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從龐加萊猜想說開去
送交者: 萬精油 2007年01月05日16:36:19 於 [教育學術] 發送悄悄話

目前中文網上一個比較熱門的話題是龐加萊猜想的解決。粗看起來很奇怪,網上熱門的
話題一般是政治,體育或8228似的八卦。這抽象的數學猜想怎麼會熱起來?仔細看
看就發現因為這新聞里有兩個中國數學家,算是與政治掛上了鈎。又因為牽涉到丘成桐,
就有了點八卦的味道。再加上這裡面牽涉到的競爭不比體育比賽差。這麼多條件都具備
了,要想不熱也難。於是這抽象的數學猜想就在中文網上熱起來。事實上大多數參加討
論的人並不是完全懂得龐加萊猜想的真正內容,但這並不妨礙大家的討論。我自己是學
數學的,也曾搞過幾何拓的東西,乘這話題還沒有冷,也出來湊個熱鬧。

龐加萊猜想從數學上嚴格地講起來要牽涉到基本群,同胚,緊緻流形等概念,比較麻煩。
用大眾語言簡單說起來就是沒有洞的有限幾何體(緊緻流形)等同於球面。這猜想在一,
二維的情況很簡單。因為一維的緊緻流行只有圓,二維的緊緻流行由虧格唯一確定,也
沒什麼好說的。三維的情況就很難了,而且不是一般的難。龐加萊提出這個猜想後半個
世紀沒有大進展。雖然其間有許多人(包括一些著名數學家)宣布自己找到了證明,但
很快就被人發現了漏洞。後來大家都很小心,輕易不敢說自己解決了這個問題。直到六
十年代問題才開始有了比較大的突破。有人想三維不能解決,看更高維的情況行不行。
STEVE SMALE解決了高維中N>=5的情況。後來FREEMAN又解決了
N=4的情況。他們兩人都為此得了數學界的最高獎菲爾茲獎。繞了一圈最後又回到了
N=3這塊硬骨頭。

一般人可能覺得有點不好理解,為什麼高維的情況反到容易解決。大致說起來,當維數
很低的時候(比如N=1,2),情況比較直觀,解起來很容易。當維數很高時(比如
N>=5),條件比較多,空間的限制也比較多,唯一確定就比較容易。在維數不大不
小的時候,情況反而最複雜。類似的情況在數學上還有別的例子。比如除了N=4,任
意歐氏空間(R^N)都只有唯一的微分結構,但N=4時,R^4上卻有無數的微分
結構。

很長一段時間N=3的情況都沒有什麼新進展,直到1982年HAMILTON發明
了RICCI流的方法,N=3的情況才開始有了突破,至少人們看到了解決問題的一
個新的方向。從前搞幾何的人都是以純幾何的方法搞幾何。比如蘇步青那一批,一大堆
張量指數搞得你眼花潦亂。後來丘成桐用偏微分方程的方法解決幾何問題,算是開創了
幾何分析的先河。我在北京讀研究生的時候正好是丘成桐得菲爾茲獎不久,中國數學界
幾何突然熱起來。搞方程的人去學幾何,搞幾何的人去學方程,大家都學非線性泛函。
到處都是幾何方面的學術會議,討論班。南開的,復旦的,我們這些研究生都去湊熱鬧,
也算是公費旅遊。當時最著名的是香山署期討論班,全國這方面的尖子學生都跑來了(
包括田剛)。後來在美國數學搞得很好的人中,有不少都是當年香山討論班出來的。扯
遠了,還是回頭講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時,RICCI流給
大家指明了方向。HAMILTON等沿着RICCI流向前走,掃除了前進路上的不
少障礙。可惜走了一陣就走不動了。因為順着RICCI流走到了極點(奇異點),沒
有方向了。實際上現在大家關心的已經不僅僅是龐加萊猜想,而是更廣泛的THURS
TON猜想。THURSTON把三維流形分為八類,其中一類就是球面。解決了它就
含帶解決了龐加萊猜想。龐加萊猜想的解決在奇異點停了下來。直到2002-2003
年PERELMAN提出他有辦法解決奇異點問題,並寫出了大綱,據說是沿着這個大
綱就可以解決龐加萊猜想。他的大綱有很多創新,而且這些創新還可以用到別的問題的
解決之中。算是對數學做出了突出貢獻,因此今年的菲爾茲獎給了他一份。PEREL
MAN是不世奇才,牛人一個。據說他拒絕接受菲爾茲獎。關於他的故事可以另寫一大
篇文章,網上很多,我就不在這裡抄書了。

龐加萊猜想熱起來的主要原因是因為有爭議。爭議最大的是PERELMAN的大綱,
這大綱究竟算不算完整證明。大綱出來後,別人看不太懂。甚至有人去電郵直接了當的
問P“你是不是說根據你這些東西就可以證明龐加萊猜想”,他的回答很簡單:“是的”。可
是,按照傳統,完整的證明必需每一部都寫得清清楚楚,不能有含糊的地方。P的大
綱有很多跳躍,不清楚的地方很多,如果拿它去答卷,一定不能算通過。但大綱給出了
整個證明的思路,尤其是關鍵地方都有前人想不到的突破,如果這些跳躍都能通過,這
大綱就應該算是解決了問題,算不算證明就不重要了。這些跳躍間到底有沒有問題,不
同的人有不同的看法。P的大綱剛出來後,我正好有幸與JOHN MILNOR單獨
吃過一頓午飯。他是幾何大師並得過菲爾茲獎,除了談別的以外,我就順便問了他關於
P的證明,他說他認為P的證明可以HOLD WATER。也就是說證明可行,即使
有漏洞也是可補的小漏洞。當然也有丘成桐這樣的也得過菲爾茲獎的大師說P的大綱不
能算完全證明。大家各持己見。

現在的情況有點象爬山。大家看着一個高峰無從下手,不知從哪裡上。這時過來一個登
山高手(P)給大家指出幾個可以打樁的地方。這些地方連起來依稀就是一條上山的路
線。常人看見這些樁打得太遠,說是跳不過去。但登山高手臂力大,彈跳好,認為這些
樁足夠了。這就出現了分歧。顯然,除了P本人以外,別的人基本都沒覺得這些樁與樁
之間可以輕易跳過。否則也不需要一大堆人(都是世界一流登山高手)研究好幾年都不
敢下結論。大家覺得最好的辦法是實地走一走。於是中國的兩個登山高手曹朱在P打的
四十多個樁之間又打了三百多過小樁(據說這裡面還有好幾個大樁),走到了頂峰。看
起來這應該說明P指的上山路線是可行的。但據說曹朱打的幾個大樁在登山過程中也起
到了很大的作用。這作用的大小不同的人有不同的看法。按國際數學大會給P發菲爾茲
獎的說明材料,別人的工作只是在驗證P的思路。我個人認為這有點不公平,或者說把
曹朱他們的工作看得太輕。任何事情都有個度量,如果P的四十多個樁可以認可,那麼
少一個樁可不可以?少兩個可不可以?三十幾個可不可以?缺的那些樁都可以由別人補
上。如果走到極限,我們甚至還可以說HAMILTON的RICCI流早就給出了上
山方向,別人的工作(包括P)只是在驗證H的思路。如果說H的思路有走不通的地方,
H也可以幾年不理,讓別人去走。現在走通了說明H的思路正確。當然,這只是我的很
極端的比喻,只是想說明任何事都有個度量,怎樣說明P的四十多個樁子就是恰到好處,
這應該只有有一定級別的登山高手可以判定。不過,丘成桐說曹朱的工作有30%的份
量,我又覺得說得太重。在大家完全沒有方向時,P出來給大家指出了方向,而且現在
看來是可行的方向,光這一點就應該占一大半的份量。再分一些給H,曹朱是不應該有
30%的。我個人覺得比較公平的份量應該是10%左右。然而,由於丘成桐的搶功,
大家在糾正丘的誇大時又矯枉過正,把曹朱的工作說得一錢不值。反而使他們失去了應
該得到的份量。這是我個人的看法。我的看法當然不重要(或者說完全不重要),重要
的是那些登山高手們怎樣看。據說有登山高手(包括H)說曹朱打的樁子也有創造性。
這就夠了,能夠先於所有人成功地登上頂峰(哪怕是用了別人打好的樁子),而且被許
多同行承認有創造性,這就很了不起了。作為數學家應該可以滿足了。這理要補充說明
一下,另外還有兩個登山隊也順着P的樁子獨立地登上去了,同樣也打了好幾百個小樁
子。

網上討論的另一個話題是:龐加萊猜想與哥德巴赫猜想哪個更重要。由於徐遲的報告文
學,中國人對可德巴赫猜想可算是情有獨中。科學的皇冠,皇冠上的珍珠。當丘成桐說
龐加萊猜想比哥德巴赫猜想更重要時,許多人就不高興了。龐加萊猜想怎麼能比皇冠上
的珍珠更重要呢?一般來說,數學上不同領域的東西很難比較,因為不太容易建立參照
系,除非有明顯的差別。比如九點圓定理與代數基本定理,雖然一個幾何,一個代數,
但後者要比前者重要的多的多。龐加萊猜想與哥德巴赫猜想都是著名猜想,從知名度來
說很難分出高下(在中國人中,哥比龐更大)。但另外有幾個參照系可以用。一個是看
業內人士對它的重視程度。從這點來講,龐加萊猜想比哥德巴赫猜想要大。龐加萊猜想
的幾個特例的解決都被授與菲爾茲獎,加上最後這一次,一共三枚。而哥德巴赫猜想從
王元潘承洞的1+5,1+4到陳景潤的1+2最多就是陳被邀請到國際數學大會作45
分鐘報告。另一個差照系就是看其所用的方法能否對別的題目有用。以我看,篩法大概
是篩不出什麼新名堂了,但這RICCI流大概還可以流一陣。另外還有一個參照系就
是結果的應用。哥德巴赫猜想研究的是一個比較孤立的問題,我看不出它在別的方面的
應用。龐加萊猜想研究的是三維空間的一般幾何體,被應用到別的學科(尤其是物理)
可能性比較大。

除了古時候的初等數學以外,現代抽象數學定理要應用到別的學科一般都要等很長時間。
黎曼搞的微分幾何開始看不出用處,後來卻成了相對論不可缺少的工具。龐加萊猜想現
在還看不出實際可應用的地方,但以後對宇宙的理解有用是很有可能的。因為我們生活
在三維空間裡,對三維空間裡的幾何體(包括宇宙本身)的理解是很重要的。所以,丘
成桐關於龐加萊猜想的演講可以放到國際超弦會議上去講。雖然按超弦理論,我們生活
的時空有可能是10維的,甚至26維的。但看得見的時空還是四維的(三維空間加一
維時間),所以三維對我們很重要。

各個參照系比下來,如果要讓我投票,我還是投龐加萊猜想一票。

網上有些關於這個話題的文章加進了不少個人攻擊成分,甚至把其它地方的糾紛也加了
進來,這就沒有必要了。P的大綱出來好幾年了,這其間許多一流數學家都在努力研究,
試圖跳過大綱所空出來的間隙。別人沒看懂以前,曹朱看懂了。不管是創新也好,幫人
驗證也好。別人沒做出來以前,曹朱做出來了。這就很了不起,中國人應當為他們感到
驕傲。我為他們感到驕傲。


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