十一月的夜晚,风带着明显的凛冽寒意。
骑车回家的路上,冷风扑面而来,让他原本有些发热的大脑稍稍冷却,但思维的活跃度却未曾减弱分毫。
回家的路并不算近,但他今天骑得很慢。
他的脑海里,依旧盘旋着那个困扰了人类一百多年的“四色幽灵”。
“任何一张平面地图,用四种颜色就足以避免相邻区域同色。”
这是一句多么简单的陈述。
它不需要复杂的微积分符号,不需要黎曼几何中那些弯曲的空间概念,甚至不需要虚数i的参与。它朴素得就像是“两点之间直线最短”一样,是一个连幼儿园孩子都能听懂的规则。
然而,正是这种极度的简单,构成了它极度的深邃。
我们在纸上画图,随手涂鸦,无论是画三个圆圈,还是画一团乱麻,我们的经验、我们的直觉、我们的双眼都在告诉我们要相信它:四种颜色确实够用了。
这是“亲眼所见”。
但在数学的世界里,“亲眼所见”往往是最不可靠的证人。
我们看见了无数个例子都符合四色猜想,却无法因此确信“永远”符合。因为“永远”意味着无穷,而人类的经验是有限的。
这种张力,这种“显而易见”与“难以证明”之间的巨大鸿沟,让陈航感到着迷。他意识到,真正的数学,往往就隐藏在这些最朴素的表象之下。它挑战的不是计算能力,而是人类逻辑的极限。
这让他想起了数学史上另一个类似的问题。
那是属于牛顿的问题。
三百多年前,也就是1694年,同样是在一个寒冷的为了学术而争辩的日子里,牛顿和数学家大卫·格雷戈里(david gregory)在剑桥大学三一学院讨论太阳系行星的运动问题。
聊着聊着,话题不知怎么就偏离了轨道,转到了一个纯几何的问题上:一个球,可以同时与多少个同样大小的球相切?
在二维平面上,这很简单。把一枚硬币放在桌子上,它周围紧挨着正好可以放下一圈共六枚同样的硬币。不多不少,刚好六枚。
但在三维空间里呢?
牛顿和格雷戈里一致认为,一个球同时与12个同样大小的球相切是没有争议的。这就像是正十二面体的结构。
但是,还能塞进去第13个吗?
格雷戈里是一位牛顿学说的忠实追随者,他崇敬牛顿,但并不盲从。作为一名在几何直观能力上有着极高天赋的数学家,格雷戈里在脑海中构建了一个模型:以正二十面体的十二个顶点为中心的球,都可以与位于中心的一个球同时相切。
关键在于,这些外围的球之间,是存在空隙的。它们并不是严丝合缝地挤在一起。
格雷戈里认为,如果经过适当的移动、挤压和调整,利用这些空隙,也许可能、至少再放进一个球去与中心那个球相切。
也就是说,他认为答案可能是13。
不过,牛顿坚持认为,空间是刚性的,那个球是不可能放进去的。答案只能是12。
这就是着名的“牛顿数”问题,也叫“吻数问题”(kissg nuber proble)。
这一争论,在当时没有结果。两位伟大的智者直到最后也都没能给出各自结论的严格数学证明。
这个看似比开普勒猜想(关于球体最密堆积的问题)简单得多的几何问题,实际上也成为一个长期未解决的数学难题。
就像四色问题一样,这也是一个小学生都能听懂的问题:“能放几个球?”
这种看似简单的初等立体几何问题,让后世不少“民科”大师们觉得“我上我也行”。他们拿几个乒乓球粘一粘,或者用胶泥捏一捏,就宣称解决了问题。
实际上,他们连数学证明的门槛都进不去。
因为数学要求的不是“摆出来”,而是证明“不可能存在另一种情况”。
直到几百年后,经过无数数学家不断的开拓,才把牛顿问题转化为了“格点型”牛顿问题。在这个过程中,为了解决这个看似简单的几何疑问,数学家们硬生生开拓出了一门新的数学分支——几何数论,也叫数的几何。
最终直到1953年,施特(schutte)和范德瓦尔登(van der waerden)才给出了三维吻数确实为12的严格证明。
陈航走在风中,思绪从四色定理跳跃到牛顿吻数。
他发现这些顶级难题都有一个共同的特征:
题面极其简单,直观极其强烈,证明极其困难。
这似乎是上帝故意留给人类的陷阱,或者是某种试炼。
他又想到了另一个着名的猜想,那个被戏称为“数学黑洞”的3n+1猜想。
所谓3n+1猜想,就是指对于每一个正整数,如果它是偶数,就对它除以2;如果它是奇数,则对它乘3再加1。
就像是一个游戏规则:
如果是偶数:n/2
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如果是奇数:3n+1
这个猜想断言:对任意的一个正整数施行这种演算手续,经有限步骤后,最后结果必然是最小的正整数1。
陈航在脑海里随便取了一个数,比如6。
6是偶数,6/2=3。
3是奇数,33+1=10。
10是偶数,10/2=5。
5是奇数,53+1=16。
16是偶数,16/2=8,8/2=4,4/2=2,2/2=1。
最终回到了1。
再比如取个9。
9是奇数,93+1=28。
28/2=14,14/2=7。
73+1=22,22/2=11。
113+1=34,34/2=17。
173+1=52,52/2=26,26/2=13。
133+1=40,40/2=20,20/2=10,10/2=5。
53+1=16,16/2=8……
最终还是回到了1。
这乍一看,觉得十分简单。很多高中生看了直呼内行,觉得这不就是平时做的找规律的题目吗?
然而,就是这么简单的数学题,其证明过程足足困惑了数学家们90年之久,至今未解。
这甚至引发了悬赏。2021年7月,总部位于东京涩谷的日本公司bakuage , ltd宣布,将向任何解决3n+1猜想的人提供12亿日元的奖金。换算成为美元是110万,人民币接近八百万。
但即便有重赏,至今依然无人能摘得这颗皇冠上的明珠。
数学天才陶哲轩曾评论说:“数学还没有准备好解决这样的问题。”
陈航深深地吸了一口气,冰冷的空气充满了胸腔。
从四种颜色的地图,到十二个球的接触,再到那个永远回到1的数字游戏。
这些问题像是一条条看不见的线,编织成了一张巨大的网,覆盖在现实世界的表层之下。
他下意识地停下了脚步,抬起头。
今晚的天气出奇的好,风吹散了白日的阴霾,露出了整片深邃的夜空。
城市的光污染虽然遮蔽了银河,但那些最明亮的星星依然顽强地闪烁着。它们高悬在头顶,沉默地注视着这片大地,注视着这个仰望的少年。
那是一种令人窒息的宏大。
看着那无尽的深空,陈航脑海中那些跳动的数字和几何图形突然安静了下来,取而代之的是一种更为宏大的感动。
他想起了网上那些唯美的星空照片,想起了哈勃望远镜拍摄的创生之柱。
这浩瀚的宇宙,星辰的运行,黑洞的吞噬,光线的弯曲,这一切看似混乱无序,却又严丝合缝地遵循着某种规律。
而这种规律,是用数学写就的。
爱因斯坦的声音仿佛穿越了时空,在他耳边低语:
“宇宙最不可理解之处,就在于它居然是可以理解的。”
是啊,为什么?
为什么人类发明(或者说发现)的这套逻辑符号,能够如此精准地描述几十亿光年外的星系?为什么黎曼几何在被发明出来几十年后,正好成为了广义相对论描述时空弯曲的工具?
伽利略说:“数学是宇宙赖以书写的语言。”
这不仅仅是一个比喻,这是一个事实。
数学,以其自身的方式,是诗歌般的逻辑理念。
它不依赖于物质,不依赖于时间。即便明天太阳熄灭,即便人类文明消失,“素数无穷多”这个事实依然成立,“勾股定理”依然在宇宙的任何一个角落适用。
“数学揭示了它的秘密,不是因为它有用,而是因为它是真理,而真理是美丽的。”
陈航喃喃自语。
在此刻,在那片星空之下,那个关于四色定理的夜晚,一颗小小的、却炽热无比的种子,被深深地埋入了他的心里。
那是对真理纯粹的渴望。
是兴趣使然的阅读,让他窥见了冰山一角。而这一瞥,足以让他用一生去追寻那藏在海面下的庞大山体。
“真理……”
陈航收回目光,看了一眼前方。
小区的大门就在不远处,保安室的灯光温暖而昏黄。
那棵由兴趣浇灌的种子,正在他的心中生根发芽,它将汲取逻辑的养分,顶破平庸的泥土,在未来的某一天,长成一棵参天大树,去触碰那遥不可及的星空。
他迈开步子,走向回家的路。
风依然在吹,但他已感觉不到寒冷。
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