天才,后来成为菲尔兹奖得主,他将数学研究过程比喻为“与魔鬼下棋”。魔鬼的游戏规则很特别:魔鬼在国际象棋上的表现非常出色,但是,费弗曼解释说,你可以随心所欲地收回任何动作,而魔鬼可能不会。你玩了第一局,当然,他把你压垮了,所以你退后一步,尝试一些不同的东西,他以同样的方式又把你压垮。如果你足够狡猾,你最终会发现一个迫使魔鬼改变策略的举动;你还是输了,但是——啊哈!你有了第一个线索。

数学家和科学家总会给人一种刻板冷漠不近人情的印象。自古以来最伟大的数学家可能是十八世纪的德国人高斯(CarlFriedrichGauss),他与自己的孩子相处不好,活着的时候也没有发表所有的研究成果;电影《美丽心灵》的主角约翰·纳什(JohnNash)被偏执妄想折磨,一生活在幻象中;独自攻克了庞加莱猜想却拒绝菲尔兹奖的俄罗斯人格里戈里·佩雷尔曼(GrigoriPerelman)三十多岁还住在妈妈家里啃老。相比之下,陶哲轩有一个美好的家庭,通常面带微笑。他的合作者评价道,陶哲轩让人想起《黑客帝国》中的尼奥。把武术下载到他的大脑中,他睁开眼睛就会功夫了。陶哲轩和他在研究生院一起玩桌上足球的朋友完成了一个著名猜想。对陶哲轩来说,这是一个新的数学领域,与他擅长的领域相去甚远。

现在陶哲轩成了数学界最著名的桥梁建设者和网红。在获得菲尔兹奖时,他已经与三十多位不同的合作者发表过文章。此后他还成为一位多产的数学博主,具有明显的非高斯热情:他庆祝他人的工作,分享技巧,记录进步,并对评论中的任何更正感到高兴。

德国人彼得·舒尔茨也是一个不折不扣的数学天才,但与陶哲轩风格迥异。他中学时参加国际数学竞赛连续四年获得三金一银,三十岁成为史上最年轻的菲尔兹奖得主。他用一年半读完了本科,一年读完了研究生,二十五岁成为波恩大学史上最年轻的数学教授。舒尔茨的关键创新虽然只有几年的历史,但已经在数论和几何结合的算术几何领域产生了深远的影响。许多数学家对舒尔茨的反应是“敬畏、恐惧和兴奋的混合体”。舒尔茨通常不是从想解决的特定问题开始,而是从一些难以理解的概念开始。他创建的数学结构在始料未及的数学领域有了巨大应用,这恰恰是伟大数学家的标志。打个比方,就好像古代为了解决两个城市之间的交通问题,传统数学家可能都在挖空心思研究怎样可以把道路修得更好,让马跑得更快,而舒尔茨是直接发明了飞机,还造了个飞机场。

《素数的阴谋》也



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