專訪菲爾茲獎得主高爾斯:漫遊音樂與數學,發現古老猜想反例

2020-12-06 澎湃新聞
蒂莫西·高爾斯在世界頂尖科學家論壇現場

數學家高爾斯偶爾在公開場合表演爵士鋼琴。40多年前,他是唱詩班裡的小男孩,和兩個妹妹一起拉小提琴,彈鋼琴。在另一次人生中,他認為自己或許會與熱愛數學的作曲家父親互換身份,成為一位音樂家。

這位劍橋大學純數學與數理統計系研究教授、《普林斯頓數學指南》、《牛津通識讀本:數學》作者曾在音樂和數學的天地間漫遊,直到在劍橋大學三一學院的課堂上,他發現了巴拿赫空間並被深深吸引。

大多數巴拿赫空間是無窮維空間,可看成通常向量空間的無限維推廣。這一理論由波蘭數學家巴拿赫(S.Banach)在1920年提出。

「關於巴拿赫空間,有一些古老猜想,例如,是否每個巴拿赫空間帶有某種性質?」高爾斯在專訪中告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者,「在之前,沒有人知道是否存在反例。」

56歲的高爾斯一頭白髮,身型瘦高。他說話語速不快,回答記者提問時會不時地陷入思考,偶爾被自己逗笑。

蒂莫西·高爾斯接受澎湃新聞專訪

1991年的夏天,博士畢業不久的高爾斯找到了古老猜想的反例——他發現了一個完全不具備對稱性的巴拿赫空間。

這之後,如1995年懷特海獎的評語所言,高爾斯「在五年內讓巴拿赫空間的幾何完全改變了面貌」。他塑造了一系列巴拿赫空間中完全不具備對稱性的結構,解決了臭名昭著的巴拿赫超平面問題,提出高爾斯二分法定理。

1998年,因將泛函分析和組合學領域連接起來,35歲的高爾斯摘得了數學領域的皇冠——菲爾茲獎。

早早收割數學最高獎的他獲得了更多自由思考的空間。最近10年,高爾斯將人工智慧視為自己的「副業」,對瓦解人類在數學領域的獨特性饒有興致。

他對這看似「自我毀滅式」的研究愛好著迷,甚至預言「五十年後,如果還有人類數學家在努力尋找定理的證明,我會感到驚訝。」

「也許另一次人生中,我會成為音樂家」

1963年,蒂莫西·高爾斯出生在英國威爾特郡的一個藝術家庭,他在三個孩子中排老大,兩個妹妹分別是作家和小提琴家。他們的父親派屈克·高爾斯是一位頗有名望的作曲家,《福爾摩斯探案集》片頭那段膾炙人口的主題曲《221B Baker Street》就出自他之手。祖父是英國著名政府官員和作家歐內斯特·高爾斯爵士,先祖是研究帕金森氏症的先驅神經學家威廉·理察·高爾斯。

蒂莫西·高爾斯從小展現出音樂天賦,他常演奏樂器,擅長小提琴和鋼琴,在英國一個知名唱詩班唱歌。

被一群音樂家包圍的高爾斯從父親那裡獲得了數學啟蒙。聊到父親,高爾斯提了興致,他談到,父親酷愛數學和電子學,還曾嘗試自學大學數學。

在高爾斯還是個孩子的時候,父親常與他談論數學。「很長一段時間內,我真的不懂他在說什麼」。

青年時期的蒂莫西·高爾斯 資料圖

進入大學後,高爾斯立志成為專業數學家,他的數學能力也漸漸趕超父親。「直到有一天,我們倆談論的水平旗鼓相當。這種情況持續了兩周左右,再之後」,蒂莫西頗有些自豪地笑著說,「變成他聽不懂我在說什麼了」。

音樂沒有成為蒂莫西·高爾斯最終的職業,但日常演奏鋼琴的習慣持續至今,「偶爾在公共場合演奏爵士鋼琴,不彈古典」。

他喜歡在提到數學問題時以鋼琴曲作比喻。「很多人害怕數學,是因為總會遇到不懂的知識,這很正常」,高爾斯說,對任何數學家來說都是如此。但如果想了解這些東西,他會花時間做一些工作。「這有點像學樂器。如果你有過起初不會彈某首鋼琴曲,練習之後順利彈奏的經歷,就會意識到:你可以完成一些起初看起來很難的事情,只是需要練習。」

就像父親把數學的興趣傳給他一樣,蒂莫西很高興自己的音樂天賦傳給了其中一個孩子。他的兒子後來成為了一位鋼琴家和風琴家。

發現古老猜想的反例

巴拿赫空間(Banach space)理論是高爾斯早期的重要研究領域。他運用組合數學的方法,在巴拿赫空間中塑造了一系列完全不具備對稱性的結構。這也是他自認為能夠獲得菲爾茲獎的主要原因。

在劍橋大學三一學院,匈牙利組合數學家博洛巴什(Béla Bollobás)的課堂上,高爾斯對巴拿赫空間產生深刻興趣。他的博士畢業論文以此為題,提交於1990年。

高爾斯介紹,「巴拿赫空間是無限維空間的概念。在這個無限維空間裡,有不同的距離概念,可以用很多不同的方法來定義距離。每一種定義距離的方法都會產生一個巴拿赫空間」。他為之著迷。

「大概在1991年的夏天」,高爾斯對澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者回憶起,他通過「三個靈感瞬間」和一些辛苦工作,發現了一個完全不具備對稱性的巴拿赫空間,找到了巴拿赫空間古老猜想的反例。

這樣的靈感瞬間有時發生在火車上。1991年至1995年,高爾斯在倫敦大學學院擔任講師。他在劍橋和倫敦兩地通勤,以火車為交通工具,他發現火車是一個很好的工作場所,在上面「至少取得了一個真正的研究突破」。

作一名數學家讓高爾斯「更為系統地思考人生境遇」。6年前,高爾斯罹患心房顫動,需決定是否接受手術治療。「接受或不接受都會有一定的風險,大多數人採取的方式是諮詢醫生,但我想以數學家的方式思考這個問題。」 高爾斯笑著說。

他查閱資料並計算得出,接受手術會有千分之一的機率導致死亡。「我是否應該擔心千分之一的死亡率?」他隨即查閱了同齡人在一個月內死亡的機率,找到了相應數據。結果是,手術的死亡率和在兩個月正常生活中的死亡率相同。而他不擔心接下來兩個月的正常生活,所以也「無需害怕這個手術的風險」。最終,高爾斯選擇接受了手術。

「我的工作終將被計算機取代」

近25年,高爾斯的主要研究方向在組合學,尤其是加性組合(additive combinatorics)。但在大約十年前,人工智慧的自動定理證明成為了他的另一個興趣。這也是他在世界頂尖科學家論壇中提及最多的話題。

蒂莫西·高爾斯在世界頂尖科學家論壇現場

自動定理證明涉及模式識別和邏輯推理,其最終目標,是讓計算機產生新的數學發現。儘管離目標還很遠,但高爾斯認為,這是一個「令人著迷的想法」。

不同於其他捍衛人類在數學領域獨特性的數學家,採訪中,高爾斯帶著些許猶豫地說,「我可能會在時間精確性上出錯……但五十年後,如果還有人類數學家在努力尋找定理的證明,我會感到驚訝。」

通常,人們認為具有創造性要求的工作很難被人工智慧取代,數學正屬此類。但高爾斯認為,數學研究所需的創造性「並非無法在計算機上複製」。

他說,計算機可以證明數學公式和定理,甚至自成體系。如果機器一旦到了某種程度,也許以後證明數學公式只需要直接在計算機裡面輸入即可。

「我所從事的數學研究工作是最終會被計算機取代的工作之一」,他想了想,接著說:「但我認為這還有很長一段時間,也許幾十年,比取代汽車工廠工作所需的時間更久」。

「如果這樣的事情真的發生,數學家應該怎麼辦?」

面對澎湃新聞(www.thepaper.cn)的提問,高爾斯沉思片刻,然後表示他無法給出答案。

「但在整個人類歷史中」,他試著解釋,「很多人類做過的工作,後來都被技術超越,人類不再被需要。我想數學研究可能就是其中之一」。

「這種現象會越來越普遍,到那時,我們需要找到生存的新意義。」

澎湃新聞與蒂莫西·高爾斯對話節選:

澎湃新聞:

一種廣泛流傳的說法稱數學家的學術巔峰在年輕時期,如何看待這一觀點?

蒂莫西·高爾斯:

現在的規定是菲爾茲獎只能頒發給40歲以下的人,所以相比於諾貝爾獎得主,大多數獲獎的數學家都很年輕。很多數學家確實在40歲前完成了他們最好的工作,但這並不代表40歲後就做不了重要工作。

我認為有這種說法的部分原因是,如果你在40歲前就有了很大成就,會得到一些額外獎勵。之後會出現兩種情況,一種是,你會有額外的壓力,例如幫別人寫推薦信、擔任委員會成員等等;另一種是,你得到了所有想得到的認可,壓力變小了。

在我看來,大多數人對此的反應並不是停止工作。當然也有人得了菲爾茲獎後就立刻停止研究數學,選擇從政,例如現在的巴黎市長候選人之一賽德裡克·維拉尼,但這並不常見。

大多數人獲獎後會有更多自由空間去思考,有時候並不圍繞他們最初的研究興趣。事實上,對我來說,開始研究人工智慧就是如此。我不是這方面的專家,我大概從十年前開始研究人工智慧,但沒有把所有時間都花在這上面。

澎湃新聞:

對於25歲左右的研究者,你會給他們接下來的五年提出什麼建議?

蒂莫西·高爾斯:

25歲左右的話,可能意味著你已經拿到了博士學位。我認為在這個年齡,最重要的是不要滿足於你已經達到的目標,覺得「我已經能做這些了,我要繼續做這個」,而是應該嘗試做一些更困難或是更具挑戰性的東西。

這可能會花費很長時間,但儘可能提升自己也是非常重要的。

每個人總有一天會說,「我不會再嘗試做更困難的事」。但是對於25歲左右的人來說,現在做決定還為時過早。

澎湃新聞:

數學和音樂之外,你還有別的愛好嗎?

蒂莫西·高爾斯:

和大多數人一樣,我喜歡看書和去美術館,但我並沒有比別人更喜歡這兩項活動,所以我不把它們稱作愛好,只是我喜歡做的事情。

我不以嚴肅的方式做任何運動。數學和音樂是我最主要的兩個愛好。

澎湃新聞:

你喜歡讀什麼樣的文學作品?

蒂莫西·高爾斯:

有時候是小說,有時候是非虛構。我很喜歡看法語作品,因為我的妻子是法國人,看法語小說能夠提高我的法語水平。

澎湃新聞:

你曾主編《普林斯頓數學指南》、《牛津通識讀本:數學》等數學書籍,為什麼會參與其中?有何收穫?

蒂莫西·高爾斯:

主編《普林斯頓數學指南》是受人邀請,這與我之前的想法非常接近。這決定其實有點傻,因為它花了我五年的時間。但同時,我也很高興這麼做,因為這本書非常成功,很多人告訴我,他們很需要有這樣一本書,能幫到他們。

《普林斯頓數學指南》可以說是現代數學研究的概覽。對一般讀者而言,這本書有點難。完成數學本科的學生會是理想的讀者。或者有人想做數學研究,但不知道想研究哪個領域,可以從中看看不同領域的重要問題是什麼,找出一些感興趣的問題。

澎湃新聞:

這本書後你還會出版更多數學書籍嗎?

蒂莫西·高爾斯:

有這種想法,但沒有付諸實踐。我不確定什麼時候會有時間做,我真的花了很多時間在《普林斯頓數學指南》上。我還寫了一本書,只有3500字,在業餘時間完成。

澎湃新聞:

在採訪結束之前你有什麼想補充?

蒂莫西·高爾斯:

我想我還是要重複前面說過的話,對於害怕數學的人,我的答案是:不要害怕。

如果你發現一些困難的東西,不是因為你不會做數學,而是因為你有錯誤的期望。如果你期望你應該立即理解所有的事情,那麼你當然會失望。但是如果抱著這樣的期望努力去理解一些東西,那麼最終你會理解它。

一旦你開始這麼做,你就會開始享受數學的樂趣。

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