從希爾伯特(Hilbert)到克雷(Clay)

——丁夏畦在武漢物理與數(shù)學(xué)所的學(xué)術(shù)報(bào)告

我今天要講的題目叫做《從希爾伯特到克雷》,首先我想從科教興國(guó)說(shuō)起?平膛d國(guó)重要的是科技和教育,要堅(jiān)持教育為本,把科技和教育擺在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的重要位置;沒(méi)有高水平的人才隊(duì)伍,沒(méi)有強(qiáng)大的科技后備力量,“興國(guó)”只能是一句空話。

我想舉個(gè)例子,比如今年奧運(yùn)圣火傳遞的時(shí)候,遭到全世界很多反華的攻擊,這是要引起警惕的。按道理說(shuō),我們現(xiàn)在講和諧,講友誼,給人家很多好處,但人家還是不買(mǎi)你帳,還是看不起你,但也怕你,從心里不希望你能發(fā)達(dá)起來(lái)。

  

所以國(guó)家強(qiáng)盛的話,經(jīng)濟(jì)好了,他們并不是很高興,見(jiàn)到你有所發(fā)展就想破壞一下;再比如今年的“西藏事件”,如果沒(méi)有我們強(qiáng)大的人民解放軍的話,說(shuō)不定這次西藏就像當(dāng)年八國(guó)聯(lián)軍打進(jìn)北京一樣,境外反華勢(shì)力就有可能直接開(kāi)到西藏來(lái),支持那些藏獨(dú)分子,用武力來(lái)獨(dú)立。這兩件事情我感觸很深。

我覺(jué)得,如果離開(kāi)科技和教育的發(fā)展,經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)盛、國(guó)防的進(jìn)步是不可能的。科技靠別人是不行的,就要有自己獨(dú)創(chuàng)的地方。正規(guī)來(lái)講,不管是生命科學(xué),還是基礎(chǔ)理論,要有很強(qiáng)的后備力量,這才算真正的強(qiáng)大;有多少飛機(jī),有多少潛艇,固然很好,但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,這些一定要有很強(qiáng)大的后備的科技力量才能立足于世界強(qiáng)國(guó)之林。

科學(xué)本身也是文化,沒(méi)有很強(qiáng)的科學(xué)隊(duì)伍,包括基礎(chǔ)理論科學(xué)隊(duì)伍是不行的。比如我們現(xiàn)在知道的原子彈,那與愛(ài)因斯坦的相對(duì)論密切相關(guān),還有計(jì)算機(jī),與布爾代數(shù)有關(guān)。所以我們國(guó)家的自然科學(xué)要想站得住,基礎(chǔ)科學(xué)的研究首先要過(guò)硬。我這里要強(qiáng)調(diào)一下基礎(chǔ)科學(xué)理論研究的重要性;A(chǔ)科學(xué)理論的研究,對(duì)于國(guó)家的長(zhǎng)治久安是很有必要的。也許理論科學(xué)我們現(xiàn)在看沒(méi)有用,但說(shuō)不定什么時(shí)候就是靠這個(gè)贏別人。

比如說(shuō)數(shù)論,開(kāi)始的時(shí)候看上去它是個(gè)沒(méi)有用的東西,但后來(lái)發(fā)現(xiàn),它能在編碼中起很大的作用。近期的社會(huì)很多發(fā)展說(shuō)不定就要靠數(shù)論去推動(dòng)的,F(xiàn)在不是經(jīng)常提到的黑客,打到了美國(guó)國(guó)防部,大概也和這個(gè)有關(guān)。所以我們不能光看著技術(shù)和眼前的應(yīng)用,要有長(zhǎng)遠(yuǎn)的打算。用長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光來(lái)看,沒(méi)有強(qiáng)大的科學(xué)力量,國(guó)力絕對(duì)不強(qiáng),別的都靠不住的。像美國(guó)為什么這么強(qiáng),它的基礎(chǔ)科學(xué)和理論科學(xué)是很發(fā)達(dá)的,所以它才可以稱王稱霸。所以我們的科學(xué)研究,不管哪一方面不保持很高水平,國(guó)家沒(méi)有辦法強(qiáng)大的,是沒(méi)有辦法保障的。因此我們要發(fā)展科學(xué)技術(shù),所以我覺(jué)得從科教興國(guó)的角度來(lái)看,要重視基礎(chǔ)科學(xué)和基本理論的研究。

任何學(xué)科的發(fā)展都是相似的。下面我就結(jié)合數(shù)學(xué)談?wù)劇?shù)學(xué)的發(fā)展分兩個(gè)方面,一個(gè)方面是數(shù)學(xué)的應(yīng)用方面,與其他學(xué)科,比如物理,化學(xué),力學(xué)等結(jié)合的發(fā)展,從他們中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,為它們提供營(yíng)養(yǎng),對(duì)其產(chǎn)生影響,由此再提出一些問(wèn)題來(lái)再促進(jìn)數(shù)學(xué)的發(fā)展;還有一個(gè)方面,數(shù)學(xué)既然是一門(mén)科學(xué),那么它就有其本身發(fā)展的規(guī)律,所以數(shù)學(xué)也有它自身的基本問(wèn)題和規(guī)律。如果沒(méi)有這些,就不能稱之為數(shù)學(xué),就并到別的學(xué)科去了。

作為一個(gè)最為典型的例子就是希爾伯特的23個(gè)問(wèn)題,F(xiàn)代數(shù)學(xué)經(jīng)歷17世紀(jì),18世紀(jì),19世紀(jì)到20世紀(jì)初,數(shù)學(xué)形成了很多各種各樣的學(xué)科,其中碰到了很多問(wèn)題沒(méi)解決,到20世紀(jì)初1900年,希爾伯特,大家都知道他是20世紀(jì)最偉大的數(shù)學(xué)家,根據(jù)各個(gè)學(xué)科的發(fā)展,以及當(dāng)時(shí)的情況提出了23個(gè)問(wèn)題,都是純數(shù)學(xué)問(wèn)題,但分布的學(xué)科很廣,每個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科都有,數(shù)論問(wèn)題,函數(shù)論問(wèn)題,以及大家都知道的黎曼猜想等等,還有很多很多。

這23個(gè)問(wèn)題,實(shí)際上就規(guī)劃了20世紀(jì)數(shù)學(xué)的科學(xué)研究,20世紀(jì)的純數(shù)學(xué)基本上就是按照這23個(gè)問(wèn)題進(jìn)行的。到了20世紀(jì)末,這些問(wèn)題大部分都解決了,還有幾個(gè)吧,但以黎曼猜想最著名。20世紀(jì)過(guò)去以后,大家肯定就不能按照希爾伯特這套搞了,有了新的形勢(shì),新的情況了,當(dāng)然現(xiàn)在沒(méi)有像希爾伯特那么大的數(shù)學(xué)家了,沒(méi)有哪一個(gè)人敢像希爾伯特那樣規(guī)劃21世紀(jì)的數(shù)學(xué)問(wèn)題,所以怎么辦呢,美國(guó)有一個(gè)Massachusetts州,有一個(gè)大企業(yè)家,叫克雷(Clay),是個(gè)業(yè)余數(shù)學(xué)愛(ài)好者。他就拿錢(qián),建立了一個(gè)克雷研究所,沒(méi)有希爾伯特,他就靠集體的力量,招了很多各方面的專家,規(guī)劃21世紀(jì)的數(shù)學(xué)應(yīng)該主要研究什么問(wèn)題。這就是所謂的7大難題,也就是克雷的7大難題,叫千年難題。

我下面就講講這幾個(gè)問(wèn)題。當(dāng)然在希爾伯特時(shí)代解決了一個(gè)希爾伯特問(wèn)題,名氣會(huì)很大,成為大數(shù)學(xué)家,但是沒(méi)有錢(qián)。但現(xiàn)在,每個(gè)克雷難題解決了都能有100萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金,這也叫作物質(zhì)刺激。

頭一個(gè)就是黎曼猜想,這個(gè)是從希爾伯特的23個(gè)問(wèn)題留下來(lái)的,是希爾伯特第8問(wèn)題,一直沒(méi)解決。所以大家覺(jué)得這個(gè)問(wèn)題還是非常重要。

第二個(gè),是楊-米爾斯(Yang-Mills)的存在性和質(zhì)量缺口假設(shè),這個(gè)是物理方面的數(shù)學(xué)問(wèn)題。你看,和希爾伯特的23個(gè)問(wèn)題很大的不一樣的地方是什么呢,他這些問(wèn)題還不單是純數(shù)學(xué)問(wèn)題,物理學(xué)的交叉問(wèn)題也關(guān)注,這是數(shù)學(xué)和物理學(xué)的交叉。

第三個(gè)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的問(wèn)題,是P對(duì)NP問(wèn)題。

第四個(gè)問(wèn)題就是Navier-Stokes方程,Navier-Stokes方程是我們搞的東西。

第五個(gè)是龐加萊猜想,大家都知道,龐加萊猜想已經(jīng)解決了,雖然鬧哄哄的,但是大家還是承認(rèn)已經(jīng)解決了。

第六個(gè)也是個(gè)數(shù)論問(wèn)題,叫貝赫(Birch)和斯維納通-戴爾(Swinnerton-Dyer)猜想。

第七個(gè)是霍奇(Hodge)猜想,和幾何有密切的聯(lián)系。

這七個(gè)問(wèn)題,牽扯到7個(gè)不同的學(xué)科,但與希爾伯特的23個(gè)問(wèn)題不同的地方是牽扯到很多與物理、力學(xué)相關(guān)的,如Yang-Mills方程、 Navier-Stokes方程以及高維的Poincare猜想等等,全是交叉學(xué)科的研究。我們物理數(shù)學(xué)研究所,特別是數(shù)學(xué)物理方程這個(gè)方向強(qiáng)調(diào) 的是數(shù)學(xué)物理,有很強(qiáng)的物理背景,是屬于交叉學(xué)科,是千年難題,很值得在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里集中研究。

我以數(shù)學(xué)物理所方程組為例。方程的研究方向哪來(lái)的,不是憑空掉下來(lái)的,記得是1986年我來(lái)當(dāng)時(shí)的數(shù)學(xué)物理所當(dāng)所長(zhǎng)時(shí),我們自己不好定,數(shù)學(xué)物理所的方向,就開(kāi)了一個(gè)洪山會(huì)議,我們就把全國(guó)最好的、第一流的數(shù)學(xué)家請(qǐng)來(lái),有李國(guó)平院士,吳文俊院士,許國(guó)志院士,陸啟鏗院士,林群院士,李邦河院士等,還有王柔懷教授,齊民友教授等,把他們請(qǐng)來(lái)幫我們確定未來(lái)研究的方向。所以這個(gè)方向不是隨便定的,也不能隨便改動(dòng)。方向這個(gè)東西就怕隨便改,一旦改了就前功盡棄。到一定程度了需要改,要么是我們自己知道這個(gè)方向沒(méi)有前途,或者是我們要往更高的、更有效點(diǎn)的地方發(fā)揮作用。這些是自己知道要改方向,否則,你指揮他改方向,是揠苗助長(zhǎng)。所以我們要深深吸取過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),洪山會(huì)議的確幫助我們?nèi)〉煤艽蟮某煽?jī),如果沒(méi)有這個(gè)方向,搞什么?知道了這個(gè)方向我們培養(yǎng)了很多人,比如朱熹平啊,他用他的強(qiáng)項(xiàng)搞幾何,他搞幾何靠的就是偏微分方程,他的幾何不比別人強(qiáng),他自己講的,很多工具就是在我們武漢數(shù)理所受到的訓(xùn)練,他在武漢數(shù)理所做偏微分方程最后拿到杰青,后來(lái)搞到幾何上,恰好和偏微分方程聯(lián)系上了,他這個(gè)東西比搞幾何的人強(qiáng),這就是他的一個(gè)特長(zhǎng)。所以他能把這個(gè)龐加萊猜想完整證明。

這就說(shuō)明武漢數(shù)理所,我們這個(gè)方向定下來(lái)以后是行之有效、有成就的,這個(gè)方向我們還有很多強(qiáng)人:陳貴強(qiáng)現(xiàn)在是海外杰青、長(zhǎng)江學(xué)者,在守恒律方面在國(guó)際上有極高聲望;陸云光現(xiàn)在在哥倫比亞,還拿了個(gè)院士;曹道民,“百人計(jì)劃”入選者,杰青;黃飛敏 ,王振都是那個(gè)時(shí)候培養(yǎng)起來(lái)的,他們后面做的方程是等溫流,等溫流做得極好,我自己覺(jué)得他們那個(gè)東西比我們等熵流的工作還要好。為什么?簡(jiǎn)單。他們的工作,整理以后都可以寫(xiě)到教科書(shū)上去。SIAM,叫美國(guó)工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會(huì),給了他們2004年的獎(jiǎng),從2004年算起,2001,2002,2003前三年,SIAM所有的十幾本數(shù)學(xué)雜志,里面所有的文章,選一篇理論的,做得好的,評(píng)一個(gè)獎(jiǎng),一篇計(jì)算類(lèi)的評(píng)一個(gè)獎(jiǎng),還有一個(gè)應(yīng)用的。他們就是那個(gè)理論的獎(jiǎng),說(shuō)明人家欣賞他們的這個(gè)東西,也說(shuō)明我們這樣做下來(lái)肯定有成績(jī),而且我們這是一個(gè)系統(tǒng),很多出去的都是骨干。所以就是按照我們那個(gè)方向做,不要隨便觸動(dòng)它,就像說(shuō)的,數(shù)學(xué)伯樂(lè)和千里馬,千里馬常有而伯樂(lè)不常有,認(rèn)識(shí)人才,解放人才的人不常有,因此我們就要注意,不能隨便瞎指揮,人才要愛(ài)護(hù),方向也要愛(ài)護(hù),不能隨便給他打斷,我們過(guò)去有很多這樣的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn) 。

我們剛提到Y(jié)ang-Mills方程還有Navier-Stokes方程都是很大的交叉問(wèn)題,如果對(duì)物理很感興趣,我建議可以搞搞Yang-Mills方程看看,那也是有可能出大成果的。所以說(shuō)Navier-Stokes方程我們一直在干,從50年代一直圍繞著,不管是壓縮的不可壓縮的,粘性的或者沒(méi)有粘性的,一直到現(xiàn)在我們還要堅(jiān)持,也做了不少的工作,所以這個(gè)東西不能放棄,從根本上對(duì)我們國(guó)家有利。

還有一點(diǎn)應(yīng)該說(shuō)一下,馮康院士過(guò)去說(shuō)過(guò),如果單科搞不上去,交叉也搞不好。

今天講Navier-Stokes方程講了不少了,黎曼猜想我也講兩句,黎曼猜想也是一個(gè)很難的問(wèn)題,我過(guò)去講過(guò),黎曼猜想現(xiàn)在國(guó)內(nèi)也沒(méi)有人在認(rèn)真搞,他和素?cái)?shù)分布是密切相關(guān)的,素?cái)?shù)分布是一個(gè)很古老的問(wèn)題,前人做的問(wèn)題我們要關(guān)注,主要是函數(shù)論的東西。

中國(guó)人搞這個(gè)東西是有歷史的,但是這個(gè)問(wèn)題到現(xiàn)在還是解決不了。希爾伯特一開(kāi)始不知道這個(gè)問(wèn)題很難,所以他把這個(gè)問(wèn)題給他的一個(gè)學(xué)生做博士論文,當(dāng)然做不出來(lái),但是搞出來(lái)了一套基本的積分方程的理論,是經(jīng)典的。

哈代的六大愿望

還有一個(gè)就是英國(guó)數(shù)學(xué)家哈代(Hardy),他也對(duì)黎曼猜想特別有興趣,他說(shuō)他有六大愿望,

第一個(gè)就是解決黎曼猜想,一心想證明黎曼猜想。

另一個(gè)呢就是打球,他想在某一場(chǎng)板球比賽里得到冠軍。

第三個(gè)呢,就是要證明上帝的不存在性,用數(shù)學(xué)去證明上帝的不存在性,這跟牛頓恰好相反,牛頓功成名就以后是要用數(shù)學(xué)去證明上帝的存在性,這當(dāng)然是證明不出來(lái)的啊。

第四個(gè)心愿呢,就是做第一個(gè)攀登珠穆朗瑪峰的人。

第五個(gè)心愿就是要當(dāng)蘇聯(lián),英國(guó),德國(guó)的總統(tǒng),哈代這個(gè)人搞數(shù)學(xué)的怎么想當(dāng)總統(tǒng)呢,真是莫名其妙。

第六個(gè)心愿呢,就是要刺殺墨索里尼,墨索里尼是意大利法西斯頭子啊。

希爾伯特也說(shuō)過(guò)一句話,他說(shuō)我死了以后,一千年以后,如果再活過(guò)來(lái)以后,我第一個(gè)感興趣的問(wèn)題就是問(wèn)黎曼猜想解決了沒(méi)有。

大數(shù)學(xué)家都很關(guān)心這個(gè)問(wèn)題,對(duì)我們來(lái)講,黎曼猜想還不是我們最感興趣的,Navier-Stokes方程才是我們現(xiàn)在需要搞的,是交叉學(xué)科的大問(wèn)題。我就講這些吧,謝謝大家。

(根據(jù)錄音整理修改,并經(jīng)本人審閱)