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从庞加莱猜想说开去
送交者: 万精油 2007年01月05日16:36:19 于 [教育学术] 发送悄悄话

目前中文网上一个比较热门的话题是庞加莱猜想的解决。粗看起来很奇怪,网上热门的
话题一般是政治,体育或8228似的八卦。这抽象的数学猜想怎么会热起来?仔细看
看就发现因为这新闻里有两个中国数学家,算是与政治挂上了钩。又因为牵涉到丘成桐,
就有了点八卦的味道。再加上这里面牵涉到的竞争不比体育比赛差。这么多条件都具备
了,要想不热也难。于是这抽象的数学猜想就在中文网上热起来。事实上大多数参加讨
论的人并不是完全懂得庞加莱猜想的真正内容,但这并不妨碍大家的讨论。我自己是学
数学的,也曾搞过几何拓的东西,乘这话题还没有冷,也出来凑个热闹。

庞加莱猜想从数学上严格地讲起来要牵涉到基本群,同胚,紧致流形等概念,比较麻烦。
用大众语言简单说起来就是没有洞的有限几何体(紧致流形)等同于球面。这猜想在一,
二维的情况很简单。因为一维的紧致流行只有圆,二维的紧致流行由亏格唯一确定,也
没什么好说的。三维的情况就很难了,而且不是一般的难。庞加莱提出这个猜想后半个
世纪没有大进展。虽然其间有许多人(包括一些著名数学家)宣布自己找到了证明,但
很快就被人发现了漏洞。后来大家都很小心,轻易不敢说自己解决了这个问题。直到六
十年代问题才开始有了比较大的突破。有人想三维不能解决,看更高维的情况行不行。
STEVE SMALE解决了高维中N>=5的情况。后来FREEMAN又解决了
N=4的情况。他们两人都为此得了数学界的最高奖菲尔兹奖。绕了一圈最后又回到了
N=3这块硬骨头。

一般人可能觉得有点不好理解,为什么高维的情况反到容易解决。大致说起来,当维数
很低的时候(比如N=1,2),情况比较直观,解起来很容易。当维数很高时(比如
N>=5),条件比较多,空间的限制也比较多,唯一确定就比较容易。在维数不大不
小的时候,情况反而最复杂。类似的情况在数学上还有别的例子。比如除了N=4,任
意欧氏空间(R^N)都只有唯一的微分结构,但N=4时,R^4上却有无数的微分
结构。

很长一段时间N=3的情况都没有什么新进展,直到1982年HAMILTON发明
了RICCI流的方法,N=3的情况才开始有了突破,至少人们看到了解决问题的一
个新的方向。从前搞几何的人都是以纯几何的方法搞几何。比如苏步青那一批,一大堆
张量指数搞得你眼花潦乱。后来丘成桐用偏微分方程的方法解决几何问题,算是开创了
几何分析的先河。我在北京读研究生的时候正好是丘成桐得菲尔兹奖不久,中国数学界
几何突然热起来。搞方程的人去学几何,搞几何的人去学方程,大家都学非线性泛函。
到处都是几何方面的学术会议,讨论班。南开的,复旦的,我们这些研究生都去凑热闹,
也算是公费旅游。当时最著名的是香山署期讨论班,全国这方面的尖子学生都跑来了(
包括田刚)。后来在美国数学搞得很好的人中,有不少都是当年香山讨论班出来的。扯
远了,还是回头讲RICCI流。

RICCI流走的也是偏微分方程的路子。在大家不知道如何往前时,RICCI流给
大家指明了方向。HAMILTON等沿着RICCI流向前走,扫除了前进路上的不
少障碍。可惜走了一阵就走不动了。因为顺着RICCI流走到了极点(奇异点),没
有方向了。实际上现在大家关心的已经不仅仅是庞加莱猜想,而是更广泛的THURS
TON猜想。THURSTON把三维流形分为八类,其中一类就是球面。解决了它就
含带解决了庞加莱猜想。庞加莱猜想的解决在奇异点停了下来。直到2002-2003
年PERELMAN提出他有办法解决奇异点问题,并写出了大纲,据说是沿着这个大
纲就可以解决庞加莱猜想。他的大纲有很多创新,而且这些创新还可以用到别的问题的
解决之中。算是对数学做出了突出贡献,因此今年的菲尔兹奖给了他一份。PEREL
MAN是不世奇才,牛人一个。据说他拒绝接受菲尔兹奖。关于他的故事可以另写一大
篇文章,网上很多,我就不在这里抄书了。

庞加莱猜想热起来的主要原因是因为有争议。争议最大的是PERELMAN的大纲,
这大纲究竟算不算完整证明。大纲出来后,别人看不太懂。甚至有人去电邮直接了当的
问P“你是不是说根据你这些东西就可以证明庞加莱猜想”,他的回答很简单:“是的”。可
是,按照传统,完整的证明必需每一部都写得清清楚楚,不能有含糊的地方。P的大
纲有很多跳跃,不清楚的地方很多,如果拿它去答卷,一定不能算通过。但大纲给出了
整个证明的思路,尤其是关键地方都有前人想不到的突破,如果这些跳跃都能通过,这
大纲就应该算是解决了问题,算不算证明就不重要了。这些跳跃间到底有没有问题,不
同的人有不同的看法。P的大纲刚出来后,我正好有幸与JOHN MILNOR单独
吃过一顿午饭。他是几何大师并得过菲尔兹奖,除了谈别的以外,我就顺便问了他关于
P的证明,他说他认为P的证明可以HOLD WATER。也就是说证明可行,即使
有漏洞也是可补的小漏洞。当然也有丘成桐这样的也得过菲尔兹奖的大师说P的大纲不
能算完全证明。大家各持己见。

现在的情况有点象爬山。大家看着一个高峰无从下手,不知从哪里上。这时过来一个登
山高手(P)给大家指出几个可以打桩的地方。这些地方连起来依稀就是一条上山的路
线。常人看见这些桩打得太远,说是跳不过去。但登山高手臂力大,弹跳好,认为这些
桩足够了。这就出现了分歧。显然,除了P本人以外,别的人基本都没觉得这些桩与桩
之间可以轻易跳过。否则也不需要一大堆人(都是世界一流登山高手)研究好几年都不
敢下结论。大家觉得最好的办法是实地走一走。于是中国的两个登山高手曹朱在P打的
四十多个桩之间又打了三百多过小桩(据说这里面还有好几个大桩),走到了顶峰。看
起来这应该说明P指的上山路线是可行的。但据说曹朱打的几个大桩在登山过程中也起
到了很大的作用。这作用的大小不同的人有不同的看法。按国际数学大会给P发菲尔兹
奖的说明材料,别人的工作只是在验证P的思路。我个人认为这有点不公平,或者说把
曹朱他们的工作看得太轻。任何事情都有个度量,如果P的四十多个桩可以认可,那么
少一个桩可不可以?少两个可不可以?三十几个可不可以?缺的那些桩都可以由别人补
上。如果走到极限,我们甚至还可以说HAMILTON的RICCI流早就给出了上
山方向,别人的工作(包括P)只是在验证H的思路。如果说H的思路有走不通的地方,
H也可以几年不理,让别人去走。现在走通了说明H的思路正确。当然,这只是我的很
极端的比喻,只是想说明任何事都有个度量,怎样说明P的四十多个桩子就是恰到好处,
这应该只有有一定级别的登山高手可以判定。不过,丘成桐说曹朱的工作有30%的份
量,我又觉得说得太重。在大家完全没有方向时,P出来给大家指出了方向,而且现在
看来是可行的方向,光这一点就应该占一大半的份量。再分一些给H,曹朱是不应该有
30%的。我个人觉得比较公平的份量应该是10%左右。然而,由于丘成桐的抢功,
大家在纠正丘的夸大时又矫枉过正,把曹朱的工作说得一钱不值。反而使他们失去了应
该得到的份量。这是我个人的看法。我的看法当然不重要(或者说完全不重要),重要
的是那些登山高手们怎样看。据说有登山高手(包括H)说曹朱打的桩子也有创造性。
这就够了,能够先于所有人成功地登上顶峰(哪怕是用了别人打好的桩子),而且被许
多同行承认有创造性,这就很了不起了。作为数学家应该可以满足了。这理要补充说明
一下,另外还有两个登山队也顺着P的桩子独立地登上去了,同样也打了好几百个小桩
子。

网上讨论的另一个话题是:庞加莱猜想与哥德巴赫猜想哪个更重要。由于徐迟的报告文
学,中国人对可德巴赫猜想可算是情有独中。科学的皇冠,皇冠上的珍珠。当丘成桐说
庞加莱猜想比哥德巴赫猜想更重要时,许多人就不高兴了。庞加莱猜想怎么能比皇冠上
的珍珠更重要呢?一般来说,数学上不同领域的东西很难比较,因为不太容易建立参照
系,除非有明显的差别。比如九点圆定理与代数基本定理,虽然一个几何,一个代数,
但后者要比前者重要的多的多。庞加莱猜想与哥德巴赫猜想都是著名猜想,从知名度来
说很难分出高下(在中国人中,哥比庞更大)。但另外有几个参照系可以用。一个是看
业内人士对它的重视程度。从这点来讲,庞加莱猜想比哥德巴赫猜想要大。庞加莱猜想
的几个特例的解决都被授与菲尔兹奖,加上最后这一次,一共三枚。而哥德巴赫猜想从
王元潘承洞的1+5,1+4到陈景润的1+2最多就是陈被邀请到国际数学大会作45
分钟报告。另一个差照系就是看其所用的方法能否对别的题目有用。以我看,筛法大概
是筛不出什么新名堂了,但这RICCI流大概还可以流一阵。另外还有一个参照系就
是结果的应用。哥德巴赫猜想研究的是一个比较孤立的问题,我看不出它在别的方面的
应用。庞加莱猜想研究的是三维空间的一般几何体,被应用到别的学科(尤其是物理)
可能性比较大。

除了古时候的初等数学以外,现代抽象数学定理要应用到别的学科一般都要等很长时间。
黎曼搞的微分几何开始看不出用处,后来却成了相对论不可缺少的工具。庞加莱猜想现
在还看不出实际可应用的地方,但以后对宇宙的理解有用是很有可能的。因为我们生活
在三维空间里,对三维空间里的几何体(包括宇宙本身)的理解是很重要的。所以,丘
成桐关于庞加莱猜想的演讲可以放到国际超弦会议上去讲。虽然按超弦理论,我们生活
的时空有可能是10维的,甚至26维的。但看得见的时空还是四维的(三维空间加一
维时间),所以三维对我们很重要。

各个参照系比下来,如果要让我投票,我还是投庞加莱猜想一票。

网上有些关于这个话题的文章加进了不少个人攻击成分,甚至把其它地方的纠纷也加了
进来,这就没有必要了。P的大纲出来好几年了,这其间许多一流数学家都在努力研究,
试图跳过大纲所空出来的间隙。别人没看懂以前,曹朱看懂了。不管是创新也好,帮人
验证也好。别人没做出来以前,曹朱做出来了。这就很了不起,中国人应当为他们感到
骄傲。我为他们感到骄傲。


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