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从解答问题走向建立理论,获未来科学大奖的数学家袁新意说:做研究像跑马拉松

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一场持续近3小时的线上群访结束时,美国时间已接近午夜。主持人请正在美国开会的袁新意早点休息,他回答:“也还好,我的作息比较混乱。”

采访中,他提到自己习惯在晚上工作,因为受到的打扰少;需要专注时,会关掉微信或将手机放远。

近日,袁新意获得2026年未来科学大奖数学与计算机科学奖,表彰他在算术几何领域作出的奠基性贡献。

这位1981年出生于湖北麻城的数学家,2003年获北京大学学士学位,2008年获哥伦比亚大学博士学位,现为北京大学北京国际数学研究中心教授。


“有限多个”究竟是多少?

袁新意的研究属于算术几何领域,主要关注整数解和有理数解问题。他创立算术大性理论,为研究算术簇上的小点建立了新的理论框架,并在此基础上证明了整体域上的一致博格莫洛夫(Bogomolov)猜想。他还与虞家伟、周胜铉合作,证明了美国数学家巴里·马祖尔(Barry Mazur)提出的一致莫德尔(Mordell)猜想的有效定量版本。

怎样让普通读者理解这些研究?袁新意从丢番图方程说起。中学数学中的勾股定理,就对应一个简单的丢番图方程:a2+b2=c2。人们熟悉的“勾三股四弦五”,即32+42=52,就是这个方程的一组整数解。这个二次方程已经得到充分研究,但当次数提高到三次、四次乃至更高,求解便困难得多。

袁新意研究的正是这类更高次方程。他举例说,х5+1=у2,其中х和у均为有理数。德国数学家格尔德·法尔廷斯(Gerd Faltings)证明,这个方程或类似方程只有有限多个有理数解。

“他证明了解是有限多个的,我近期的一系列工作则关注‘有限多个到底是多少个?’”袁新意说,他所研究的是解的个数至多是多少,也就是为这个“有限”给出一个上界。

从解题者到理论建立者,转变如何发生?

2000年,袁新意获得国际数学奥林匹克竞赛金牌,之后进入北京大学数学科学学院攻读本科。他说,数学竞赛与数学研究有正相关性,竞赛训练对研究有帮助,但二者并不相同。

竞赛题由出题人给出,所需知识大体可以预见,答案也确定存在。研究则不同,过程和结果都不可控:可能做不出来,想要证明的结论甚至本身就是错的;需要哪些知识、沿着什么路径探索,也往往无法预先确定。袁新意把这种状态形容为“没有大纲”。

从竞赛走向研究,真正的转变在于不再只是解答别人提出的问题,而是要学会独立寻找问题。袁新意说,自己起初是一名“解题型数学家”,后来才有意识地把研究重心转向建立理论。

他以与导师张寿武合作发展的阿黛尔线丛理论为例,解释这种变化:研究推进到一定阶段,有时会出现一个可以定义的新概念。过去,他首先会追问这个概念有什么用,如果暂时看不到用途,便担心自己是在做“假大空”的东西。后来,他逐渐改变了处理这些想法的方式。“这个东西既然很漂亮、很自然地出现在这里,那就先把它写下来、发展下去,先不管它有没有用。”袁新意说。两人一步步完善这套理论,后来发现它可以发挥作用。

对袁新意而言,解决一个具体猜想带来的是“立竿见影”的成就感,建立一个多年后仍有人使用的理论框架,则更像“细水长流”的反馈。

在这一转变中,导师的影响也十分重要。袁新意说,他从张寿武老师那里学到的一种思考习惯,是“从大处着眼”,即不仅看一棵树,也看整片森林,追问一个问题背后的共性,以及它与其他问题、其他理论的关联。

为什么数学研究更像马拉松?

与答案确定的竞赛题不同,数学研究面对的是尚无答案的未知问题,过程和结果都难以预料。从解答具体问题转向建立理论后,袁新意的研究周期也随之拉长。他把这种研究节奏比作跑马拉松——研究者需要在漫长的探索中分配精力,经历反复尝试,并不断克服遇到的困难。

从求学和任教经历看,袁新意似乎一路顺利。但他说,如果只看研究本身,事实并非如此,自己投入精力研究却没有做出来的问题,同样有很多。

遇到一个长期没有进展的问题,他有时会暂时放下,转而处理其他更有线索的问题,等这些工作做完,再回过头梳理原来的想法。读到一篇文章、听到一场报告,也可能给他带来新的启发。袁新意说,让他一次次回到那些未解问题的,是“好奇心或者好胜心”。

长期面对没有答案的问题,当然会有孤独感和挫败感。袁新意所说的孤独,不只是专业知识难以与家人分享。“一个想法尚未成形,自己没有完全想清楚,也无法向同行准确说明时,孤独感才最为明显。”他说。挫败则来自一次次试错。起初满怀信心,几天甚至更长时间后,却发现原来的想法并不成立。


袁新意(右)与在北京国际数学研究中心的同事杨诗武。

“科研的常态是失败。”袁新意说,“尝试10次,有一次成功了,就算可以了。”感到沮丧时,他会暂时把注意力转向生活,也会通过打球调整状态。近些年,他从足球、篮球转向网球,“一旦开始打球,就可以暂时忘记数学。”

AI能做证明,还需要数学家做什么?

袁新意注意到,近半年来,AI解决数学问题的能力提升很快。在他看来,AI目前主要有两方面优势:一是知识面广,能够从不同数学分支中寻找并整合与问题相关的已有思想;二是算力强,可以进行大量试错,尤其擅长构造例子和反例。

不过,他仍将AI视为数学研究的工具和助手,而不是能够独立开展研究的主体。数学家的不可替代之处,在于对数学有“品味”,不仅要判断一个结论是对是错,还要判断一项工作是好是坏、一个问题是否重要。此外,人还具有好奇心,能够提出自己认为有意义、值得研究的问题。

从今年年初开始,袁新意较为频繁地使用AI。他会让AI帮助查询不熟悉或已经忘记的知识,完成相对容易的数值计算,也会在论文写完后请AI检查英语语法和数学公式中的笔误。

AI进入数学研究,也带来一些新的问题。袁新意担心,AI快速生成大量文章,可能加重同行评审的负担,也会让更多的错误内容进入网络资源。同时,那些相对容易解决、适合年轻人接受科研训练的“低垂的果实”,也可能被AI过早“摘”走。

袁新意还提到,形式化验证工具Lean目前尚未完善,待进一步完善后,可以用于判断输入其中的数学证明是否正确,并指出无法通过的步骤。“不过,这类工具只能判断证明的对错,无法判断一项成果是否重要、是否原创。”

在袁新意看来,AI可以帮助研究者查询、计算和检查,却不能替代形成独立研究能力所需的训练。

年轻人如何成为独立的研究者?

对于刚入门的学生,袁新意建议首先掌握传统的研究方法,撰写第一篇论文时,可以少量借助AI查询资料,但不应形成过度依赖。只有知道研究应当怎样开展以后,才能更主动、有效地使用AI。

作为导师,袁新意通常会先给学生一个相对可控的问题,让学生完成第一篇论文,在研究中建立信心。随后,他会给出一个难得多,甚至连自己也不会做的问题。到了这个阶段,学生需要展开长时间的探索,逐渐依靠自己发展。

但袁新意并不认为科研道路适合所有人。对于真正想走这条路的年轻人,首先要真正喜欢科研,同时也要诚实面对自己对经济回报的期待。

进入研究之后,仅有智商并不足以应对那些可能多年无解的问题。有人问,面对世界难题,高智商与“钝感力”哪一个更重要?袁新意选择后者。“再高的智商在这些世界难题上都是不够的,或者说都不是一个充分条件。”他说,智商并不可控,研究者能够把握的,是怎样面对挫折、如何设计解决问题的方案,以及如何选择问题。

在袁新意看来,面对挫折并不意味着一味坚持,选择什么样的问题同样重要。问题太简单,缺少挑战;问题太难,成功的可能性又过低。“要选择一个自己努力之后能够得着的高度。”他说。

对年轻研究者,袁新意建议量力而行,可以在挑战重大课题的同时,也做一些相对可控的研究。这样,在遇到暂时无法解决的重要问题时,就可以将其作为长期目标放在心中,持续思考。“说不定将来某一天灵感闪现,就能取得突破。”

原标题:《从解答问题走向建立理论,获未来科学大奖的数学家袁新意说:做研究像跑马拉松》

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