“数论”是极为美妙的,曾被高斯称为“数学中的皇冠”,而那些存在于“数论”中的那些美妙难题,人们则誉之为“皇冠上的明珠”,以鼓励人们去“摘取”。人们在“数论”的研究过程中,往往意外地发现新的数学成果,比如在“费马猜想”的解决过程,其意外的收获远远大于其本身的价值,被称为“会下金蛋”的鹅。“费马猜想”的解决,给“朗兰兹纲领”实现“数学的大统一”提供了有力的佐证。人们认为另一个同等重要但至令悬而未决的“黎曼猜想”依然得借助“朗兰兹纲领”的理论才能解决。那么反过来,这两大猜想的解决,也将极大地推动“朗兰兹纲领”实现数学大统一的步伐。这到底是怎么回事呢?还得从美妙的“数论”说起。
“数论”是“整数的理论”的简称,听起来虽然高大上,但是它在我们小学一年级时就开始接触了,它就是我们常说的“算术”,其主要研究“整数”的性质,而“整数”的基本元素是“素数”,所以“数论”的本质是对“素数”性质的研究。这是因为,数学的基本构件就是“素数”,就如“生物学”的“基因”,“化学”的“元素”。
早在公元前300年,古希腊数学家欧几里德就证明了有无穷多个“素数”,公元前250年,古希腊数学家埃拉托塞尼发明了一种寻找“素数”的“埃拉托斯特尼筛法”,这个方法看起来很笨拙,但是“埃拉托色尼筛法”被数学家沿用了两千多年。
“素数”虽然是如此的重要,但是由于它远离人们的日常生活,虽然人类对“数论”的研究已有几千年的历史,却似乎并没有发现它有什么用处。尽管数学家们对“数论”研究的热情从来没有中断过,但进展却十分缓慢,从早期到中期跨越了1000—2000年,在长达接近2000年的漫长岁月里,“数论”的研究几乎是一片空白。
直到1637年,当时还是业余数学爱好者的费马在阅读丢番图《算术》拉丁文译本时,在第11卷第8命题旁写道:“将一个立方数分成两个立方数之和,或一个四次幂分成两个四次幂之和,或者一般地将一个高于二次的幂分成两个同次幂之和,这是不可能的。关于此,我确信已发现了一种美妙的证法 ,可惜这里空白的地方太小,写不下。”
可能连费马本人都没想到,就是这样一句话,再次掀起了人们对“数论”研究的浪潮。人们将费马的这段话称之为“费马猜想”,概括起来就是这样的:当整数n >2时,关于x, y, z的方程 x^n + y^n = z^n 没有正整数解。
“费马猜想”吸引了很多人的注意,不仅令当时的一些著名的数学家趋之若鹜,就连很多数学爱好者也都为之着迷。更为有趣的是:一位为情所困的年轻数学爱好者因为被这美妙的“猜想”所吸引,原本打算殉情的他居然放弃了自杀,不但重获新生,而且从此奋发图强,成为了富甲一方的大富豪,这个年轻人就是德国实业家沃尔夫斯凯尔。
原来,早在1847年时,拉梅和柯西先后宣布自己证明了“费马大定理”,但人们很快发现拉梅和柯西的证明都是错的。这个消息刊登在一本数学杂志上,在沃尔夫斯凯尔决意在自杀的那个晚上,沃尔夫斯凯尔不经意间在这本杂志上读到了这个消息。
这则有趣的消息令沃尔夫斯凯尔极为好奇,情不自禁地拿起笔和纸,开始演算起来,不知不觉天已经大亮,设定自杀的时间早就过了,也就打消了自杀的念头,重新振作起来。
1908年,这位富豪去世前设下巨奖,用来奖励能够证明“费马猜想”的人,以谢救命之恩。同年,哥廷根皇家科学协会公布“沃尔夫斯凯尔奖”的获奖规则:凡在2007年9月13日前解决费马大定理者,将获得10万马克奖励。
从此以后,世界上每年都会有成千上万人宣称证明了费马大定理,其中包括一些当时著名的大数学家,但全部都是错的。
1984年,德国数学家弗雷再一次“数论研讨会”上认为,如果“弗雷命题”能够被证明,有助于证明“费马大定理”。
1986年里贝特教授完成了“弗雷命题”的证明,同年,英国数学家怀尔斯在此基础上精心梳理有关领域的基本理论。
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1993年6月在剑桥牛顿学院举行的一次学术会议上,人们认为只要将“莫德尔猜想”、“弗雷命题”和“谷山—志村猜想”联合起来就可说明“费马大定理成立”。
1993年6月23日,怀尔斯声称证明了“费马猜想”,这个消息刚从剑桥牛顿学院传出之后,马上被世界媒体铺天盖地般报道了该喜讯。
但是怀尔斯的证明很快被查出了严重的缺陷,再经过8个月的努力,修补了漏洞。1994年10月25日11点4分11秒,怀尔斯费马大定理的完整证明邮件向世界数学界公开发布,至此费马大定理经过三百多年的前赴后继,终于完美得证。有趣的是,那位为情所困的大富豪所设立的“沃尔夫斯凯尔奖”还在有效期内,巨奖终被怀尔斯揽入怀中。
“费马猜想”的问题被解决了,但是“数论”的发展依然充满了挑战,“数论”的研究归根结底就是对“素数”的研究,而寻找“素数”的“通项公式”是人们孜孜以求的目标,数学家们曾为此提出过很多的数学“猜想”,其中最为引人注目的便是“黎曼猜想”。
早在1859年,黎曼向柏林科学院提交了一篇题为“论小于给定数值的素数个数”的论文,这就是著名的“黎曼猜想”。
“黎曼猜想”研究“素数”的分布,就是发现了质数分布的奥秘完全蕴藏在一个特殊的“函数”之中,这个“函数”就是“黎曼ζ函数”,其中一系列“特殊的点”被称为“黎曼ζ函数”的“非平凡零点”。
黎曼在研究“ζ函数”时,发现了“复变函数”的“解析性质”和“素数分布”之间的深刻联系, 由此将“数论”领进了“分析”的领域。
“黎曼猜想”自诞生以来,就像横亘在数学家们面前、至今都无法跨越的山峰。如今已有超过一千条“数学命题”是以“黎曼猜想”的成立为前提的。如果“黎曼猜想”被证明,这些“数学命题”都将荣升为“定理”,“数论”的发展,将迎来生机勃勃的春天。
在今天“黎曼猜想”与“费马大定理”已经成为“广义相对论”和“量子力学”融合的“m理论”的“几何拓扑”载体,如果“黎曼猜想”得证,作为物理学最为前沿的学科“M理论”将得到更为稳健的发展。
“费马猜想”和“黎曼猜想”的问世及其漫长的解决征程,吹响了数学大统一的号角。在此之前,“代数”和“几何”在各自的轨道上互不相干地发展着。然而怀尔斯在解决“费马猜想”的时候,却将“代数”和“几何”结合起来,形成了新的“代数几何”观点。无独有偶,越南数学家吴宝珠也是通过引入“代数几何”的方法,证明了“朗兰兹纲领自守形式”中的“基本引理”,获得了国际数学界大奖——菲尔茨奖,被美国《时代》周刊列为年度十大科学发现之一。
“朗兰兹纲领”是数学中一系列影响深远的构想,该构想认为“数论”、“代数几何”和“群表示论”是密切相关的,因而“朗兰兹纲领”被认为是最有希望实现数学大统一的“构想”。
在今天,“朗兰兹纲领”实现数学大统一的构想还有很长的路要走。然而,再远的征程,都终将逾越!