“证明是一个偶像,数学家们在这个偶像面前折磨自己。”
有一个数学定理,它在三百年前被人以戏谑的方式提出,它不是什么重大的发明,但它的证明难度堪称数学届的世界屋脊“喜马拉雅”。在此后的350年来,无数数学大腕企图证明它的存在,但无不败下阵来,直到它与一个10岁的小孩结缘,它的命运才得以改写。纽约地铁的某一节车厢,曾以俏皮的方式借用它来宣传:
法国、捷克等国还发行过国家邮票,以此纪念它穿越300多年的魅力。
这就是著名的费马大定理:
"Xn+yn=zn ,当n>2时,没有整数解。
我有一个对这个命题十分美妙的证明,
这里空白太小,写不下。"
费马大定理像一道数学游戏,越难攻克,越吸引全世界才智最聪慧的人挑战它,它也因此越有名。攻克它的过程,历经三个世纪,而这期间又有无数动人的故事围绕它展开。
一个挑战三个世纪的谜题出现
这世上,有种人特遭“恨”:副业干的比90%人的主业还好。
费马就属于这种遭人嫉妒的人,他原本是个审判官,在公职单位负责司法工作,干得也挺好的,偏偏要去抢数学家的饭碗,还屡屡挑战他们的聪明才智。
费马于1601年出生在法国,父亲是个皮革商起家的大富翁,经商很有道,生意做得很大,费马的母亲是当地的一个权贵家庭,这大富大贵一拍即合,构成费马富贵的生活背景。
费马的数学启蒙老师是一本《算术》的书,他被数论之父毕达哥拉斯(勾股定理的发明者)的三元组的种类和数量之多吸引住了,他试图去发现这些大佬们未曾发现的领域,费马是个剑走偏锋之人,他考虑的不是X2+y2=z2 ,而是变异的方程:
X3+y3=z3
可迫于家庭的名望,他被迫进入公职单位,干起了法务的工作,毕竟在17世纪,当个科学家是不吃香的,不过,费马的业余时间却一头扎进了心爱的数学。
虽然作为业余者,费马在数学届仍有一些不错的代表作:他与帕斯卡共同创建了概率论,在微积分领域贡献也比较大,牛顿承认自己是在“费马先生画的切线的方法”的基础上发展了微积分。
但真正令费马名声大躁的是他给出了结论,但未列出证明过程的“费马大定理”。严格来讲,未经证明的定理,都只能叫猜想。但因费马的作风经常如此,常抛出一个定理,挑衅数学家们去证明,别的定理都被证明出是对的,就唯独这个“费马大定理”。
所以,数学家们无法区分这是费马的炒作行为,还是他真正有才(从别的定理来看他是有才的),但他们自己去证明时,却发现这是个极难解开的谜题。
多少人为它“前仆后继”
到18世纪,对费马大定理研究最具突破性的人物当属数学家莱昂哈德·欧拉(生于瑞士),欧拉对数学最大的贡献是:理论对计算方法的发展。
他的计算方法能处理那些看起来不可能解决的问题,比如,高度精确地预报月亮在未来时长中的位相,这对航海而言是极其重要的。欧拉能将数学应用到解决实用性的问题上,被当时称为最能解决难题的人。
他采用费马的无穷递降的方法,证明了n=4时,这个方程是无解的,但没有就此推断出n=5、6或其他数的情形,这是100多年来首次有人对费马大定理取得了突破性进展。
欧拉的动人之处在于即使双目失明,对数学的研究从未停止。欧拉二十几岁因长期工作一只眼睛就失明,到60几岁时,另一只眼睛也得了白内障,但他仍用渐明渐暗的眼睛书写,他对月球相位的计算就是在双目失明中得出的。
到19世纪,另一个钟情于“费马大定理”的有趣人物是法国版的“祝英台”--索菲·热尔曼。当时的法国社会还处在大男子主义时代,女性要成为一个数学家,获得系统的教育是超出了社会的容忍。
与费马相似的是,热尔曼也被一本书--《数学的历史》启蒙,一头扎进数学的世界。她被书中阿基米德的故事所吸引,从那开始认定数学是一门最迷人的学科,后开始不分昼夜地研读欧拉和牛顿的著作,当她向巴黎工学院递交入学申请时,因只收男同胞而遭到拒绝,为此不得不冒用之前的学生勒布朗的男性身份学习。
后来,老师发现这个勒布朗怎么几个月不见,才华见涨,增长的速度超越了逻辑,因为之前的勒布朗以数学糟糕而闻名。最终,热尔曼以她的才华打动了学校。
当热尔曼研究费马大定理有进展时,她以勒布朗的身份写信给当时著名的德国数学家高斯,写这封信的热尔曼才二十几岁,为获得大咖的青睐,不得不隐瞒真实的身份。后来,拿破仑军队横扫欧洲大陆,进攻德国时,热尔曼特地写信给前线指挥的一位将军,希望他能保护好高斯。而高斯自己特惊讶:“我不认识一位叫热尔曼的女性”。
热尔曼因为最终无法攻破费马大定理,也放弃再证明,转向其它领域。
隐秘的七年只为揭开谜题
进入到20世纪,研究费马大定理的人永远蜂拥般地存在,幸运的是,这次终于被终结。
安德鲁·怀尔斯在1995年6月末的剑桥牛顿研究所聚会中,宣布了自己的证明。
当他在汇聚了全世界最优秀头脑的会议厅里,在黑板上写下费马大定理这个命题时,他说:“我想我在这里结束”,接着会场上爆出一阵持久的掌声。
怀尔斯与过去300多年来试图证明费马大定理的不同之处在于:一是他有某种笃定的使命感,认为自己是生而为它服务的;二是他站在“巨人的肩膀上”,前人栽树,后人乘凉。
怀尔斯10岁时,在图书馆翻开一本《大问题》的书,这是他第一次遇见“费马大定理”。书中介绍了费马大定理作为300多年未解的谜题存在,他一下子被这种挑战击中,这是童年时就埋下的梦想种子。
怀尔斯的青少年时代,研究了欧拉、热尔曼、库默尔等的工作,希望能从前人的错误中得到启发。但随着研究的深入,他同样陷入了深入的自我怀疑:这个题目也许就是无法证明的,没准费马就是随口一说来骗人的。
好在,他看到了希望。已经有人证明,谷山志村猜想与费马大定理的联系,如果能证明谷山志村猜想,也就能证明费马大定理。他第一次觉得自己离这个梦这么近。
同样的一件事,有些人认为它是有价值的, 有些则认为是浪费时间。这没有标准答案,唯一的判断标准取决于你的内心,如果你的心火不死,它会带你到彼岸。
怀尔斯除日常授课,他摒弃一切交流和无关的工作,躲在家里顶楼的书房,一直隐秘地研究七年,这期间,只有他的妻子知道他秘密进行的工作。为人了不让同事们怀疑,他想了一个招,每过6个月就发表一篇别的主题的小论文,让同事们信以为真。
当同事们经常在他面前谈到,“要想证明谷山志村猜想根本是毫无希望的”,他只是礼貌地笑一笑。
最深的惶恐永远来自于自我。
怀尔斯也经常想:我真的相信自己的思路是正确的,但这并不意味着我就一定能达到目的,有可能是生在一个错误的世纪。
好在每个星期,他的证明都一点点进展,这种走在正确道路的结果给予了他强大的信念,一直支撑他坚持了秘密7年的努力,最终他获得了最后的荣誉。
数学定理和科学都是压缩了的知识,但那背后的探究故事却是更为丰富的成长教材,这些故事里面,有关于人生的选择、信念和不折不扣的努力,每一样都不缺失。
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