数学家弗里曼·戴森的演讲译文:鸟和青蛙

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弗里曼•戴森 (Freeman Dyson)1923年12月15日出生,美籍英裔数学物理学家,普林斯顿高等研究院自然科学学院荣誉退休教授。
 
戴森早年在剑桥大学追随著名的数学家G.H.哈代研究数学,二战结束后来到美国康奈尔大学,跟随汉斯•贝特教授。他证明了施温格和朝永振一郎发展的变分法方法和费曼的路径积分法的等价性,为量子电动力学的建立做出了决定性的贡献。1951年他任康奈尔大学教授,1953年后一直任普林斯顿高等研究院教授。
 
《鸟和青蛙》(Birds and Frogs)是戴森应邀为美国数学会爱因斯坦讲座所起草的一篇演讲稿,该演讲计划于2008年10月举行,但因故被取消。这篇文章全文发表于2009年2月出版的《美国数学会志》(NOTICES OF THE AMS, VOLUME56, Number 2)。
 
经美国数学会和戴森授权,科学时报记者王丹红全文翻译并在科学网上发布这篇文章。
 

 
有些数学家是鸟,其他的则是青蛙。鸟翱翔在高高的天空,俯瞰延伸至遥远地平线的广袤的数学远景。他们喜欢那些统一我们思想、并将不同领域的诸多问题整合起来的概念。青蛙生活在天空下的泥地里,只看到周围生长的花儿。他们乐于探索特定问题的细节,一次只解决一个问题。我碰巧是一只青蛙,但我的许多最好朋友都是鸟。
 
这就是我今晚演讲的主题。数学既需要鸟也需要青蛙。数学丰富又美丽,因为鸟赋予它辽阔壮观的远景,青蛙则澄清了它错综复杂的细节。数学既是伟大的艺术,也是重要的科学,因为它将普遍的概念与深邃的结构融合在一起。如果声称鸟比青蛙更好,因为它们看得更遥远,或者青蛙比鸟更好,因为它们更加深刻,那么这些都是愚蠢的见解。数学的世界既辽阔又深刻,我们需要鸟们和青蛙们协同努力来探索。
 
这个演讲被称为爱因斯坦讲座,应美国数学会之邀来这里演讲以纪念阿尔伯特•爱因斯坦,我深感荣幸。爱因斯坦不是一位数学家,而是一位融合了数学感觉的物理学家。一方面,他对数学描述自然界运作的力量极为尊重,他对数学之美有一种直觉,引导他进入发现自然规律的正确轨道;另一方面,他对纯数学没有兴趣,他缺乏数学家的技能。晚年时,他聘请一位年轻同事以助手身份帮助他做数学计算。他的思考方式是物理而非数学。他是物理学界的至高者,是一只比其他鸟瞭望得更远的鸟。但今晚我不准备谈爱因斯坦,因为乏善可陈。
 
弗兰西斯•培根和勒奈•笛卡尔
 
17世纪初,两位伟大的哲学家,英国的弗兰西斯•培根(Francis Bacon)和法国的勒奈•笛卡尔(Rene Descartes),正式宣告了现代科学的诞生。笛卡尔是一只鸟,培根是一只青蛙。两人分别描述了对未来的远景,但观点大相径庭。培根说:“一切均基于眼睛所见自然之确凿事实。”笛卡尔说:“我思,故我在。”
 
按照培根的观点,科学家需要周游地球收集事实,直到所积累的事实能揭示出自然的运动方式。科学家们从这些事实中推导出自然运作所遵循的法则。根据笛卡尔的观点,科学家只需要呆在家里,通过纯粹的思考推导出自然规律。为了推导出正确的自然规律,科学家们只需要逻辑规则和上帝存在的知识。
 
在开路先锋培根和迪卡尔的领导之下,400多年来,科学同时沿着这两条途径全速前进。然而,解开自然奥秘的力量既不是培根的经验主义,也不是笛卡尔的教条主义,而是二者成功合作的神奇之作。400多年来,英国科学家倾向于培根哲学,法国科学家倾向于笛卡尔哲学。法拉弟、达尔文和卢瑟福是培根学派;帕斯卡、拉普拉斯和庞加莱是迪卡尔学派。因为这两种对比鲜明的文化的交叉渗透,科学被极大地丰富了。这两种文化一直在这两个国家发挥作用。牛顿在本质上是笛卡尔学派,他用了笛卡尔主义的纯粹思考,并用这种思考推翻了涡流的笛卡尔教条。玛丽•居里在本质上是一位培根学派,她熬沸了几吨的沥青铀矿渣,推翻了原子不可毁性之教条。
 
在20世纪的数学历史中,有两起决定性事件,一个属于培根学派传统,另一个属于笛卡尔学派传统。第一起事件发生于1900年在巴黎召开的国际数学家大会上,希尔伯特(Hilbert)作大会主题演讲,提出了23个未解决的著名问题,绘制了即将来临的一个世纪的数学航道。希尔伯特本身是一只鸟,高高飞翔在整个数学领地的上空,但他声称,他的问题是给在同一时间只解决一个问题的青蛙们。第二起决定性事件发生在20世纪30年代,数学之鸟——布尔巴基学派(Bourbaki)在法国成立,他们致力于出版一系列能将全部数学框架统一起来的教科书。
 
在引导数学研究步入硕果累累的方向上,希尔伯特问题取得了巨大成功。部分问题被解决了,部分问题仍悬而未决,但所有这些问题都刺激了数学新思想和新领域的成长。布尔巴基纲领有同等影响,通过带入以前并不存在的逻辑连贯性、推动从具体实例到抽象共性的发展,这个项目改变了下一个50年的数学风格。在布尔巴基学派的格局中,数学是包含在布尔巴基教科书中的抽象结构。教科书之外均不是数学。自从在教科书中消失后,具体实例就不再是数学。布尔巴基纲领是笛卡尔风格的极端表现。通过排除培根学派旅行者们在路旁可能采集到的鲜花,他们缩小了数学的规模。
 
自然的玩笑
 
我是一个培根学派的信徒。对我而言,布尔巴基纲领的一个主要不足是错失了一种惊喜元素。布尔巴基纲领努力让数学更有逻辑。当我回顾数学的历史时,我看见不断有非逻辑的跳跃、难以置信的巧合和自然的玩笑。大自然所开的最深刻玩笑之一是负1的平方根,1926年,物理学家埃尔文•薛定谔(Erwin Schrodinger)在发明波动力学时,将这个数放入他的波动方程。
 
当薛定谔开始思考如何将光学和力学统一时,他就是一只鸟。早在100多年前,借助于描述光学射线和经典粒子轨迹的相同数学,汉密尔顿统一了射线光学和经典力学。薛定谔也希望用同样的方式来统一波动光学和波动力学。当时,波动光学已经存在,但波动力学尚未出现。薛定谔不得不发明波动力学来完成这一统一。开始时,他将波动光学作为一个模型,写下机械粒子的微分方程,但这个方程没有任何意义。这个方程看起来像连续介质中的热传导方程。热传导与粒子力学之间没有可见的相关性。薛定谔的想法看起来没有任何意义。然而,奇迹出现了。薛定谔将负1的平方根放入机械粒子的微分方程,突然间,它就有意义了。突然间,它成为波动方程而不是热传导方程。薛定谔高兴地发现,这个方程的解与玻尔原子模型中的量化轨道相吻合。
 
结果,薛定谔方程准确描述了我们今天所知原子的每一种行为。这是整个化学和绝大部分物理学的基础。负1的平方根意味着大自然是以复数而不是实数的方式运行。这一发现让薛定谔和其他所有人耳目一新。薛定谔记得,当时,他14岁大的“女朋友”伊萨•荣格尔(Itha Junger)曾对他说:“嗨,开始时,你从来没想过会出现这么多有意义的结果吧?”
 
在整个19世纪,从阿贝尔(Abel)、黎曼(Riemann)到维尔斯特拉斯(Weierstrass),数学家们一直在创建一个宏大的复变函数理论。他们发现,一旦从实数推进到复数,函数论就变得更深刻更强大。但是,他们一直将复数看作是人造结构,是数学家们从真实生活中发明的一种有用、优雅的抽象概念。他们未曾料到,他们发明的这个人工数字事实上是原子运行的基础。他们从未想象过,这个数字最初是出现在自然界。
 
大自然所开的第二个玩笑是量子力学的精确线性。事实上,物理对象的各种可能状态构成了一个线性空间。在量子力学被发明之前,经典物理总是非线性的,线性模式只是近似有效。在量子力学之后,大自然本身突然变成了线性。这对数学产生了深刻的影响。19世纪,索菲斯•李(Sophus Lie)发展了他关于连续群的精致理论(elaborate theory),以期弄清楚经典力学系统的行为。当时的数学家和物理学家对李群几乎没有任何兴趣。李群的非线性理论对数学家来说过于复杂,对物理学家来说又过于晦涩。索菲斯•李在失望中离开了人世。50年后,人们发现大自然本身就是线性的,李代数的线性表示竟然是粒子物理的自然语言。作为20世纪数学的中心主题之一,李群和李代数获得了新生。
 
大自然的第三个玩笑是拟晶体(Quasi-crystals)的存在。19世纪,对晶体的研究导致了对欧几里德空间中可能存在的离散对称群种类的完整列举。人们已经证明:在三维欧几里德空间中,所有离散对称群仅包含3级、4级或6级的旋转。之后,1984年,拟晶体被发现了,从液体金属阵列中长出的真正固体物显示了包含5重旋转的二十面体的对称性。与此同时,数学家罗杰•彭罗斯(Roger Penrose)发现了平面“彭罗斯拼砖法”。拟晶阵列是二维彭罗斯拼砖法的三维模拟。在这些发现之后,数学家不得不扩大晶体群理论,将合金拟晶体包含其中。这是还在发展中的一个重要研究项目。
 
大自然开的第四个玩笑是拟晶和黎曼ζ函數零点(zeros of the Riemann Zeta function)在行为的相似性。黎曼ζ函數零点令数学家们着迷,因为所有的零点都落在一条直线上,没有人知道这是为什么。著名的黎曼猜想是指:除了平凡的例外,黎曼ζ函数零点都在一条直线上。100多年来,证明黎曼猜想一直是年轻数学家们的梦想。我现在大胆提议:也许可以用拟晶体来证明黎曼猜想。你们中的部分数学家也许认为这个建议无关紧要。那些不是数学家的人可能对这个建议不感兴趣。然而,我将这个问题放到你们面前,希望你们严肃思考。年轻时的物理学家里奥•齐拉特(Leo Szilard)不满意摩西的十条诫命,写了新十诫来替换它们。齐拉特的第二条诫律说:“行动起来,向有价值的目标前进,不问这些目标是否能达到:行动是模范和例子,而不是终结。” 齐拉特践行了他的理论。他是第一个想象出核武器的物理学家,也是第一个积极以行动反对核武器使用的物理学家。他的第二条诫律也适用于这里。黎明猜想的证明是一个值得为之的目标,我们不应该问这个目标是否能实现。我将给你们一些这个目标可以实现的暗示。我将给数学家们一些建议,这是我在50年前成为一名物理学家之前获得的忠告。我先谈黎明猜想,再谈拟晶体。
 
直到最近,纯数学领域还有两个未解决的超级问题:费马大定理的证明和黎曼猜想的证明。12年前,我在普林斯顿的同事安德鲁•怀尔斯(Andrew Wiles)证明了费马大定理,如今,只剩下黎曼猜想有待证明。怀尔斯对费马大定理的证明不只是一个技术绝技,它的证明还需要发现和探索数学思想的新领域,这比费马大定理本身更辽阔更重要。正因如此,对黎曼猜想的证明也将导致对数学甚至物理学诸多不同领域的深刻认识。黎曼ζ函數和其他ζ函數也类似,它们在数论、动力系统、几何学、函数论和物理学中普遍存在。ζ函數仿佛是通向各方路径的交叉结合点。对黎曼猜想的证明将阐明所有这些关联。就像每一位纯数学领域里严肃的学生一样,我年轻时的梦想是证明黎曼猜想。我有一些模糊不清的想法,认为可以引导自己证明这个猜想。最近几年,在拟晶体被发现后,我的想法不再模糊。我在这里把它们呈现给有雄心壮志赢得菲尔茨奖的年轻数学家们。
 
拟晶体存在于一维、二维和三维空间。从物理学的角度看,三维拟晶体最为有趣,因为它们栖息于我们的三维世界,可以通过实验加以研究。从数学家的角度来看,一维拟晶体比二维和三维拟晶体更为有趣,因为它们种类繁多。数学家这样定义拟晶体:一个拟晶体是离散点群的分布,它们的傅立叶变换是离散点频率。或简而言之,一个拟晶体是一个有纯点谱的纯点分布。这个定义包括了作为特例的普通晶体,它们是拥有周期谱的周期分布。
 
将普通晶体排除在外,三维中的拟晶体只有极为有限的变形,它们均与二十面体有关。二维拟晶体数目众多,粗略地讲,一个独特的类型与平面上每个正多边形都相关联。含五边 形对称的二维拟晶体是著名的平面彭罗斯拼砖。最后,一维拟晶体有更为丰富的结构,因为它们不受制于任何旋转对称。就我所知,目前还没有对一维拟晶体存在情况的全数调查。现已知,一种独特拟晶体的存在与每个皮索特-维贡伊拉卡文数(pisot Vijayaraghavan number)或PV数对应。一个PV数是一个真正的代数整数,是有整数系数(integer coefficients)多项式方程的根,其他所有根的绝对值都有小于1的绝对值。全部PV数的集合是无限的,并有非凡的拓扑结构。所有一维拟晶体的集合都有一种结构,其丰富程度可与所有的PV数集合相比,甚至更丰富。我们并不确切地知道,一个由与PV数没有关联的一维拟晶体构成的大世界正等待探索。
 
现在谈一维准晶体与黎曼猜想的联系。如果黎曼猜想是正确的,那么根据定义,ζ函數零点就会形成一个一维拟晶体。它们在一条直线上构成了点质量(point masses)的一个分布,它们的傅利叶变化同样也是一个点质量分布,前者的点质量位于每个素数的对数处,其傅里叶变换点质量位于每个素数的幂的对数处。我的朋友安德鲁•奥德泽科(Andrew Odlyzko)发表了一个漂亮的ζ函數零点的傅利叶变换的计算机运算。这个运算精确地显示了傅利叶变换的预期结构,在每一个素数或素数的幂的对数上有明显的间断性。
 
我的推测如下。假设我们并不知道黎曼猜想是否正确。我们从另一个角度来解决问题。我们努力获得一维拟晶体的一个全数调查和分类。这就是说,我们列举和分类拥有离散点谱的所有点分布。对新对象的收集和分类是典型的培根归纳活动。这也是适合于青蛙型数学家的活动。然后,我们发现众所周知的与PV数相关的拟晶体,以及其它已知或未知的拟晶体世界。在其它众多的拟晶体中,我们寻找一个与黎曼ζ函數相对应的拟晶体,寻找一个与其它类似黎曼ζ函數的每个ζ函數相对应的拟晶体。假设我们在拟晶体细目表中找到了一个拟晶体,其性质等同于黎曼ζ函數零点。然后,我们证明了黎曼猜想,等待宣布菲尔茨奖的电话。
 
这是一种妄想。对一维准晶体进行分类极其困难,其困难程度不压于安德鲁•怀尔斯花7年时间所解决的问题。但是,如果我们以培根主义者的观点来看,数学的历史就是骇人听闻的困难问题被初生牛犊不怕虎的年轻人干掉的历史。对拟晶体分类是一个值得为之的目标,甚至是可以实现的目标。这个问题的困难程度不是像我这样的老人能解决的,我将这个问题作一个练习留给听众中的年轻青蛙们。

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