他被稱為“近四分之一世紀裡最有影響的數學家”;國際數學大師、阿貝爾獎獲得者辛格曾說,“在哈佛,他一個人就是一個數學系”。
27歲,他因攻克卡拉比猜想而轟動世界,73歲,他回到中國全職工作,成為清華大學講席教授。他就是著名數學家、菲爾茲獎首位華人得主丘成桐。
在對數學的思考中,他試圖回答“如何做好學問”的問題。在他看來,“學”與“問”同樣重要。
27歲, 證明卡拉比猜想
1949年,丘成桐出生于廣東汕頭的一個書香世家,父親丘鎮英畢業于廈門大學經濟系,後在香港崇基書院擔任哲學教授。母親梁若琳是梅城最後一位秀才梁伯聰之女。丘成桐在香港長大,一家十口人住在30平方米的房子裡,日子清貧,卻書香滿溢。
丘成桐14歲時,父親病故,家庭陷入經濟危機。大舅曾提議丘成桐辍學打工補貼家用,後來是母親多方籌措維持家用,堅持讓孩子上學。
1966年,17歲的丘成桐考入香港中文大學崇基書院數學系,很快脫穎而出,僅用三年就修完本科課程,1969年,20歲的丘成桐進入伯克利數學系。
在讀書期間,丘成桐對著名數學問題“卡拉比猜想”産生了濃厚的興趣。
卡拉比猜想由意大利幾何學家卡拉比1954年提出。這一猜想提出構造具有某些幾何特質的流形的方法,但問題是,這種流形至今連一個也找不到。這就好像發現了一顆新的行星,在一顆金原子也沒有看見的時候,科學家便提出一個在行星上開采金子的詳細計劃。
所以在當時,包括丘成桐在内的很多人,都覺得這一猜想未免“好到難以置信”。要想證明這一猜想是錯誤的,最簡單的方法就是找到一個“反例”。于是,丘成桐花了差不多三年來證明這一猜想是錯誤的。在1973年的一次國際幾何會議上,他報告了如何構造“反例”,卡拉比本人也聽了這場報告。
然而兩個月後,丘成桐收到了卡拉比的信,希望厘清“反例”中一些尚未清楚的問題,這時丘成桐意識到自己的論證有誤,他在接下來的兩個禮拜中不眠不休,希望重新構造反例。但每次以為找到一個反例,瞬即有微妙的理由把它打掉。經過多次失敗後,他終于相信卡拉比猜想是對的。于是改變方向,開始證明猜想。
丘成桐并沒有把所有的時間都放在一個猜想的證明上。他習慣于同時考慮幾個題目,當一個題目過不去時,便可以轉到另外一個上去。如果這些題目有共通之處,從新題目中得到的新想法,或許也可以應用到原來的題目上。
比如1976年,在求婚成功後,丘成桐帶着未婚妻郭友雲開始了橫跨美國的旅途。由于證明卡拉比猜想需要用紙筆做大量計算,無法在自駕旅途中完成。于是在駕車時,他開始思考一個拓撲學上的古老難題——龐加萊猜想。這是一個較具思考性的題目,即便是開車途中也可以思考,所以從普林斯頓到南加州的六千多公裡中,他又開始思考龐加萊猜想。
婚禮後,丘成桐将全部的心力都傾注在證明卡拉比猜想上,終于攻克了最後階段的問題,證明了這一猜想。卡拉比本人曾說,這一猜想的證明是他一生中收到的最美好的聖誕禮物。
卡拉比猜想的證明意義重大。它證明了卡拉比猜測的多維空間的存在,這些空間的特殊屬性是以前從未發現過的。它還為愛因斯坦方程找到了一個解,而且是迄今所知最大的一族解。
而随着卡拉比猜想被證明,其他一些相關的猜想也立刻得到證明。在證明猜想的公報中,丘成桐附上了五條在代數幾何學上有關定理的證明。其中最重要的結果,是懸置超過四十年的塞維裡猜想的證明。此外,五六條代數幾何中沒那麼重要的問題也解決了。
當有人問丘成桐用五六年的心力證明卡拉比猜想是什麼樣的感受時,他想到了王國維在《人間詞話》中講到的“古今之成大事業、大學問者,必經過三種之境界”,用丘成桐自己的話說就是,“開始時,找到一個制高點,對整個問題有了通透的理解;然後不眠不休、廢寝忘餐地工作;最後靈光一閃,突然看到了完成證明的途徑。”
問出第一流的問題證明卡拉比猜想是丘成桐學術生涯的一個重要起點。在此之後,他與理查·舍恩合作證明了廣義相對論中的正能量定理,并解決了弗蘭克爾猜想,史密斯猜想等猜想中的重要數學問題。
丘成桐認為,從提出一個好問題,到解決一個好問題,是學術研究中的關鍵。好的問題“短期可能并未有很大影響力,但在未來或許可以改變數學的方向。”
卡拉比猜想最初吸引丘成桐,就因為這其中蘊藏着大批能解決的數學問題。他把問題比作長江中的石頭,石頭移開以後水會更流暢。好的問題就是一塊大石頭,挪開以後水流就可以繼續向前,而小石頭拿不拿掉都可以。
在為學生講數學史時,丘成桐尤其會強調數學史上的“問題”。比如數學家希爾伯特1900年在芝加哥一個數學大會中總結提出的23個問題,基本引領了數學界50年的發展。
在1978年,丘成桐在普林斯頓高等研究所時,也總結提出了當時認為很有價值的120個問題。這些問題到今天還沒有全部解決,但是解決這些問題的過程卻讓數學研究有了長足的發展。
近日,丘成桐在“人文清華”講壇抖音直播間演講《學“問”》時,着重解釋了當時120個問題裡的兩個問題,包括著名的“聽音辨鼓”問題。
這一問題最早由物理學家洛倫茲在1910年提出。他問道,在打鼓時,可不可以通過鼓的音調估計出鼓的面積。
當時數學家希爾伯特認為:“有生之年,不可能看到這個問題的嚴格證明。”
而就在洛倫茲提出問題兩年後,希爾伯特的學生外爾證明了鼓面積可以由譜的增長速度決定。外爾的方法啟發了數學家們面積與頻率的關系,并開始接觸并思考局部的幾何問題。1966年,數學家馬克·卡茨則提出,當鼓聲的頻率越來越小時,可以逐漸看到鼓的局部形狀。
“聽音辨鼓”問題也啟發了後來的丘成桐。
将一些面粉放在鼓上,開始打鼓,面粉會慢慢聚集在一些線上。為什麼會有這些線?因為在打鼓的時候,鼓面有動的地方,也有不動的地方,打鼓時面粉從鼓動的地方跳向不動的地方,聚集起來形成了圖案。這些線就叫“波折線”。高頻率時,波折線怎麼變化?這就是40多年前丘成桐考慮的問題。
1982年,丘成桐提出了關于波折線的猜想,猜想波折線的長度跟譜(即頻率的分布曲線)的大小成正比。而這一猜想同樣引起了很多數學家、幾何學家和物理學家的注意。而譜的大小,對計算機科學的網絡研究又十分重要。
“聽音辨鼓”問題是丘成桐在給學生們分享時尤其強調的一個例子。這也關系到他的治學理念,怎樣才能産生第一流的學問,他認為最重要的兩個部分就是“學”和“問”。不管是卡拉比猜想還是“聽音辨鼓”,都是從一個一流的問題出發,找到一流的答案,實現科學的發展。
要好學問,首先要做好的基礎,了解前人的問題和研究,才能繼續向前走。
但“學”還不夠。丘成桐認為,中國學生的高考分數很高,奧數表現很好,這都是學的很好。但隻是學别人的方法,隻能跟着别人後面走,隻是解決别人的問題。“我們可以不停地産生一大批奧數金牌,但是在中國還沒有解決這麼偉大數學問題的學者産生。”
他認為,中國數學家都不錯,但是沒有問重要問題的數學家,我們需要培養年輕人問重要的問題。
問問題會産生一些重要的工具,使用新的工具,解決方法也會是全新的,這就是做出新的學問的過程。
好的學生一定要學其他的學科丘成桐常把一副對聯挂在嘴邊——“尋天人樂處,拓萬古心胸”。
他認為,做學問,尤其是科學和數學,要跟大自然有很密切的交流,找到其中最有意義、樂趣的地方。如果不了解、不欣賞自然的樂趣,就做不好學問。所以要“尋天人樂處”。同時也要銘記,做學問不是為了高考、拿獎、做院士,不是為了拿諾貝爾獎金,而是為了做成一個科學史上重要的學問,這就是“拓萬古心胸”。
在丘成桐看來,好的科學家一定會知道整個學術問題間的關聯,不會因為沒有意義就不學,所以好的學生一定要學其他的學科。
少年時,丘成桐最喜愛的小說是《紅樓夢》,這部浩瀚的長篇中,主流和支線互相交織,構成極度繁複的畫卷。而這也影響了他對數學的看法。将千絲萬縷但又互相聯系的情節角色放置在渾然天成的故事裡,就像數學研究中需要将各種看似不相幹的定理聯系在一起,需要站的足夠遠,看到數學中的不同分支,也看到其中的主幹。卡拉比猜想的證明及由此導出的若幹定理,就是這樣的一個例子。
2022年4月,從哈佛退休後,丘成桐回國,全職進入清華工作。“尋天人樂處,拓萬古心胸”也成了清華求真書院的院訓。他希望通過清華求真書院的探索,在8-10年内培養出一批不必出國取經,完全在中國本土成長起來的世界一流學者。而他的知識和理念,也将通過抖音直播平台,傳達給更多的中國學子和科學愛好者們。
在“人文清華”講壇,丘成桐以《學“問”》為題做了演講,這堂課同樣通過抖音直播被上萬觀衆看見。通過“聽音辨鼓”的故事,丘成桐解釋了如何做好學問,保持怎樣的學術初心。這些問題不僅對學者重要,對每一個希望求知的人都有意義。
在抖音@人文清華 的評論區,很多人留下他們聽課後的感受。盡管對數學的興趣因人而異,但對于“做學問”的思考卻能啟發到每一個人。所以一門專業的數學課,同樣能在抖音上獲得上萬次觀看。
近年來,在抖音聽名校公開課已成為學習新風尚。《2021抖音數據報告》顯示,截至去年年底,已有92%的全國“雙一流”高校入駐抖音,全年高校開播場次達14463場,網友觀看公開課總時長超過145萬小時。
為了讓知識不局限于書本和課堂,抖音聯合清華大學、人文清華、北大學堂、北京大學曆史學系、複旦大學哲學學院、北京大學出版社、北大博雅講壇等高校和機構,推出“開學公開課”活動,彙集清華、北大、複旦等高校的100場公開課,覆蓋曆史、文學、數學、法律等多個學科,丘成桐、許倬雲等各個領域知名學者現身抖音直播間。課表中不乏清華北大本校學生也一座難求的公開課。
抖音相關負責人表示,平台希望發揮優勢,不斷拓展知識傳播的可能,讓知識突破時間和空間限制,惠及更多人。而抖音也給了更多人學習多元課程的機會,有觀衆在觀看了丘成桐的演講後,感慨道“互聯網就是最好的老師”。
越來越多高校在抖音開展公開課直播,同時,也有越來越多網友養成在抖音學習的習慣。借助短視頻和直播,大學的“圍牆”逐漸被打破。
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