「數學地震」來了:「始作俑者」是個小神童

2021-01-10 快科技

9月20日,數學大伽阿蒂亞爵士宣布證明了「黎曼猜想」,引爆了一場規模空前的「數學地震」。這場「數學地震」,已不僅僅局限於數學圈,整個科技圈以及普通公眾都付出了極大的熱情。

那麼,「黎曼猜想」提出者黎曼的就近有怎樣的故事?他是如何隨手拋下的一個猜想到底蘊含有多大的能量,竟然能在159年後的今天被引爆出如此璀璨的光芒?


新華日報截圖

牧師家的數學「神童」

1826年9月17日,住在德國北部漢諾瓦的一個小鎮上的喬治家添了一個男丁。這個男丁就是波恩哈德·黎曼。


一代數學大師——波恩哈德·黎曼(Georg Friedrich Bernhard Riemann,1826~1866)(圖片:baijiahao.baidu.com)

他的父親喬治是一個牧師,母親卡羅廷?愛芭為一法庭顧問的女兒。喬治夫妻共育有子女6人,只有黎曼一個男丁,排行老二。

當時的漢諾瓦,生產力還非常落後。農村飼養牲口的人家不多,許多時候都是靠人拉犁。父親喬治作為一個偏僻小鎮的牧師,領取的薪金也少得可憐。

一個8口之家,靠父親一個人來供養,那苦日子是可想而知的。家人都因為填不飽肚子一個個相繼離世。儘管黎曼也在貧困和疾病中掙扎,但他還算是幸運的,活下來了。

儘管生活困苦,但善良的父母親並沒有落下對黎曼的教育,父親擔負起了小黎曼啟蒙的重任,使得小黎曼從未放棄對知識的追求。

直到14歲,小黎曼開始進入預科班學習,也是這個時候,他在數學方面的天賦嶄露頭角。

因為家裡窮,買不起課外書,好心的校長主動把自己收藏的書籍借給小黎曼看,小黎曼自然是格外珍惜了。此時,小黎曼已經通讀了四部頭的數學巨著《數論》,還閱讀了大數學家歐拉的許多數學著作。

徘徊在神學與數學之間

人的一生也許要面臨許多選擇,而有些選擇會影響人的一生。兒時的家庭環境,讓黎曼萌生了替家分憂的想法。他立志要像父親一樣成為一名牧師,撐起家庭的重擔。

1846年,黎曼被哥廷根大學神學院錄取。抱著子承父業的夙願,開始了他的大學生活。然而,哥廷根大學豐富多彩的數學講座,不時牽動著黎曼的腦神經。


黎曼黎曼(圖片:www.baike.com)

天國的神話與數學的神妙,讓黎曼的天平發生了動搖。數學的誘惑太迷人,致使黎曼最終成了數學的俘虜,忍不住提起筆給父親寫了一封信,請求父親允許他改修數學。

父親希望他能替家分憂,然而又不忍心因家庭因素而葬送兒子的前程。讓兒子做上帝的僕人,還是在數學的天空中翱翔?喬治進行了激烈的思想鬥爭,最後還是全力支持兒子的選擇。

黎曼手捧父親的書信,熱淚禁不住流淌了下來。他深信,數學殿堂的魔力遠比天國的神話生動有趣得多。從此,世界數學界多了一顆璀璨的「明星」。

難忘恩師情

黎曼在向科學院提交的一篇關於「黎曼猜想」的論文時,第一句話就表達了對兩個故人的感謝。這兩個故人就是黎曼的恩師——高斯和狄利克雷。

高斯的名字實在是太響亮了,就連小學生也知道高斯的故事,享有「數學王子」的美稱。光是以他的名字命名的科技成果就多達110個,絕對是一代數學大師!


高斯(C.F.Gauss,1777年-1855年)(圖片:www.baike.com)

黎曼與高斯同在哥廷根大學教過書,並且高斯是黎曼的博士論文導師。黎曼改修數學,也是在聽了高斯的數學講座之後做出的決定。

高斯對這位年輕後生格外器重,並給予了他熱情的鼓勵,從而使黎曼的博士論文成為了複變函數論的奠基人之一。1851年,黎曼在高斯指導下獲得了博士學位。

狄利克雷為高斯之後德國數學界的一位核心人物,在數論、分析數學和數學物理等領域都有傑出成果。1855年高斯去世,狄利克雷被選定為高斯的繼任者到哥廷根大學任教。


(圖片:tupian.baike.com)

黎曼在柏林大學讀書時就受到了狄利克雷的影響,並從他那裡學習了數論與分析學。一次,狄利克雷到哥廷根度假,黎曼虛心向其請教,得到了狄利克雷的指點,受益匪淺。

黎曼還拜許多數學大伽為師,如向雅可比學習高等力學和高等代數;向斯泰納學習現代幾何;向文森斯坦學習橢圓函數論等。黎曼廣泛涉獵數學和物理方面的知識,為他做出劃時代的貢獻打下了堅實的基礎。

引數學大伽競折腰

黎曼作為19世紀最偉大的數學家之一,不到40歲就離開了這個世界。卻留下了極其寶貴的科學遺產,在複變函數、黎曼幾何、解析數論等方面都做出了重要貢獻,並在偏微分方程以及數學物理等領域也做出了重大貢獻。

159年前,黎曼在題為《論小於給定數值的素數個數》的論文中提出了著名的「黎曼猜想」。雖然這篇論文只有短短的8頁,然而它卻給後世留下了一個的懸而未決的謎題。


黎曼論文手稿(圖片:cul.jschina.com.cn)

在這篇論文裡,黎曼闡述了質數的精確分布規律。他用十分謹慎的語氣寫到,很可能所有非平凡零點都全部位於實部等於1/2的直線上。這條線就被稱為臨界線。

1900年8月8日,在第二屆國際數學家大會上,德國數學家希爾伯特在演講中提出了著名的「希爾伯特23問」,這是指引數學家邁向未來的燈塔。「黎曼猜想」就是其中的一個希爾伯特問題,一直以來未被證明。


大衛·希爾伯特(David Hilbert,1862—1943)(圖片:image.so.com)

也許,研究質數的分布規律並不是黎曼的主業,那為什麼「黎曼猜想」會引得無數數學巨匠為之折腰呢?這可能是基於「黎曼猜想」在現代數學中的基礎地位,而更重要的是它與物理世界建立的某種複雜的聯繫。

「黎曼猜想」作為一個世紀難題,經過時間的放大作用愈加顯得魅力無窮。一代代數學精英為之嘔心瀝血,在攀登的道路上前赴後繼……那是人類對於數學大師的仰視,以及對於未知科學的探求,這是人類的一種可貴品質.


在零點計算的道路上(圖片:文獻【3】)

英國數學家哈代(1877年-1947年)曾對「黎曼猜想」產生了濃厚興趣, 並進行了深入的研究。他認為,「黎曼猜想」牽涉到一系列極其棘手的問題,僅用初等的方法是無法解決的。

被譽為計算機科學之父的圖靈,也曾被「黎曼猜想」深深地吸引。他曾設想製造一個叫做「ζ函數機」的機械計算裝置,來試圖生成一個不在臨界線上的一個零點(反例)。但由於第二次世界大戰的爆發而被迫中斷。

計算機的廣泛應用為零點計算帶來了新的契機。2004年,已經能夠算出黎曼ζ函數前8500億個非平凡零點,這些零點無一例外地滿足「黎曼猜想」。

法國的研究團隊用改進的算法,已計算出黎曼ζ函數前10萬億個非平凡零點,同樣也沒有發現反例。但10萬億與無窮大比起來,仍然是微不足道的。

引爆數學科普盛宴

2018年9 月24 日,在2018 年度海德堡獲獎者論壇上,英國數學「教父」阿蒂亞向全世界展示了他證明「黎曼猜想」的過程。

一時間,「黎曼猜想」成為了全世界的熱點。有專家認為:「此證明是對還是錯,也許需要國際數學界花上幾年時間來檢驗。」


阿蒂亞爵士的一些證明過程細節(圖片:finance.sina.com.cn)

東南大學數學學院院長、歐洲科學院院士曹進德在接受新華日報《科技周刊》採訪時說:「如果這是對的,一百多年的超大問題,躍上了一個新的臺階;如果這是錯的,也許會是一個很有價值的錯誤。無論結果如何,老當益壯的阿蒂亞都值得我們敬佩。」


英國數學「教父」阿蒂亞(圖片:news.sina.com.cn)

圍繞阿蒂亞證明「黎曼猜想」這一新聞熱點,引爆的全球範圍內的數學科普盛宴,無論如何都是一件好事情。而對於社會公眾來說,無論懂還是不懂都會有所收穫的。那就是數學作為科學之母的地位,將會越來越深入人心。

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參考文獻

【1】蔡姝雯 孫 慶 .《黎曼猜想,159年後引發「數學地震」》,新華日報,2018-09-26。

【2】中國數學會 黃逸文.《黎曼猜想》,科學大院,2017-07-14。

【3】(美)德比希爾 著 陳為蓬 譯.《素數之戀,黎曼和數學中最大的未解之謎》上海科技教育出版社,2014年版。

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