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一根针,为什么能难倒数学家一百多年?

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2026年7月23日,在美国费城举行的国际数学家大会上,中国数学家王虹获得菲尔兹奖。该奖每四年颁发一次,主要表彰40岁以下作出杰出贡献的数学家,常被称为“数学界的诺贝尔奖”。王虹也由此成为菲尔兹奖历史上第三位女性获奖者。


中国数学家王虹获得菲尔兹奖(图片来源:新华社)

许多人第一次听到王虹的研究时,可能会感到意外:如此重要的数学奖项,竟然与“一根针”有关。当然,这并不是真正的缝衣针。数学家关心的是:一根长度固定的细针,若要转向所有方向,究竟需要多大的空间?这个像益智游戏一样的问题,为什么会让数学家研究一百多年?答案还要从日本数学家挂谷宗一提出的“转针问题”说起。

挂谷猜想从哪里来?

1917年,挂谷宗一提出了一个有趣的问题:在平面上,一根长度固定的针若要从一个方向转到相反方向,至少需要多大面积的区域?最容易想到的办法,是捏住针的中点原地转动。这样一来,针扫过的范围就是一个圆盘。不过,这显然不是最节省空间的方案,因为圆盘中有许多地方并没有被充分利用。


挂谷宗一的个人肖像照(图片来源:[1])

那么,能不能让针一边转动,一边移动呢?这就像汽车在狭窄的道路上掉头:汽车不必原地旋转,可以先向前开一点,再向后退一点,经过多次调整完成转向。针也可以采用类似的方法,不断改变位置,让不同方向上的运动轨迹尽量重叠,从而缩小所需区域。

数学家设计了三角形、星形等各种区域,希望找到最省空间的方案。然而,俄国数学家贝西科维奇后来发现,只要把不同方向的线段安排得足够巧妙,它们就可以大量交叉和重叠。这样一来,针虽然能够指向所有方向,所占区域的面积却可以变得任意小。


三角形区域下的情形(图片来源:[2])

所谓“任意小”,并不是指存在一块比任何面积都小的固定区域,而是说:无论事先把面积上限定得多低,都能重新设计出符合要求的转针区域。要求小于1平方厘米,可以做到;要求小于0.001平方厘米,也可以做到;即使再缩小一百万倍,仍然有办法完成。换句话说,转针所需的面积没有一个大于零的最低值,而是可以无限接近零。

后来,人们把“在每个方向上都包含一条单位线段”的集合称为挂谷集。最不可思议的是,有些挂谷集甚至可以做到面积为零。一个集合既然包含无数条方向不同的线段,怎么可能没有面积?这正是挂谷问题最反直觉的地方。

面积都为零了,为什么还不能看成一条线?

面积并不是衡量几何图形大小的唯一标准。一个点可以看作零维对象,一条线是一维对象,一张平面是二维对象,我们生活的空间则是三维的。但有些图形十分破碎,甚至像尘埃一样散布,普通的“长、宽、高”已经不足以描述它们。数学家于是引入豪斯多夫维数、闵可夫斯基维数等概念,用来衡量这类集合在不同尺度下有多复杂。

现代形式的挂谷猜想认为:一个集合只要容纳了所有方向的单位线段,它的复杂程度就应该与所在空间相当。在二维平面里,它不能简单地退化成一条线;在三维空间里,它也不能本质上只是一个平面或一条曲线。

以平面上的挂谷集为例,它虽然可以没有面积,却仍然具有二维的复杂程度。可以把它想象成一团被反复切割、不断打孔的“几何尘雾”:远远看去,它稀薄得几乎不存在;但无论把局部放大多少倍,都能看到向不同方向延伸的线段和丰富的细节。


挂谷集构造示意图:通过将三角形切割、平移并巧妙地重叠拼接,可以在保证“针”依然能转向任意方向的同时,让图形的总面积急剧缩小(图片来源:[6])

因此,“面积为零”和“具有二维复杂度”并不矛盾。面积回答的是一个集合实际占据了多少空间,维数描述的则是它在细小尺度上如何分布和延伸。挂谷集可以在面积意义上小到极限,却仍然不像一条普通的线那样简单。

为了研究这个问题,数学家常把没有粗细的线段稍微“加粗”,想象成一根根细管。问题也随之变成:大量朝向不同的细管,最多能够重叠到什么程度?无论怎样挤压和排列,它们是否仍会显现出整个空间应有的复杂性?

王虹的突破为何如此重要?

二维挂谷猜想早已得到证明,但三维问题长期困扰着数学界。在三维空间中,线段和细管既可以彼此交叉、上下穿行,也可以聚集在复杂的曲面附近。许多在平面上有效的方法,进入三维空间后便难以继续使用。

2025年,王虹和乔舒亚·扎尔公布了三维挂谷猜想的证明。他们证明,三维空间中的挂谷集即使体积为零,其复杂程度仍然必须是三维的。也就是说,只要一个集合包含所有方向的单位线段,它就不可能在本质上被压缩成一个平面、一条曲线或其他更简单的低维结构。


王虹和她的合作者乔舒亚·扎尔(图片来源:[3])

证明中的一个重要思想被称为“黏性”。一些方向相近、位置相邻的细管,可能像煮熟后黏在一起的面条,在不同尺度上始终成束聚集。这样的排列最容易造成大量重叠,看起来也最有希望把整体压得很小。王虹和扎尔通过精细分析说明,即使面对这种极端情形,这些细管仍会呈现出足够丰富的空间结构,无法真正“挤扁”成低维图形。

截至2026年,三维挂谷猜想已经解决,但四维及更高维的情形仍是开放问题。空间维数越高,线段和细管能够形成的排列方式越丰富,研究难度也随之增加。


傅里叶变换示意图(图片来源:[3])

挂谷猜想的重要性还在于,它并不只是一个关于“转针”的几何游戏。在傅里叶分析中,复杂的波可以被拆分成许多沿不同方向传播的“波包”,这些波包的形态与细长的管子十分相似。研究细管能重叠到什么程度,也是在研究不同方向的波能否异常集中。因此,挂谷问题与傅里叶变换、偏微分方程以及波的传播等领域有着深刻联系。

参考文献

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/Fb6VgKCJrgCKWy3ratB2rg

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/I0_TF4wBzRBqxUj8zG69fQ

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/KQUsFu654wX6upW0NT5afw

[4]Hong Wang, Joshua Zahl, The Assouad dimension of Kakeya sets in R³, arXiv:2401.12337

[5]Hong Wang, Shukun Wu, Restriction estimates using decoupling theorems and two-ends Furstenberg inequalities, arXiv:2411.08871

[6]https://mp.weixin.qq.com/s/oSz9YDqAbDFKy1N7FtbNUw

来源:力学科普

编辑:ThymolBlue

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