从希尔伯特(Hilbert)到克雷(Clay)

——丁夏畦在武汉物理与数学所的学术报告

我今天要讲的题目叫做《从希尔伯特到克雷》,首先我想从科教兴国说起。科教兴国重要的是科技和教育,要坚持教育为本,把科技和教育摆在经济、社会发展的重要位置;没有高水平的人才队伍,没有强大的科技后备力量,“兴国”只能是一句空话。

我想举个例子,比如今年奥运圣火传递的时候,遭到全世界很多反华的攻击,这是要引起警惕的。按道理说,我们现在讲和谐,讲友谊,给人家很多好处,但人家还是不买你帐,还是看不起你,但也怕你,从心里不希望你能发达起来。

  

所以国家强盛的话,经济好了,他们并不是很高兴,见到你有所发展就想破坏一下;再比如今年的“西藏事件”,如果没有我们强大的人民解放军的话,说不定这次西藏就像当年八国联军打进北京一样,境外反华势力就有可能直接开到西藏来,支持那些藏独分子,用武力来独立。这两件事情我感触很深。

我觉得,如果离开科技和教育的发展,经济的强盛、国防的进步是不可能的。科技靠别人是不行的,就要有自己独创的地方。正规来讲,不管是生命科学,还是基础理论,要有很强的后备力量,这才算真正的强大;有多少飞机,有多少潜艇,固然很好,但还远远不够,这些一定要有很强大的后备的科技力量才能立足于世界强国之林。

科学本身也是文化,没有很强的科学队伍,包括基础理论科学队伍是不行的。比如我们现在知道的原子弹,那与爱因斯坦的相对论密切相关,还有计算机,与布尔代数有关。所以我们国家的自然科学要想站得住,基础科学的研究首先要过硬。我这里要强调一下基础科学理论研究的重要性。基础科学理论的研究,对于国家的长治久安是很有必要的。也许理论科学我们现在看没有用,但说不定什么时候就是靠这个赢别人。

比如说数论,开始的时候看上去它是个没有用的东西,但后来发现,它能在编码中起很大的作用。近期的社会很多发展说不定就要靠数论去推动的。现在不是经常提到的黑客,打到了美国国防部,大概也和这个有关。所以我们不能光看着技术和眼前的应用,要有长远的打算。用长远的眼光来看,没有强大的科学力量,国力绝对不强,别的都靠不住的。像美国为什么这么强,它的基础科学和理论科学是很发达的,所以它才可以称王称霸。所以我们的科学研究,不管哪一方面不保持很高水平,国家没有办法强大的,是没有办法保障的。因此我们要发展科学技术,所以我觉得从科教兴国的角度来看,要重视基础科学和基本理论的研究。

任何学科的发展都是相似的。下面我就结合数学谈谈。数学的发展分两个方面,一个方面是数学的应用方面,与其他学科,比如物理,化学,力学等结合的发展,从他们中发现问题,为它们提供营养,对其产生影响,由此再提出一些问题来再促进数学的发展;还有一个方面,数学既然是一门科学,那么它就有其本身发展的规律,所以数学也有它自身的基本问题和规律。如果没有这些,就不能称之为数学,就并到别的学科去了。

作为一个最为典型的例子就是希尔伯特的23个问题。现代数学经历17世纪,18世纪,19世纪到20世纪初,数学形成了很多各种各样的学科,其中碰到了很多问题没解决,到20世纪初1900年,希尔伯特,大家都知道他是20世纪最伟大的数学家,根据各个学科的发展,以及当时的情况提出了23个问题,都是纯数学问题,但分布的学科很广,每个基础学科都有,数论问题,函数论问题,以及大家都知道的黎曼猜想等等,还有很多很多。

这23个问题,实际上就规划了20世纪数学的科学研究,20世纪的纯数学基本上就是按照这23个问题进行的。到了20世纪末,这些问题大部分都解决了,还有几个吧,但以黎曼猜想最著名。20世纪过去以后,大家肯定就不能按照希尔伯特这套搞了,有了新的形势,新的情况了,当然现在没有像希尔伯特那么大的数学家了,没有哪一个人敢像希尔伯特那样规划21世纪的数学问题,所以怎么办呢,美国有一个Massachusetts州,有一个大企业家,叫克雷(Clay),是个业余数学爱好者。他就拿钱,建立了一个克雷研究所,没有希尔伯特,他就靠集体的力量,招了很多各方面的专家,规划21世纪的数学应该主要研究什么问题。这就是所谓的7大难题,也就是克雷的7大难题,叫千年难题。

我下面就讲讲这几个问题。当然在希尔伯特时代解决了一个希尔伯特问题,名气会很大,成为大数学家,但是没有钱。但现在,每个克雷难题解决了都能有100万美元的奖金,这也叫作物质刺激。

头一个就是黎曼猜想,这个是从希尔伯特的23个问题留下来的,是希尔伯特第8问题,一直没解决。所以大家觉得这个问题还是非常重要。

第二个,是杨-米尔斯(Yang-Mills)的存在性和质量缺口假设,这个是物理方面的数学问题。你看,和希尔伯特的23个问题很大的不一样的地方是什么呢,他这些问题还不单是纯数学问题,物理学的交叉问题也关注,这是数学和物理学的交叉。

第三个是计算机科学的问题,是P对NP问题。

第四个问题就是Navier-Stokes方程,Navier-Stokes方程是我们搞的东西。

第五个是庞加莱猜想,大家都知道,庞加莱猜想已经解决了,虽然闹哄哄的,但是大家还是承认已经解决了。

第六个也是个数论问题,叫贝赫(Birch)和斯维纳通-戴尔(Swinnerton-Dyer)猜想。

第七个是霍奇(Hodge)猜想,和几何有密切的联系。

这七个问题,牵扯到7个不同的学科,但与希尔伯特的23个问题不同的地方是牵扯到很多与物理、力学相关的,如Yang-Mills方程、 Navier-Stokes方程以及高维的Poincare猜想等等,全是交叉学科的研究。我们物理数学研究所,特别是数学物理方程这个方向强调 的是数学物理,有很强的物理背景,是属于交叉学科,是千年难题,很值得在相当长的时间里集中研究。

我以数学物理所方程组为例。方程的研究方向哪来的,不是凭空掉下来的,记得是1986年我来当时的数学物理所当所长时,我们自己不好定,数学物理所的方向,就开了一个洪山会议,我们就把全国最好的、第一流的数学家请来,有李国平院士,吴文俊院士,许国志院士,陆启铿院士,林群院士,李邦河院士等,还有王柔怀教授,齐民友教授等,把他们请来帮我们确定未来研究的方向。所以这个方向不是随便定的,也不能随便改动。方向这个东西就怕随便改,一旦改了就前功尽弃。到一定程度了需要改,要么是我们自己知道这个方向没有前途,或者是我们要往更高的、更有效点的地方发挥作用。这些是自己知道要改方向,否则,你指挥他改方向,是揠苗助长。所以我们要深深吸取过去的经验和教训,洪山会议的确帮助我们取得很大的成绩,如果没有这个方向,搞什么?知道了这个方向我们培养了很多人,比如朱熹平啊,他用他的强项搞几何,他搞几何靠的就是偏微分方程,他的几何不比别人强,他自己讲的,很多工具就是在我们武汉数理所受到的训练,他在武汉数理所做偏微分方程最后拿到杰青,后来搞到几何上,恰好和偏微分方程联系上了,他这个东西比搞几何的人强,这就是他的一个特长。所以他能把这个庞加莱猜想完整证明。

这就说明武汉数理所,我们这个方向定下来以后是行之有效、有成就的,这个方向我们还有很多强人:陈贵强现在是海外杰青、长江学者,在守恒律方面在国际上有极高声望;陆云光现在在哥伦比亚,还拿了个院士;曹道民,“百人计划”入选者,杰青;黄飞敏 ,王振都是那个时候培养起来的,他们后面做的方程是等温流,等温流做得极好,我自己觉得他们那个东西比我们等熵流的工作还要好。为什么?简单。他们的工作,整理以后都可以写到教科书上去。SIAM,叫美国工业与应用数学学会,给了他们2004年的奖,从2004年算起,2001,2002,2003前三年,SIAM所有的十几本数学杂志,里面所有的文章,选一篇理论的,做得好的,评一个奖,一篇计算类的评一个奖,还有一个应用的。他们就是那个理论的奖,说明人家欣赏他们的这个东西,也说明我们这样做下来肯定有成绩,而且我们这是一个系统,很多出去的都是骨干。所以就是按照我们那个方向做,不要随便触动它,就像说的,数学伯乐和千里马,千里马常有而伯乐不常有,认识人才,解放人才的人不常有,因此我们就要注意,不能随便瞎指挥,人才要爱护,方向也要爱护,不能随便给他打断,我们过去有很多这样的经验教训 。

我们刚提到Yang-Mills方程还有Navier-Stokes方程都是很大的交叉问题,如果对物理很感兴趣,我建议可以搞搞Yang-Mills方程看看,那也是有可能出大成果的。所以说Navier-Stokes方程我们一直在干,从50年代一直围绕着,不管是压缩的不可压缩的,粘性的或者没有粘性的,一直到现在我们还要坚持,也做了不少的工作,所以这个东西不能放弃,从根本上对我们国家有利。

还有一点应该说一下,冯康院士过去说过,如果单科搞不上去,交叉也搞不好。

今天讲Navier-Stokes方程讲了不少了,黎曼猜想我也讲两句,黎曼猜想也是一个很难的问题,我过去讲过,黎曼猜想现在国内也没有人在认真搞,他和素数分布是密切相关的,素数分布是一个很古老的问题,前人做的问题我们要关注,主要是函数论的东西。

中国人搞这个东西是有历史的,但是这个问题到现在还是解决不了。希尔伯特一开始不知道这个问题很难,所以他把这个问题给他的一个学生做博士论文,当然做不出来,但是搞出来了一套基本的积分方程的理论,是经典的。

哈代的六大愿望

还有一个就是英国数学家哈代(Hardy),他也对黎曼猜想特别有兴趣,他说他有六大愿望,

第一个就是解决黎曼猜想,一心想证明黎曼猜想。

另一个呢就是打球,他想在某一场板球比赛里得到冠军。

第三个呢,就是要证明上帝的不存在性,用数学去证明上帝的不存在性,这跟牛顿恰好相反,牛顿功成名就以后是要用数学去证明上帝的存在性,这当然是证明不出来的啊。

第四个心愿呢,就是做第一个攀登珠穆朗玛峰的人。

第五个心愿就是要当苏联,英国,德国的总统,哈代这个人搞数学的怎么想当总统呢,真是莫名其妙。

第六个心愿呢,就是要刺杀墨索里尼,墨索里尼是意大利法西斯头子啊。

希尔伯特也说过一句话,他说我死了以后,一千年以后,如果再活过来以后,我第一个感兴趣的问题就是问黎曼猜想解决了没有。

大数学家都很关心这个问题,对我们来讲,黎曼猜想还不是我们最感兴趣的,Navier-Stokes方程才是我们现在需要搞的,是交叉学科的大问题。我就讲这些吧,谢谢大家。

(根据录音整理修改,并经本人审阅)