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(来源:图灵人工智能)
7月中旬,费城的国际数学家大会官网出了一个不大不小的事故。有人发现,大会日程的数据接口没有做过滤,把不该公开的条目也一并送进了浏览器。一行命令,搜索关键词 HIDDEN,四条记录跳了出来,每条都叫「菲尔兹奖报告」,后面各跟着一个名字。
菲尔兹奖,四年一度,数学界的最高荣誉,历来保密到开幕式当场揭晓。这一次,它被一行代码提前十天泄露了。
四个名字里,王虹和邓煜刷遍了中文互联网,两位北大校友,标题一个比一个响。Jacob Tsimerman 在英文世界也有旧闻可翻。只有第四个名字,John Pardon,报道最少。关于他,中文世界流传最广的信息大概是:他会说中文。
这个系列打算把四位得主都写一遍。从 Pardon 写起,理由就埋在上面那段里:一个刚刚拿到菲尔兹奖的人,为什么几乎没有故事在流传?
一、100
1983年,Gromov 在一篇一百多页的论文里顺手问了一个问题。先说问题本身,它只需要一根绳子。
把一条闭合曲线摆在空间里,在上面任取两点,量两个距离:一个是沿着绳子爬过去的弧长,一个是空间里直线飞过去的距离。前者除以后者,再在所有点对中取最大值,这个数叫曲线的畸变(distortion):
圆的畸变是 ,约等于 1.57:最亏的是一对对径点,沿圆要爬半圈,直线只需穿过直径。Gromov 证明过,1.57 就是所有闭曲线的最小值,而且只有圆能取到。畸变衡量的是一条曲线最绕的地方有多绕。
图 1|畸变比较“沿着曲线绕过去”与“穿过空间直达”之间最极端的差距。真正关键的不是曲线总长度,而是某一对点能把这两个距离拉开到多大。
曲线可以打结:三叶结、八字结,以及无穷无尽的家族。Gromov 的问题是:是否每一种纽结,都能摆放得让畸变小于 100?
这个问题的形状本身就值得看一眼。他没有问「畸变是否有界」这种四平八稳的话,他给了一个具体的数。100 比 1.57 大了两个数量级,提问的人显然觉得余量足够惊人。此后二十七年,这个判断看起来没什么毛病:到2009年为止,人类能证明的最好结果是,非平凡的纽结畸变至少 ,连 6 都不到。
一边是 6,一边是 100。中间那片空地,没有人知道怎么迈进一步。
二、网上读到的题
问题提出那年,John Pardon 还没有出生。
他在北卡罗来纳州的教堂山长大,父亲 William Pardon 是杜克大学的数学教授。他高中读的是 Durham Academy,中学时代就去杜克修数学课。美国数学会后来的官方材料里,专门写了一句他的业余爱好,值得原样翻译过来:高中时,他最喜欢的消遣之一,是在网上读数学论文。
Gromov 的畸变问题,就是这样被他撞见的。没有老师布置,没有教练圈定,不在任何考纲里。他后来自己说:「我读了很多网上的数学,我做过的大多数问题都是这么知道的。」
他没有当场解决它,他只是把它揣进了兜里,「时不时拿出来想一想」,一揣就是好几年。这几年里他顺手做了点别的:把经典的「木匠尺问题」推广到任意有限长的闭曲线,证明平面上任何这样的曲线都能连续地展开成凸曲线,全程保持长度不变、任何两点间的距离不减小。这是微分几何一份公开问题清单上的第四题,他的解法让他在2007年的英特尔科学人才选拔赛上拿了全美第二,论文发表在《美国数学会汇刊》上。那也是一道没有人给他出的题。
然后是普林斯顿。大三那年春天,他以为找到了畸变问题的解法,动笔写,两周后发现完全是错的。那年夏天他在美国国防部打工做数学,业余时间接着想,想出了一个新方向。大四的秋天,论文初稿完成。
结论一行就能写下:环面纽结 的畸变至少是 。
和 可以随便取。取到一万六千以上,畸变冲破 100;继续取,冲破任何数。Gromov 当年留了两个数量级的余量,而真实的答案是:多大的余量都不够。
增大,环面纽结的畸变下界线性增长,因此不存在统一的常数上界。
论文发表在2011年的《数学年刊》上,数学界的最高期刊之一,作者栏里是一个本科生。
第二年,美国数学界把授予本科生的最高研究奖项 Morgan 奖给了他。颁奖词称赞他「卓越的几何理解力」,又专门交代了一件与数学无关的事,似乎评奖委员会觉得不写下来不行:这个问题,是他自己知道的,而且是在高中。颁奖词还引用了推荐信里的话:在此之前,没有人知道这道题该从哪里下手。
三、一栋没有地基的房子
故事到这里为止,是一个优秀的少年英雄故事。但少年英雄故事离菲尔兹奖还很远,真正把 Pardon 送到费城领奖台的工作,发生在后面十年,而且性质完全不同:不是解决了什么,是修好了什么。
辛几何,粗略地说,是经典力学相空间的几何学。上世纪八十年代,Gromov(又是他)给这个领域引入了一件改变一切的武器:拟全纯曲线。此后数学家逐渐发现,理解一个辛流形的形状,可以靠「数」它里面某类特殊曲面的个数。Gromov–Witten 不变量、Floer 同调、接触同调,九十年代以来辛拓扑的半壁江山,都建立在这类数出来的数上面。
麻烦在于,数数之前要先把被数的东西收拢成一个空间,行话叫模空间。理论上它应该是一个光滑的、维数正确的几何对象,数起来才有意义;现实中它常常不听话,有皱褶,有分叉,维数超标,行话叫横截性失败。对付它的标准思路是所谓虚拟基本类:既然空间本身不规矩,就为它构造一个规矩的虚拟替身,在替身上做积分。
1996年前后,深谷贤治与小野薰给出了一套系统的构造,叫 Kuranishi 结构,同期还有李骏与田刚等人的方案。此后近二十年,这套机器被整个领域使用。人们用它证明定理,发表论文,培养博士。楼上住满了人。
2012年,Katrin Wehrheim 对 Kuranishi 结构的细节提出了明确的质疑。为了讨论这件事,数学家们专门开了一个谷歌讨论组,名字就叫 Kuranishi,管理员是 Helmut Hofer。辛几何的元老 Dusa McDuff 后来对《量子杂志》的记者这样描述当时的处境:
「很多人其实都隐约知道有些东西不对劲。他们可以说:没关系,总会有办法的,地基里足够多的部分是对的,总有什么是对的。可是当你真的沉下去查,我们什么也找不到……」
深谷的回应同样直接:
「数学论文不可能把所有东西都写出来。在我看来,那篇1996年的论文包含了通常分量的细节。我不认为缺了任何东西。」
两段话都是当事人的公开原话,而且你可以同时相信两个人都是真诚的。这不是一场关于谁在造假的争论,是一场关于「一个证明写到什么程度才算存在」的争论。深谷团队随后贴出257页的技术细节作为回应,声明讨论组里提出的所有问题都已被「回答、补充或驳斥」,这份文件后来又长成了一部专著。Hofer 的总结,大概各方都能接受:总体上这套方法是对的,但它需要的解释远比最初给出的多;原始论文一百来页,为了把它彻底讲清楚,前后产生了几百页。
这就是一栋没有地基的房子。它的微妙之处在于:房子多半不会塌,楼里的定理多半都是对的;但是图纸拿不出来,而数学是一门以图纸为全部资产的学科。
图 3|“修地基”的核心并不是把每个奇点逐一磨平,而是换一种表达问题的语言:用局部数据、兼容条件与层论结构,构造一个足以承载计数与积分的虚拟替身。
Pardon 进入这个领域时,争论正酣。他的博士导师 Yakov Eliashberg,是辛拓扑的奠基人之一。2013年,博士还没读完,他贴出一份两百多页的预印本,给出了第三条路线:隐式图册(implicit atlas)。前人的方案在几何里作战,他把战场整个搬进了代数:不再试图把不规矩的空间修剪光滑,而是用层论的语言直接在代数层面构造虚拟替身,对输入的要求压到最低,只需要拓扑层面的粘合定理。论文2016年发表,256页。2019年他又用这套机器做成一件标志性的事:接触同调,一个2000年就被提出、随即被整个领域使用的理论,第一次有了严格的定义。一个理论的定义在它诞生十九年后才真正存在,这句话放在别的学科像丑闻,放在数学里,是一种常态的极端形式。
他在论文里给自己的定位克制得近乎无趣:对既有想法的「重新整理」。他没有宣布任何人错了,没有认领任何废墟,只是把图纸画了出来,让楼里的所有住户可以继续住下去,并且从此睡得着觉。
2022年,克雷数学研究所把研究奖授予他,颁奖词说他的工作「展现出非凡的视野清晰度」,擅长「把长期悬而未决的问题,重铸到让它们变得可解的框架之中」。菲尔兹奖的引文要到颁奖那天才公开,但可以合理猜测,它会说类似的话。
四、沉默的证人
就在这篇文章写作的同一个月,AI 在数学上出了两条新闻。7月10日,OpenAI 宣布其模型用64个并行代理、在约一小时内给出了图论中悬置五十年的「圈双覆盖猜想」的完整证明,尚待数学界核验;三天后,数论学家 Jared Lichtman 宣布同系列模型解决了埃尔德什问题清单上的第793号。维护这份清单的 Thomas Bloom 公开称赞圈覆盖的证明「非常漂亮」,又(按媒体的引述)补了一句评语:它短小、初等,本可以在1980年代就被人发现。
这两个成果有一个共同点:题面清晰,验收条件明确,命题为真或为假,证明对或不对。这一层数学正在迅速变得可以购买,价格以 GPU 小时计,逐年下降。
Pardon 的工作难以被报道,和它难以被机器复现,是同一个原因:它没有题面。你可以要求一个模型去证明圈双覆盖猜想,但你没法对它说:「请找出这个领域地基里令人不安的地方,提出正确的定义,然后说服所有住户。」名单泄露之前,预测市场给 Pardon 的定价是四位得主中最低的。市场没有错,市场只是诚实:它不知道该怎么给一个没有验收条件的东西定价。
五、三块金牌
最后交代几件履历的边角。它们单独看像花絮,放在一起像谜语。
Pardon 中学时代拿过三块国际奥赛金牌,但不是数学奥赛,是信息学奥赛:2005、2006、2007,后两年都是全球第五。他的履历上没有 IMO。大学里他两次在普特南竞赛中排名第六,从未进入前五名的 Putnam Fellow 之列。按竞技的标准,他是顶尖选手,但不是传奇。竞技需要的那种数学,题面给定,时限给定,验收条件给定,而这种数学,在他的生涯里反而是最不典型的部分。
2012年领 Morgan 奖时,按惯例要致答谢词。他只说了一句:
「我感谢每一位教过我数学的人,感谢他们分享自己的学识与热忱,特别是我的父亲。」
7月23日,费城,他和王虹、邓煜、Tsimerman 一起走上领奖台。那之后会有很多报道,很多标题。这一篇只想提前把最重要的一件事写下来,它小得可以放进一个句子:
从高中那个在网上读论文的下午起,没有人给他出题。
关于信源:本文成文于官方揭晓之前。得主名单来自7月中旬 ICM 官网数据接口的泄露,经多方报道但未获官方确认,正式名单以7月23日开幕式宣布为准。文中所有引语均出自公开发表的文字:Gromov 之问经 Pardon 论文逐字转引;Morgan 奖颁奖词见《美国数学会通告》2012年4月号;McDuff、深谷、Hofer 的谈话见《量子杂志》2017年2月的报道;克雷研究奖颁奖词见克雷数学研究所官网;Bloom 对 AI 证明的完整评语系媒体转述,已如文中标注。
延伸阅读:Pardon 的畸变论文 On the distortion of knots on embedded surfaces(Annals of Mathematics 174, 2011)只有十页,大学水平的几何知识即可读懂主要思想。地基之争最好的通俗记录,是 Kevin Hartnett 发表于 Quanta Magazine 的长文 A Fight to Fix Geometry's Foundations(2017)。Pardon 的全部论文在他的个人主页上均可公开取得。
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