20世紀是數學大發展的世紀。數學中的許多重要問題都得到了圓滿的解決,如費馬大定理的證明,有限單群分類的完成,從而使數學的基礎理論得到了空前的發展。
計算機的出現是20世紀數學發展的壹大成就,極大地促進了數學理論的深化和數學在社會和生產力第壹線的直接應用。回顧20世紀數學的發展,數學家們深深感謝20世紀最偉大的數學大師戴維·希爾伯特。1900年8月8日在巴黎舉行的第二屆世界數學家大會上,希爾伯特在其著名的演講中提出了23個數學問題。希爾伯特問題在過去的百年裏啟發了數學家的智慧,指引了數學的方向,對數學發展的影響和推動是巨大的,不可估量的。
以希爾伯特為榜樣,當代世界許多著名數學家在過去幾年中整理並提出了新的數學問題,希望為新世紀數學的發展指明方向。這些數學家很有名氣,但他們的行動並沒有引起世界數學界的關註。
2000年初,美國克萊數學研究所科學顧問委員會評選出7道“千年獎題”,克萊數學研究所董事會決定設立700萬美元的大獎基金,每道“千年獎題”可獎勵100萬美元。克萊數學所“千年獎問題”的評選目的不是為了形成新世紀數學發展的新方向,而是著眼於數學發展的中心和數學家夢想並期望解決的重大問題。
2000年5月24日,千年數學大會在著名的法蘭西學院召開。會上,1998年菲爾茲獎獲得者高爾斯以“數學的重要性”為題發表了演講。後來,泰特和阿提亞宣布並介紹了這七個“千年獎問題”。克萊數學研究所還邀請了相關研究領域的專家對每個問題進行詳細闡述。克萊數學學院對“千年獎問題”的解答和頒獎都做了嚴格的規定。每壹個“千年獎問題”都不是解決了就能馬上獲獎的。任何解決方案都必須在世界知名的數學雜誌上發表兩年,並得到數學界的認可,才能由克萊數學研究所的科學顧問委員會審查決定是否值得獲得百萬獎金。
這七個“千年獎問題”分別是:NP完全問題、霍奇猜想、龐加萊猜想、黎曼假設、楊-米爾斯理論、納維爾-斯托克斯方程、BSD(伯奇和斯溫納頓)。
《千年獎刊》自出版以來,在數學界產生了強烈反響。這些問題都是關於數學基礎理論的,但這些問題的解決將極大地促進數學理論的發展和應用。了解和研究“千年獎”問題已成為數學界的壹個熱點。許多國家的數學家正在組織聯合研究。可以預期,“千年獎問題”將改變新世紀數學發展的歷史進程。
下面就簡單介紹壹下這七個難題。
“千年問題”之壹:P(多項式算法)對NP(非多項式算法)
在壹個星期六的晚上,妳參加了壹個盛大的聚會。很尷尬,妳想知道這個大廳裏有沒有妳已經認識的人。妳的主人建議妳壹定要認識坐在靠近甜點盤角落裏的羅斯女士。妳不需要壹秒鐘就能掃壹眼那裏,發現妳的主人是對的。但是,如果沒有這樣的暗示,妳必須環視整個大廳,壹個壹個地看每個人,看看有沒有妳認識的人。生成問題的解決方案通常比驗證給定的解決方案花費更多的時間。這是這種普遍現象的壹個例子。同樣,如果有人告訴妳,13、717、421這幾個數可以寫成兩個更小的數的乘積,妳可能不知道該不該相信他,但如果他告訴妳可以因式分解成3607乘以3803,那麽妳就可以用袖珍計算器輕松驗證這壹點。無論我們是否熟練地編寫了壹個程序,確定壹個答案是否可以用內部知識快速驗證,或者在沒有這種提示的情況下需要花費大量時間來解決,這被視為邏輯和計算機科學中最突出的問題之壹。是StephenCook在1971中陳述的。
“千千萬問題”之二:霍奇猜想
二十世紀的數學家找到了壹種研究復雜物體形狀的有效方法。基本的想法是問我們可以在多大程度上通過將簡單的幾何積木與增加的維度粘合在壹起來塑造壹個給定的物體。這項技術變得如此有用,以至於可以用許多不同的方式推廣;最後,它導致了壹些強大的工具,這些工具使數學家在對他們在研究中遇到的各種對象進行分類方面取得了很大的進步。不幸的是,在這種概括中,程序的幾何起點變得模糊了。某種意義上,必須增加壹些沒有任何幾何解釋的部分。霍奇猜想斷言,對於所謂的射影代數簇,壹個叫做霍奇閉鏈的分量實際上是叫做代數閉鏈的幾何分量的(有理線性)組合。
“千年之謎”之三:龐加萊猜想
如果我們在蘋果表面周圍拉伸橡皮筋,那麽我們可以慢慢移動它,把它收縮成壹個點,而不會弄斷它或讓它離開表面。另壹方面,如果我們想象同樣的橡膠帶在輪胎胎面上以適當的方向拉伸,沒有辦法在不破壞橡膠帶或輪胎胎面的情況下將其收縮到壹點。我們說蘋果表面是“單連通”的,但輪胎胎面不是。大約壹百年前,龐加萊就知道二維球面在本質上可以用簡單連通來表征,他提出了三維球面(四維空間中距離原點單位距離的所有點)的相應問題。這個問題立刻變得異常困難,從此數學家們壹直在為之奮鬥。
“千年難題”的第四部分:黎曼假設
有些數具有特殊的性質,不能用兩個較小數的乘積來表示,例如2,3,5,7等。這樣的數叫做質數;它們在純數學及其應用中起著重要的作用。在所有自然數中,這種素數的分布不遵循任何規律;然而,德國數學家黎曼(1826~1866)觀察到,素數的頻率與壹個構造良好的所謂黎曼ζ函數z(s$)的行為密切相關。著名的黎曼假設斷言,方程z(s)=0的所有有意義的解都在壹條直線上。這已經在最初的1,500,000,000個解決方案中得到驗證。證明它適用於每壹個有意義的解,將會揭開圍繞素數分布的許多謎團。
“千百千百個謎題”之五:楊磨坊的存在與質量差距。
量子物理定律是為基本粒子世界建立的,就像牛頓經典力學定律是為宏觀世界建立的壹樣。大約半個世紀前,楊振寧和米爾斯發現量子物理學揭示了基本粒子物理學和幾何對象數學之間的驚人關系。基於Young-Mills方程的預言已經在世界各地實驗室的以下高能實驗中得到證實:Brockhaven、斯坦福、CERN和築波。然而,他們描述重粒子並且數學上嚴格的方程沒有已知解。特別是“質量間隙”假說,這個假說被大多數物理學家所證實,並被應用於解釋誇克的不可見性,但它從來沒有得到令人滿意的數學證明。在這個問題上的進展需要在物理學和數學中引入基本的新概念。
第六個“千年難題”:Navier-Stokes方程的存在性和光滑性
起伏的波浪跟隨我們的船蜿蜒穿過湖面,洶湧的氣流跟隨我們現代噴氣式飛機的飛行。數學家和物理學家確信,微風和湍流都可以通過理解納維爾-斯托克斯方程的解來解釋和預測。雖然這些方程寫於19世紀,但我們對它們的了解仍然很少。挑戰是在數學理論上取得實質性的進展,這樣我們才能解開隱藏在納維爾-斯托克斯方程中的謎團。
“千年之謎”之七:伯奇和斯溫納頓-戴爾猜想。
數學家們總是著迷於x2+y2=z2等代數方程的所有整數解的刻畫。歐幾裏德曾經給出了這個方程的完整解,但是對於更復雜的方程,就變得異常困難。事實上,作為余。V.Matiyasevich指出,希爾伯特的第十個問題是無解的,即沒有壹個通用的方法來確定這樣的方法是否有整數解。當解是阿貝爾簇的壹個點時,貝赫和斯韋諾頓-戴爾猜想有理點群的大小與在點s=1附近的相關Zeta函數z(s)的行為有關。特別是這個有趣的猜想認為,如果z(1)等於0,有無窮多個有理點(解);反之,如果z(1)不等於0,則這樣的點只有有限個。
對於第壹個問題,妳可以想象壹下:問題的答案就像壹條魚。魚總是在水裏。如果我們不知道魚在哪裏,我們只能用壹張大網或許多網來抓它。如果我們知道魚在哪裏,我們可以用盡可能少的網來抓它。所以對於這類問題,現在的方法就是用各種算法編織的網去抓魚,看哪種算法能最快抓魚。