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黎曼猜想凭什么悬赏百万美元,跨越物理界,还成为爱因斯坦的帮手?

  百万富翁

  你也可以

  不知道模友们,有没有听过数学圈里的一个笑话:怎样用世界上最难的方法挣到 100 万美元?  

  虽然是个笑话,但这的确是千真万确的事,也就是说:100 万美元的奖金,你们还是有机会的!

  什么是黎曼猜想

  黎曼猜想,是关于黎曼ζ函数ζ(s)的零点分布的猜想,由德国天才数学家波恩哈德·黎曼于 1859 年提出。


波恩哈德·黎曼

  关于黎曼猜想的提出,也是十分有趣。

  1859 年,黎曼被选为柏林科学院的通信院士,为了表达自己的感激之情,他决定将自己的一篇论文献给柏林科学院。


1859 年黎曼关于这个猜想的手稿

  这篇论文就是《论小于给定数值的素数个数》,研究的是一直深受数学家喜爱的问题——素数的分布。

  黎曼将素数的分布问题归结为函数的问题,认为有一个特殊的函数(黎曼ζ函数),使其取值为零的一系列的特殊的点(黎曼ζ函数的非平凡零点)决定着素数分布的细致规律。


黎曼猜想

  不过,谁能想到,这篇只有短短八页的论文,便诞生了这道百年谜题——黎曼猜想。

  然而,这篇惜字如金得让好几代数学家为之气炸:论文里面该有的性质证明,只有一句——“证明从略”!也许在黎曼眼里,黎曼ζ函数的一些重要性质证明,根本就不是什么事儿,只是想让其他数学家练练手!

  就这样过了 7 年,39 岁的黎曼因病无法治愈告别了人间,很多数学家,只好一点一点地证明黎曼猜想。

  1896 年,法国的哈达玛,在黎曼去世的 30 年后,终于抵达黎曼猜想的三八临界线边缘——证明了黎曼ζ函数的非平凡零点只分布在带状区域的内部,并顺手证明了困扰数学界一百年的素数定理。

  但黎曼猜想,仍然是个谜!

  为什么黎曼猜想那么难

  1900 年,德国大数学家希尔伯特,在巴黎的国际数学家大会上(ICM),代表数学界提出了 23 个“数学难题”,其中”黎曼猜想”,赫然在列。那黎曼猜想,究竟有多难证明呢?

  作为一道“数学难题”,没有证明过程是没有灵魂的!先来看看一大波响当当的数学家,是如何证明的:

  1903 年,即黎曼猜想公布的第 44 年,丹麦的格拉姆,第一次算出了前 15 个非平凡零点的具体数值,也是人们首次看到零点的模样。

  过了 11 年,丹麦的玻尔与德国的兰道,才窥得了黎曼ζ函数的非平凡零点倾向于“紧密团结”在临界线的周围。

  到了 1925 年,英国的李特尔伍德与哈代,通过改进了计算方法,算出前 138 个零点,这基本达到了人类计算能力的极限。

  7 年后,德国的西格尔在黎曼的手稿里,找到了其他关键的公式,而他本人也因为让黎曼的公式重现天日,而获得数学界的诺贝尔奖——菲尔兹奖。

  后来,基于这一公式,人工智能之父图灵,计算出了函数的 1104 个非平凡零点,从此开启了计算机辅助零点计算的接力赛。在 1966 年,非平凡零点已经验证到了 350 万个。

  又过了 9 年,美国的莱文森,证明了黎曼函数临界线上的零点占全部零点的比例达到了 34.74%。1 年后,中国的楼世拓与姚琦证明了比例达到 35%。


华罗庚、潘承洞和楼世拓

  就这样,一代又一代的数学家,前赴后继地进行零点计算的接力赛,力求证明这个猜想。  

  悬赏百万美元的千禧问题

  时隔 100 年,美国克雷数学研究所于 2000 年,在巴黎召开数学会议,让参加会议的数学家们,投票评选出数学界最为重要的 7 个数学难题。就这样,你一票,我一票,黎曼猜想出道了!成为数学界传说中的七大”千禧问题”之一!

  与此同时,该研究所,也专门为每个难题设立了 100 万美元的巨额奖金,黎曼猜想因此跻身”百万富翁”行列,成为唯一一个在两次数学会议都被认定为难题的数学问题。

  2004 年,非平凡零点已经验证到了 8500 亿。不久后,法国团队将黎曼 Zeta 函数的零点,计算出了前 10 万亿个,仍然没有发现反例。

  直到 2018 年 9 月份,阿蒂亚老爵爷,在海德堡获奖者论坛上宣讲,关于黎曼猜想的演讲证明,虽然没有得到学界的认可,但也有学者表示,他的思路或为后续黎曼猜想证明提供了一种新思路。


阿蒂亚老爵爷关于黎曼猜想的演讲证明

  同年 10 月份,北京大学李忠教授,在中国科学院数学与系统科学研究院,作了有关 Riech 度量严格证明了黎曼假设的报告。

  这样子看来,黎曼猜想仍然是数学界的一个谜,然而,跨越百年对一个数学问题的追寻,也让很多人开始沉思这样一件事情:为什么要证明黎曼猜想呢?它究竟有多重要呢?

  为什么黎曼猜想如此重要 

  国内知名科普作家卢昌海对于黎曼猜想做过这么一句评价:

与费马猜想时隔三个半世纪以上才被解决,哥德巴赫猜想历经两个半世纪以上屹立不倒相比,黎曼猜想只有一个半世纪的纪录还差得很远,但它在数学上的重要性要远远超过这两个大众知名度更高的猜想。


卢昌海

  作为当今数学界最值得期待解决的数学难题,可以说,黎曼猜想的对否,直接影响了整个以黎曼猜想作为前提的数学体系。毕竟,我们现有很多数学命题,都是以黎曼猜想及推广形式的成立作为前提。

  一旦黎曼猜想及其推广形式被证实,就会成为坚不可摧的数学定理;相反,那将会有 1000 多个数学命题不可避免成为黎曼猜想的“陪葬品”。

  再者,黎曼猜想与数论中的素数分布问题存在极为紧密的关系。在数论中,素数分布问题是重点研究的课题;而黎曼猜想,研究的恰恰是素数的分布。也就是说,黎曼猜想的对否,也将直接影响数论,特别是研究素数分布的数学家,都将是一个不可磨灭的存在。

  还有,黎曼猜想从提出到现在已有 160 年,黎曼猜想的早已从数学界跨越到物理学界。

  比如让爱因斯坦流芳千古的广义相对论,广义相对论最初源于爱因斯坦意识到引力并不是一种力,而是时空几何弯曲的体现。然而,当时并没有数学理论来支撑爱因斯坦的想法,直到爱因斯坦了解到黎曼的“非欧几何”,才让广义相对论提早问世。

  不得不说,还是数学牛批啊!

  最后,送上一张图,各位模友可以看看自己属于哪个级别,反正这 100 万美元的奖金,你们还是有机会的。  

 

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超级数学建模(ID:supermodeling)