從幼年開始,他就被「天才」、「神童」、「嘆為觀止」、「難以置信」等與神奇相關的詞語包圍:2 歲就用積木教更大的孩子如何數數;9 歲開始學大學數學課程;13 歲成為國際數學奧林匹克(IMO)迄今最年輕的金牌獲得者;20 歲獲普林斯頓大學博士學位;24 歲成為正教授;31 歲獲被譽為「數學界諾貝爾獎」的菲爾茲獎……
邵紅能
每到一處,他都會受到搖滾歌星一樣的禮遇;他被看作世界上最強大的「數學智囊」;當其他數學家被問題卡住時,他是他們眼中最佳的「救火員」和最好的合作者。他就是陶哲軒,世界頂尖華裔數學家。
據英國《自然》雜誌2012 年5 月14 日報導,來自澳大利亞的天才華裔數學家陶哲軒在研究「弱哥德巴赫猜想」上取得突破,並有望最終解決這個世紀難題,他的文章將以《哥德巴赫的質數》為題發表。陶哲軒的原稿囊括了大量他個人的令人印象深刻的研究,與此同時他還小心翼翼地註明了引用的大量的當代其他數學家的成果(參考目錄包括了39 項),其中有讓·布爾幹、陳景潤、蒙哥馬利、古爾東、希爾伯特、維諾格拉多夫、廖明哲和王天澤的關鍵成果。
正如牛頓曾坦言的那樣:「我看得更遠是因為我站在巨人的肩膀上。」
陽光少年,競賽高手中的「標杆」
1975 年7 月17 日,陶哲軒出生於澳大利亞阿德萊德。父親陶象國和母親梁蕙蘭均畢業於香港大學,陶象國曾經是一名兒科醫生,梁蕙蘭是物理和數學專業的高材生,曾做過中學數學教師。1972 年,夫婦倆從香港移民到了澳大利亞。陶哲軒很早就顯露出數學上的巨大天分,被譽為「數學界的莫扎特」。他在2 歲時就被數學迷住了,當時他就試圖用數學積木教其他小朋友。3 歲半時,聰慧的陶哲軒被父母送進一所私立小學,幾個星期以後,陶哲軒退學了。陶象國夫婦從這次失敗經歷中吸取的一個寶貴經驗是:培養孩子一定要和孩子的天分同步,太快太慢都不是好事。陶象國說:「我們決定還是讓他去上幼兒園。」幼兒園裡有陶哲軒的同齡人。上幼兒園的一年半時間裡,陶哲軒還在母親梁蕙蘭指導下完成了幾乎全部小學數學課程。母親更多的是對他進行啟發,而不是進行填鴨式的教育。而陶哲軒更喜歡的也似乎是自學,他貪婪地閱讀了許多數學書。
儘管有掩飾不住的天賦,小哲軒仍像其他孩子一樣透著稚氣,還有很多的煩惱。比如,他有愛咬原子筆筆頭的壞習慣,有時會發脾氣,常常丟三落四。他的一位老師說:「小哲軒過去常常剛學了閱讀和拼寫課程之後,就跑過來上數學課。他在一個個教室之間跑來跑去的,經常在每處都落下點什麼。一天他跑過來,兩手空空,這回可是丟了不少東西。這孩子幾乎要哭出來了:『我什麼東西都找不著!』」在父母的幫助下,他克服了很多「壞毛病」,老師的諄諄教導也讓他受益匪淺。
陶哲軒7 歲開始學習微積分,同年上高中,9 歲時他已經十分精通大學水平的微積分問題。一位高中時教他「普通常識」課程的老師讓他印象深刻。有幾次,小哲軒抱怨生活不容易,因為自己總得在不同的教室間跑來跑去,人們總是期待他知道這個知道那個,甚至弟弟還在他的課本上亂塗亂畫。那位老師告訴他:「澳大利亞一位前總理說過,人生原本不易。」她教導小哲軒,人們都會在生活的某些方面獲得某種成功,更多的卻是被煩惱和失敗的情緒圍繞,但是,應當多想些樂觀的方面,把挫折看作是給自己上了一課,挫折會給未來增添希望。從此,小哲軒將這些話深深記在了心裡。到11 歲時,陶哲軒就已經開始參加國際數學大賽,並獲獎無數,迷上了用數學符號控制的模型和智力玩具。13 歲成為國際數學奧林匹克(IMO)迄今最年輕的金牌獲得者。上大學後,他開始欣賞數學背後的意義和目的,以及數學是怎樣與現實生活和一個人的直覺聯繫起來的。20 歲就獲得了普林斯頓大學的博士學位,同年成為加州大學洛杉磯分校(UCLA)的一員,並於24 歲時晉升為教授,且是終身教授。2006 年10 月的美國《大眾科學》雜誌將其評為「最具才氣的十位科學家」之一。
儘管陶哲軒現年僅38 歲,但他已經獲得了眾多國際大獎和崇高的學術榮譽。2000 年以後,他分別榮獲塞勒姆獎、博謝紀念獎、克雷研究獎、利瓦伊·L·科南特獎、麥克阿瑟獎以及艾倫·沃特曼獎等。特別是,2006 年,他獲得具有「數學諾貝爾獎」之稱的「菲爾茲獎」。2012 年,他又摘得克拉福德獎。據稱,已有數家澳大利亞博物館向陶哲軒索取籤名,作為永久展品的一部分。目前,陶哲軒是美國加州大學洛杉磯分校文理學院的「詹姆斯與卡羅爾·柯林斯」講席教授,並且已經成為英國皇家科學院和澳大利亞科學院院士、美國國家科學院外籍院士。
2006 年8 月28 日,在西班牙首都馬德裡舉行的第二十五屆國際數學家大會(ICM)的開幕式上,國際數學聯盟主席約翰·鮑爾宣布,美國加州大學洛杉磯分校的陶哲軒和美國普林斯頓大學的歐克恩科夫、法國巴黎第十一大學的沃納、過著隱居生活的俄羅斯人佩雷爾曼共同獲得菲爾茲獎,而陶哲軒是其中最年輕的一位,年僅31 歲。頃刻間,他們成為數學界的英雄,而對陶哲軒來說,這一天則更為特殊:美國加州大學洛杉磯分校發布新聞公告稱,陶哲軒成為該校第一位獲得有「數學諾貝爾獎」之稱的菲爾茲獎的數學家;澳大利亞數學科學研究院稱,陶哲軒是第一位榮獲崇高的菲爾茲獎的澳大利亞人;在中文世界的媒體上,陶哲軒則被歡呼成繼丘成桐之後第二位榮獲菲爾茲獎的華裔數學家。之後,陶哲軒成了世界頂級「數學明星」之一,受到「粉絲」們的追捧。
2006 年末,陶哲軒開始在wordpress 上寫博客。他將自己科研的方方面面寫下來,將一些自己覺得分量不夠的論文思考結果直接貼出來與同行分享,與他有科研交流的人多得讓人吃驚。實際上,他能夠從調和分析領域出發,涉足其他的數學領域,都是因為在那個領域找到了一位非常優秀的合作者。陶哲軒將數學看作一個統一的科目,當他將某個領域形成的想法應用到另一個領域時,總是很開心。2007 年,陶哲軒撰寫的《什麼是好的數學》一文,基本反映了他親近數學30 年(如果從2 歲算起的話)的體會和思考。數學品質是一個高維的概念,在「好的數學」名下,陶哲軒列出:題解、技巧、理論、洞察、發現、應用、展示、教學、遠見、公關、元數學等名詞;嚴密、優美、創造性、有用、強有力、深刻、直觀、明確等形容詞。基於技術上的、特定時期的、文化上的考慮,任何一個特定的數學領域或學派都傾向於吸引具有相似思維、喜愛相似方法的數學家。它同時也反映了數學能力的多樣性:不同的數學家往往擅長不同的風格,因而適應不同類型的數學挑戰。這是他多元的、寬廣的數學觀,一如他的人生道路。陶哲軒曾告誡青年學生:「如果你想學好數學,必須從一些最基本的訓練開始,好比你想成為一個鋼琴家,就得從大量的練習曲開始,雖然這些訓練往往是乏味的。」
陶哲軒應丘成桐教授的邀請參與在北京舉辦的第二屆丘成桐中學數學獎的評審工作,這是成年後的他第一次回到自己的祖籍國(中國)。2009 年12 月21 日上午,當他的身影剛一出現在清華大學主樓報告廳,歡呼聲和掌聲立即充斥大廳。在場的學生們紛紛擁上前向他索要籤名、與他合影,而陶哲軒則面帶微笑,謙遜地配合著每一位前來索要籤名和要求合影的人。下午,在人民大會堂,他接受了全國人大常委會副委員長陳至立的會見。當新聞媒體記者們的鏡頭對準他時,他甚至轉過頭來扮了個鬼臉。若不是名牌「陶哲軒」擺在桌上,清秀文氣、一臉朝氣的他很可能被誤以為是一名在讀研究生。他年輕英俊的外表,黑色方框眼鏡後機靈的眼睛都散發著濃濃的青春活力和書卷氣息。
素數,一顆神奇的數學「種子」
2012 年2 月,陶哲軒發表了一篇名為《每個大於1 的奇數都可以寫成五個質數(素數)之和》的論文。儘管在這個領域大量的成果已經被發表,但是如果陶哲軒的成果通過了高水平的數學家的審查的話,將會是最強而且是最令人滿意的。此前陶哲軒就他的成果在博客上發表了一個簡要的大綱,他提到他的論文利用了哈代圓法,這是一個被頻繁使用與分析數論的方法,由英國數學家哈代和利特伍德在20 世紀20 年代提出,但是這一方法主要以哈代早期與印度數學家拉瑪努金的工作為基礎。陶哲軒在研究「弱哥德巴赫猜想」上取得突破,並有望最終解決這個世紀難題。
什麼是素數呢?素數是指自然數中大於1 且只能被1 和自身整除的數。素數性質的研究是數論中最古老與最基本的話題之一。早在公元前3 世紀,古希臘數學家歐幾裡德就已經證明素數有無窮多個。2004年,陶哲軒和格林證明了「素數構成的等差數列可以任意長」。我國著名數學家、中科院院士王元驚嘆道:「我不敢想像天下會有這樣偉大的成就。」
我國中學教科書將「等差數列」定義為一個數列從第二項起,每一項與其前一項的差等於同一個常數。由素數構成的等差數列就是素數等差數列,比如3、5、7,就是由3 個素數構成的等差數列。在很久以前,數學家們就認為,由素數構成的等差數列可能任意長。1939 年,數學家已經證明,存在無窮多個由3個素數構成的等差數列。2002 年,陶哲軒和格林想證明,由4 個素數構成的等差數列的數目是不是也無窮多?但是,他們得到的結果幾乎是一個不能想像的偉大成就,他們證明由素數構成的等差數列可以任意長,而且有任意多組。4 個數的素數等差數列可以有無窮多個的猜想都還沒有證明,他們一下就跳這麼遠。為什麼這樣講呢?目前在最先進的計算機上發現的最長的素數等差數列是23,也就是說是由23 個素數構成一個等差數列, 第一項是素數
56211383760397,公差是44546738095860,所以,第23 個素數是首項加公差乘以22,這已經是一個複雜得不得了的問題了,而他們推出的是這個數列的長度可以是任意的。也就是說,對於任意值K (比如1億),存在K 個素數等差數列,K 是100 億也可以,這簡直嚇人。而且,即使目前最好的計算機也無法找出超過23 個數的素數等差數列,因此,這個猜想只能用數學方法來證明。
實際上,張貼這篇論文的網站與俄羅斯數學家佩雷爾曼在2002 年11 月公布解決龐加萊猜想的論文所張貼的網站是一樣的。2004 年4 月18 日,兩位年輕的數學家在預印本網站(arXiv:math)貼出一篇50頁的學術論文,宣稱證明了「存在任意長的素數等差數列」,其中一位是加拿大不列顛哥倫比亞大學的本·格林,另一位就是美國加州大學洛杉磯分校的華裔數學家陶哲軒。2004 年5 月21 日出版的美國《科學》雜誌發表文章指出:這是一項驚天的成就。而且,儘管論文尚未正式發表,但當年出版的由俄羅斯數學家馬寧等人所著的《現代數論導引》一書就引用了該論文的結果。2005 年1 月,美國《發現》雜誌將這項證明列入「2004 年度最重要的100 項科學發現」之一。在2006年8 月22 日舉行的國際數學家大會上,佩雷爾曼和陶哲軒同時獲得菲爾茲獎,但佩雷爾曼拒絕了作1 個小時大會報告的邀請,陶哲軒則作了1 小時的大會報告,介紹任意長素數等差數列的證明,另外2 位獲獎者應邀作的是45 分鐘報告,由此可見差別。本·格林和陶哲軒的這篇巨作於2008 年發表在世界頂級數學雜誌《數學年刊》上。
陶哲軒是天才嗎?他當然是個天才,而且是難得的天才,是幾十年都遇不到的一個大天才。早在2007年3 月13 日,美國《紐約時報》發表長篇人物報導,向美國公眾詳細介紹了世界著名華裔數學家陶哲軒的成長曆程和工作,特別是在素數方面的研究成果。美國加州大學洛杉磯分校數學系前主任約翰·加內特讚美道:「陶就像是莫扎特,數學從他的身體中流淌出來,但他沒有莫扎特的性格問題,每個人都喜歡他。他是一位令人難以置信的天才,也可能是今天這個世界上最好的數學家。陶哲軒在兩年內寫了56 篇論文,而且都是高質量的論文。而在一個好年份,我只能寫3篇論文。」加州大學洛杉磯分校物質科學學院院長、數學教授陳繁昌曾高度評價道:「(陶哲軒獲得菲爾茲獎)我並不吃驚,像陶這樣的人數十年才會出現一個。世界各地的人都說:『擁有陶哲軒,加州大學洛杉磯分校是如此幸運。』他解決了幾個數學領域中長期困擾他人的難題。」加州大學洛杉磯分校數學系主任Christoph Thiele 也曾這樣讚美道:「為了有機會追隨陶哲軒,來自美國或遙遠的羅馬尼亞和中國的傑出研究生們都願意來到加州大學洛杉磯分校。」
陶哲軒的成功給我們許多的啟迪:打基礎階段,知識面越廣博,對攀登金字塔尖越有益處;科學與藝術、數學與哲學,這些學科的分界越往上越模糊,如果你只專一門,就沒法往上走;即使在純數學領域,許多問題也不是僅憑數學手段能解決的,譬如愛因斯坦的相對論中並沒有多少數學,因為許多概念都超越了計算;走向成功是需要時間的,這是一個複雜的過程,在數學中極具天賦並不是必需的,但是你需要耐心,比如說,奧林匹克高中數學競賽就像是短跑競賽,你需要很多的力量和體力,而從事數學研究更像是馬拉松,一些體力是需要的,但是更多的是意志的力量,這是精神上的自律。有的時候,大量的靈感和才智反而對長期的數學發展有害,試想如果在早期問題解決得太容易,一個人可能就不會刻苦努力,不會問一些「傻」問題,不會嘗試去擴展自己的領域,這樣遲早造成靈感的枯竭。而且,如果一個人習慣了無需費時費力的小聰明,他就不能擁有解決真正困難的大問題所需要的耐心和堅韌的性格。聰明才智固然重要,但是如何發展和培養「聰明」顯然更加重要。
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>> 陶哲軒(右一)難掩獲獎的喜悅,在他身邊的是俄羅斯數學家安德烈·俄科恩科夫(左一)和信息科學方面的數學獎內萬林納獎得主約翰·克萊因伯格(美國)