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现在时间:2008年12月4日 星期四
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(三)数学是一部惊险武侠小说
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  数学王国里从来不缺乏最骇世的天才和最惊险的情节。它其中的任一小部分都能改变成一部刺激新鲜的悬疑电影,只是那桀骜难驯的匪徒变成了一个个数学妖怪,在数字世界中嘲笑着世上最杰出的数学家。
   
   从希腊黄金时代芝诺、欧几里德,、毕达哥拉斯、阿基米德这样层出不穷的巨人到文艺复兴期间的笛卡儿、牛顿、莱布尼茨、欧拉、高斯这般惊世骇俗的大师,乃至近现代的拉马努杨、怀尔斯、纳什这等轰动世界的天才,都在数学王国中龙盘虎踞。
   
   只是这里的江湖是属于年轻人的。少年英雄在这里尽情挥洒他们的天纵其才,库特•哥德尔提出他的不可判定性定理时,年仅25岁;挪威的阿贝尔在19岁时做出了他对数学的最伟大的贡献,8年后在贫困交加中去世,法国数学家埃米尔特评价:“他留下的思想可供数学家们工作500年。”英国数学家哈代则说:“年轻人应该证明定理,而老年人则应该写书。数学较之别的艺术或科学,更是年轻人的游戏。”还有哪片领土更适合年轻人来谱写传奇?在英国皇家学会会员中,数学家的平均当选年龄是最低的。
   
   仅仅看看那个法国人伽罗华吧。关于他的成果及思想,伟大得简直像一个谜,在若虚若幻的同时便充满着一种莫名的震撼,只能低首膜拜。他一生中最重要成果都是在他十七、八岁时做出的,那时他还只是一名中学生。在他18岁时写出的论文中就提出了高等代数中的“群论”这样崭新的数学理论,轻易的解决了五次以上的高次方程无通用解,尺规作图不可能三等分任意角这样的古老数学难题,从而开创了代数学上的新时代。
   
   也许是欠缺语言能力,也许是根本不屑于表达,总之伽罗华独创思想之晦涩艰深,令当时的大数学家泊松都不得其门而入,绞尽脑汁看了四个月,还是宣称他“完全不能理解”。可见他的理论已经完全超过了当时数学界的理解能力,直到四十年后,当时的数学家才发现他论文中的珍贵之处。
   
   上帝也许也会责怪他泄漏天机。
   
   1832年,年轻气盛的伽罗华为了一个舞女,卷入了一场他所谓的“爱情与荣誉”的决斗。伽罗华非常清楚对手的枪法很好,自己难以摆脱死亡的命运,所以决斗前连夜给朋友写信,仓促地把自己生平的数学研究心得扼要写出,并附以论文手稿。他不时的中断,在纸边空白处写上“我没有时间,我没有时间”,然后又接着写下一个极其潦草的大纲。第二天上午,在决斗场上,伽罗华被打穿了肠子。死之前,他对在他身边哭泣的弟弟说:“不要哭,我需要足够的勇气在20岁的时候死去。
   
   這就是数学中的天才,只要一丁点传说,他们就有足够的力量让你热泪盈眶。这是人类对超出自己认知范围的一种本能。
   
   也只有在数学中你才可以遇到这样的天才;且只有借助数学这篇土壤,你才能去体验他们的思想,去感受他们的伟大。
   
   现在我所在的学校即有一个住宿区命名为伽罗华,以纪念这位数学史上最年轻、最有创造力的数学家。
   
   而围绕着数学发生的故事,也丝毫不逊于任何惊心动魄的历史。我们仍然去追溯那戈尔狄亚斯王的难解之结——费马大定理,它走过的岁月已远远超出了最优秀编剧的想像。寻求费马大定理的证明牵动了这个星球上最有才智的人们,巨额的赏格,自杀性的绝望,黎明前的决斗。请允许我用一种独特的格式来叙述这段传奇:
   
   在一本巴舍所译的丢番图数论著作靠近问题8的页边处,号称“业余数学家之王”的费马写着这么几句话:
   
   “不可能将一个立方数写成两个立方数之和;或者将一个4次幂写成两个4次幂之和;或者,总的来说,不可能将一个高于2次的幂写成两个同样次幂的和。”
   
   这个喜欢恶作剧的天才,又在后面写下一个附加的评注:"我有一个对这个命题的十分美妙的证明,这里空白太小,写不下。”
   
   费马写下这几行字大约是在1637年,这些被侥幸发现的蛛丝马迹成了其后所有数学家的不幸。一个小学生就可以理解的定理,成了数学界最大的悬案,从此将那些世界上最聪明的头脑整整折磨了358年。一代又一代的数学天才前赴后继,向这一猜想发起挑战。
   
   后人甚至多么希望,这本书的边页能加宽一些,这样费马就可以写下他的证明,而不是这样的曲折遮掩。
   
   欧拉,18世纪最伟大的数学家之一,在那本特殊版本的《算术》中别的地方,发现费马隐蔽地描述了对4次幂的一个证明。欧拉将这个含糊不清的证明从细节上加以完善,并证明了3次幂的无解。但在他的突破之后,仍然有无数多次幂需要证明。
   
   等到索非•热尔曼、勒让德、狄利克雷、加布里尔•拉梅等几个法国人再次取得突破时,距离费马写下那个定理已经过去了将近200年,而他们才仅仅又证明了5次幂和7次幂。
   
   事实上拉梅已经宣布他差不多就要证明费马大定理了,另一位数学家柯西也紧随其后说,要发表一个完整的证明。然而,一封来信粉碎了他们的信心:德国数学家库默尔看出这两个法国人正在走向同一条逻辑的死胡同。库默尔证明了“唯一分解性定理”的失效,并创造了一类理想数以修复这个紊乱的状况。
   
   在让两位数学家感到羞耻的同时,库默尔也证明了费马大定理的完整证明是当时的数学方法不可能实现的。这是数学逻辑的光辉一页,也是对整整一代数学家的巨大打击。
   
   20世纪,数学开始转向各种不同的研究领域并取得非凡进步。1908年,德国实业家沃尔夫斯凯尔为未来可能攻克费马大定理的人设立了奖金,但是,一位不出名的数学家却似乎毁灭了大家的希望:库特•哥德尔提出不可判定性定理,对费马大定理进行了残酷的表达--这个命题没有任何证明。
   
   尽管有哥德尔致命的警告,尽管经受了三个世纪壮烈的失败,但一些数学家仍然冒着白白浪费生命的风险,继续投身于这个问题。二战后随着计算机的出现,大量的计算已不再成为问题。借助计算机的帮助,数学家们对500以内,然后在1000以内,再是10000以内的值证明了费马大定理,到80年代,这个范围提高到25000,然后是400万以内。
   
   但是,这种成功仅仅是表面的,即使那个范围再提高,也永远不能证明到无穷,不能宣称证明了整个定理。破案似乎遥遥无期。
   
   此时,两位日本数学家已经提出谷山-志村猜想,将怀尔斯正在研究的椭圆方程与模形式统一在一起。看来也与费马大定理没什么关系。
   
   80年代,几位数学家将17世纪最重要的问题与20世纪最有意义的问题结合在一起,找出了证明费马大定理的钥匙:只要能证明谷山-志村猜想,就自动证明了费马大定理。
   
   曙光在前,但并没有人对黎明的到来抱有信心,谷山-志村猜想已经被研究了30年,都以失败告终,如今与费马大定理联系在一起,更是连最后的希望都没有了,因为,任何可能导致解决费马大定理的事情根据定义是根本不可能实现的——这几乎已成定论。
   
   就连发现钥匙的关键人物肯•里贝特也很悲观:“我没有真的费神去试图证明它,甚至没有想到过要去试一下。”大多数其他数学家,包括安德鲁•怀尔斯的导师,都相信做这个证明会劳而无功。
   
   除了安德鲁•怀尔斯。
   
   曾经有人问伟大的逻辑学家大卫•希尔伯特为什么不去尝试证明费马大定理,他回答说:“我没有那么多时间去浪费在一件可能会失败的事情上。”
   
   但安德鲁•怀尔斯会。他意识到自己的机会不大,但即使最终没能证明费马大定理,他也觉得自己的努力不会白费。他花了18个月的时间为将来的战斗收集必要的武器,然后得出全面估计:任何对这个证明的认真尝试,很可能需要10年的专心致志的努力。
   
   怀尔斯放弃了所有与证明费马大定理无直接关系的工作,在完全保密的状态下,展开了一个人对一个困扰世间智者三百多年的谜团的挑战,妻子是唯一知道他在从事费马问题研究的人。
   
   1993年,经过七年专心努力的安德鲁•怀尔斯完成了谷山-志村猜想的证明。
   
   6月23日,剑桥牛顿研究所,他开始了本世纪最重要的一次数学讲座,每一个对促成费马大定理证明做出过贡献的人实际上都在现场的房间里,两百名数学家被惊呆了,他们看到的是,三百多年来第一次,费马的挑战被征服。
   
   怀尔斯写上费马大定理的结论,然后转向听众,平和地说:“我想我就在这里结束。”会场上爆发出一阵持久的掌声,第二天,数学家第一次占据了报纸的头版头条。《人物》杂志将他与黛安娜王妃、奥普拉一起列为“本年度25位最具魅力者”之一,一家时装公司则请这位温文尔雅的天才为他们的新系列男装做了广告。
   
   但事情并没有在这里结束,接下来的发展依然像惊险小说一样,悬案得破,但案犯并不轻易束手就擒。怀尔斯长达200页的手稿投交到《数学发明》杂志,开始了庞杂的审稿过程。这是一个特大型的论证,由数以百计的数学计算通过数以千计的逻辑链环错综复杂地构造而成。只要有一个计算出差错或一个链环没衔接好,整个证明将可能失去其价值。
   
   在苛刻的审稿过程中,审稿人碰到了一个似乎是小问题的问题。而这个问题的实质是,无法使怀尔斯像原来设想的那样保证某个方法行得通。他必须加强他的证明。
   
   时间越耗越长,问题依然解决不了,全世界开始对怀尔斯产生怀疑。14个月的时间过去了,他准备公开承认失败并发表一个证明有缺陷的声明。
   
   在山穷水尽的最后时刻,9月19日,一个星期一的早晨,他决定最后检视一次,试图确切地判断出那个方法不能奏效的原因。一个突然迸发的灵感使他的苦难走到了尽头:虽然那个方法不能完全行得通,但只需要可以使另一个他曾经放弃的理论奏效,正确答案就可以出现在废墟之中--两个分别不足以解决问题的方法结合在一起,就可以完美地互相补足。
   
   足足有20分钟,怀尔斯呆望着那个结果不敢相信。他眼里满是泪水,可然后,是一种再也无事可做的巨大失落感。
   
   一百年前,专为费马大定理而设的沃尔夫斯凯尔奖将截止日期定为2007年9月13日。就像所有的惊险片一样,炸弹在起爆的最后一刻,被拆除了。
   
   是的,一切都是这样曲折而完美,复杂且肯定。
   
   這就是数学。
   
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