讓全世界數學家頭疼的兩個問題,中國數學家用一篇文章搞定!

2020-12-19 我是科學人

今年9月,微分幾何學界頂尖期刊《微分幾何雜誌》(Journal of Differential Geometry)上刊登了一篇120頁的學術論文。

論文一經發布,就引起了學界震動。這倒不是因為論文太過「鴻篇巨製」,而是這篇文章,一次就回答了兩個數學界歷經20多年研究仍懸而未決的「老大難」問題。

作為論文的撰稿人之一,王兵為了這篇文章能夠「得見天日」,也已經努力了11年。

陳秀雄、王兵發布在《微分幾何雜誌》的

給學界大佬「挑錯」的研究生

在發布這篇論文之前,王兵還只是個「平平無奇」的幾何學研究者。2003年與恩師陳秀雄的相遇,為他打開了裡奇流的大門。

裡奇流是什麼呢?按照定義,裡奇流即是用微積分的方式描述空間演化。王兵用肥皂泡解釋了這種「描述」:「吹一個肥皂泡,一開始吹出來可能是啞鈴狀的,但在空中飄一會兒之後,形狀會慢慢變化,直到變成了一個球之後不再演化了,這個『球』就是泡泡的一種穩定狀態。」裡奇流的作用,就是研究「肥皂泡」的空間變化,最後得到一個「穩定」的理想結果。

2003年,俄國人佩雷爾曼宣稱自己解決了龐加萊猜想,依據的就是裡奇流方法。這讓他成了當時裡奇流研究中毋庸置疑的No.1。然而這項解決了微分幾何學「百年懸案」的劃時代成果,卻被剛剛赴美讀研的王兵抓到了「把柄」。

俄國數學家格裡高裡·佩雷爾曼

在研究佩雷爾曼論文的過程中,王兵覺得其中有一個步驟他怎麼都想不通。反覆思考之後,王兵有了個大膽的猜測:佩雷爾曼錯了。

年輕的研究生為了給學術大牛「挑錯」,特地寫了一封郵件。令王兵驚喜的是,這封「糾錯貼」三天內就得到了佩雷爾曼的回覆,學術大牛坦率地承認了行文中的錯誤,並很驚訝這個錯誤一直無人向他指出,雖然文章廣為流傳已經兩年多了。

這次「書信往來」和佩雷爾曼的肯定,讓王兵對裡奇流的興趣更濃了,他也期待和佩雷爾曼能有更多學術上的互動。

佩雷爾曼卻沒有給王兵這個機會。解決龐加萊猜想後,佩雷爾曼「看破紅塵」,直接退出數學界。這讓相關研究都陷入了停滯狀態。而導師陳秀雄告訴王兵:「好的數學必然是有強大生命力的,佩雷爾曼的數學是一定要追隨的,應該找到一個合適的切入點,繼續深挖」。

「板凳一坐11年冷」

佩雷爾曼曾在他的文章中提到,他的方法可以用來研究凱勒裡奇流。佩雷爾曼下一步打算用自己的方法破解哈密爾頓-田猜測。

雖然佩雷爾曼的隱退讓這個「打算」變得遙遙無期,但哈密爾頓-田猜測的發展前途還是被陳秀雄看到了。把裡奇流和凱勒幾何結合起來,解決復二維哈密爾頓-田猜測,成了陳秀雄王兵師徒倆隨後五年的工作重心。

陳秀雄(左)和王兵(右)

2013年年底,陳秀雄、王兵終於理清了證明思路,之後用了半年時間整理內容,2014年夏天,這篇凝結5年研究成果、師徒共同署名的證明被張貼到了預印本網站arXiv上。在這篇長達120頁的文章中,師徒倆利用自行設計的輔助工具,搞定了哈密爾頓-田猜測中的空間緊性問題,還「順手」解決了1990年提出的偏零階估計猜測。

一篇文章,搞定兩個難題?

這是認真的?

從一開始,這篇文章就不得不面臨各種質疑,因為「短時間內沒人看得懂」。

最初投稿時,師徒倆並沒有按慣例將成果拆分、投往不同期刊,而是孤注一擲地將整篇文章投給了一個雜誌。這種「犯傻」的行為,王兵解釋為「總覺得分開就破壞了文章的整體性和美感」。

「美感」有了,但師徒倆迎來的是匿名評審員層出不窮的提問。收到問題—回信解釋細節,這樣的「拉鋸戰」持續了兩年,他們寫出了將近200頁的回覆。但評審員認為他們的部分回復很明確,部分回復仍然不清晰,文章改動較大。結果,這家師徒倆「死磕」了兩年的雜誌社,還是給了他們一個No。

禍不單行。被拒稿之後,師徒倆又遭遇了「被搶發」。2015年12月,預印本網站arXiv上卻出現了一篇結構立意都高度相似、但結論貌似更強的文章。作者Bamler在文中宣稱自己證明了哈密爾頓-田猜想,並表示陳秀雄-王兵只是在該方向取得過進展,並且與他所用的技術很不相同。

然而事實卻是,Bamler的論文架構就是基於陳秀雄-王兵文章的關鍵想法,而且為了讓結論更強,Bamler甚至還隱藏了證明過程中的關鍵條件。在師徒倆被拒稿的「空白期」裡,Bamler的論文2018年搶先發表在數學四大刊之一的《數學年鑑》(Annals of Mathematics)上。

「爭先」的壓力讓師徒倆不得不放下對完整性的執著,這一次他們將文章分成兩部分,分別投稿給不同的雜誌,只求多年研究的成果能夠儘快發表。2017年,被「分投」的論文都被接受了,然而由於雜誌的排期問題,這篇120頁的論文全文直到今年9月才完全發表。

在王兵看來,能夠在裡奇流誕生地《微分幾何雜誌》上發表他和陳秀雄的論文,也算是一種奇妙的緣分。師徒倆成果的最終發表,除了引發學界震動,也為師徒倆贏來了「正名」的機會:雖然晚了兩年,Bamler也不得不在正式發表的文章裡明確承認陳秀雄和王兵關於哈密爾頓-田猜想證明的優先權。陳秀雄和王兵的這篇論文,配得上「幾何領域近年來的重大突破」的評價。

王兵在辦公室

從投入研究到成果最終發布,王兵花了11年的時間。在這個過程中,王兵卻並不覺得辛苦。「數學是如此美好的學科」,閒暇時喜歡研讀《紅樓夢》的王兵,也想在微分幾何學的研究中達到這種「一朝入夢,終身不醒」的境界。在王兵看來,那就是找到自己真正感興趣的方向,一輩子堅持下去並享受著堅持的過程。

《我是科學人》紀錄片由長安信託特約贊助。

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