數學界的「無冕之王」:提出23個直擊數學家們靈魂的問題

原點閱讀 發佈 2022-09-28T05:42:25.830044+00:00

1900年8月8日,新世紀來臨的第一個盛夏,在巴黎大學的講演大廳里,正舉行國際數學家第二次代表大會。

1900年8月8日,新世紀來臨的第一個盛夏,在巴黎大學的講演大廳里,正舉行國際數學家第二次代表大會。

在講台前站立者,是一位中等個兒的蓄鬍學者,看樣子不到40歲,他那鏗鏘的聲音在整個大廳中迴蕩, 「在新世紀到來之際,我們當中有誰不想揭開未來的帷幕,看一看我們這門學科發展的前景和奧秘呢?引領下一代的數學思潮將追求什麼樣的目標呢?在廣闊而豐富的數學思想領域,新世紀又將會帶來什麼樣的新方法和新成果呢?」

講演者的三個設問和其後的有力回答,震撼著與會者的心,發言人就是全世界最具名望的德國數學家戴維·希爾伯特(Da-vid Hilbert)。

經過半年的縝密思考與精心的準備,希爾伯特的這份講演稿長達40頁,他根據19世紀的數學成果和未來發展的趨勢,提出了新世紀數學家應該努力解決的23個問題。

正如他經常對自己的學生所說的,「問題的完美提出,就意味著已經解決了一半。」事後證明,這些問題不僅具有開創性,對它們的研究也推動了世界範圍的數學發展,更成為新世紀數學發展的「制高點」。

在講演結束時,希爾伯特充滿激情並懷有無限希望地說:「數學是一切精確自然科學知識的基礎,為圓滿實現我們的崇高目標,讓新世紀給這門學科帶來天才的大師和無數熱忱的信徒吧!」

希爾伯特的這次歷史性演講,激發了世界數學界的無比想像力,更是對數學界的一個極大的鞭策與鼓勵。

人們普遍認為,一個數學工作者只要能解決希爾伯特巴黎演講中23個問題的任何一個,都是對數學科學的一個重大貢獻,隨著問題的解決,必將推動20世紀數學的發展。正如希爾伯特的好友,著名數學家閔可夫斯基所說,希爾伯特的這次演講「為新世紀數學發展提供了一份導航圖」。

1950年,希爾伯特演講的半個世紀之後,美國普林斯頓高等研究所的著名數學家,希爾伯特的學生赫爾曼·魏爾在美國數學學會的一次會議上,總結20世紀前半葉的數學發展史時說:「過去的50年,我們數學家正是按照這張導航圖衡量我們進步的。」

希爾伯特的數學之路是自然天成的。1862年希爾伯特生於東普魯士哥尼斯堡,這裡是眾多德國名人的出生地,德國哲學家康德、獲得諾貝爾化學獎的拉瓦赫、提出著名數學「猜想」的哥德巴赫以及著名數學家、愛因斯坦的老師閔可夫斯基等都出生在這座小城裡。

有人曾說,坐落在普雷格爾河上的哥尼斯堡本來就有數學的韻味,兩條支流共7座橋,使它產生了著名的「哥尼斯堡七橋問題」。這是四個有名的數學難題之一,後來由瑞士數學家歐拉解決,並由此開創了拓撲學的研究。

環境的薰陶、家庭的影響以及自身的稟賦,使希爾伯特從中學時代起,就對科學,特別是數學,產生了濃厚的興趣。

17歲時,他進入哥尼斯堡大學攻讀數學,在這裡與志同道合的閔可夫斯基建立了終生的友誼。1895年是他此生關鍵的一年,他來到德國的數學重鎮哥廷根,擔任哥廷根大學數學教授,直至退休。

在一片起伏的綠色丘陵地帶之間,簇擁著一座古色古香的小鎮。它的規模不大,人口不足12萬,崎嶇狹窄的石板路、低矮古老的紅頂房屋、安靜而質樸的風格,使其表面看來它與德國其他的小鎮別無兩樣,但若你駐足,不久就會發現這裡充滿著濃重的學術氣氛,它就是馳名世界的德國學術重鎮——哥廷根。

在老市政廳入口處,至今矗立著一塊銘牌,上面刻有一句拉丁文古語,一語點出了哥廷根小鎮的特色:「哥廷根之外沒有生活,即便有生活,亦非這般的生活。」哥廷根的生活該是什麼樣的呢?

這裡街道的名稱在無聲地向你做著解釋,它們都是以曾在這裡求學和長期工作過的學者命名的,高斯、韋伯、哈恩、黎曼、本生、普蘭特爾、普朗克、勞厄、維恩、玻恩、克萊因、希爾伯特、奧本海默……這些名字宣示著一種成就、一種精神、一種風範、一種人格,毫不誇張地說,這些人中無論是哪一位,若一個城市或一所大學只要擁有其中之一,就足以使它們成為人類文明史上抹不掉的一頁,而在這裡,他們群星璀璨般地相繼出現。

哥廷根精神注重「文人相繼」,克萊因與希爾伯特合作、希爾伯特與閔可夫斯基的配合、高斯與電磁學奠基人韋伯的合作、玻恩與弗蘭克在理論與實驗的長期搭檔、泡利與海森堡親如兄弟般的相助都是卓有成效的例子。1886年數學家菲利斯·克里斯蒂安·克萊因來到哥廷根,經過不懈地努力,他聘請了比他小13歲而且早已顯出過人天才的希爾伯特。

在當時的德國,有一個不言自明的「潛規則」,「一個地方在一個領域裡,不能有兩個以上的猶太學者」,但希爾伯特克服了重重困難,又聘請了年僅17歲就獲得全德數學大獎的猶太青年赫爾曼·閔可夫斯基。正是「文人相繼」的精神,使哥廷根的數學學派進入到全盛時期。

自從1895年3月希爾伯特來到這裡擔任教授之後,哥廷根的數學實力引起世界數學界的矚目。希爾伯特所開創的數學討論班吸引了世界範圍的數學家。對數學的深刻理解、高水準的授課內容、嚴謹的講課方式使他成為一個真正的數學教育家。在他講課時,授課大廳常聚集好幾百人,有的甚至坐在窗台上。

20世紀的著名數學家和物理學家,如維納、馮·諾依曼、玻爾、玻恩等人,都數度聆聽過他的教導。哥廷根成為全德,乃至全歐洲、全世界仰慕的數學朝聖之地,無可爭議的世界數學中心。在當時,全世界幾乎所有數學專業的學生,都心懷著一個夢想「打起背包,到哥廷根去!」因為那裡有希爾伯特。

在哥廷根,希爾伯特整整工作和生活了48年。他的不變量理論、代數數域理論、積分方程、引力論張量理論、積分方程變分法、華林問題、特徵值問題、希爾伯特空間等,無論哪個課題都稱得上是對數學的開創性貢獻。其中僅以他的名字命名的理論、概念和方法,諸如希爾伯特空間、希爾伯特模形式、希爾伯特環、希爾伯特變換、希爾伯特定理、希爾伯特程序等就有40個之多。

他的著作有《希爾伯特全集》,包括《數論報告》《幾何學基礎》《線性積分方程的一般理論》共三卷;此外還有與他人合作的《數學物理方法》《數理邏輯基礎》《直觀幾何學》《數學基礎》等。

他在巨著《幾何學基礎》中,把歐幾里得幾何學加以整理,並以此為基礎,提出了一個更嚴密而完整的幾何公理化體系。他的成果為20世紀初各個數學分支建立起了牢固的基礎,由此掀起了數學界的「公理化運動」,領銜起一個數學學派,成為19世紀末到20世紀初數學界的一面旗幟。希爾伯特是「數學天才中的天才」,他被尊為數學界的「無冕之王」。

然而高踞於數學頂峰上的希爾伯特,並不把數學看作「不食人間香火」的高寒聖地,他曾對自己的學生一再地說:「對任何一個數學理論,你要能面對街上走過來的第一個人,跟他說明白,那你才是真正弄懂了它。」

希爾伯特在宗教的環境中長大並接受過新教的洗禮,但後來他遠離了教堂,堅信數學真理是獨立於上帝或任何先知的假設而存在的。1930年希爾伯特正式退休,在這年9月8日,德國科學和物理學學會為他舉行了退休儀式。在會上作為答謝,希爾伯特先是引用了一句拉丁語名言:「我們不知道,我們也不可能知道」,然後他對這句名言作出了修改,給出了鏗鏘有力的應答,他說我們應當這樣說, 「我們一定知道,我們將一定能知道。」 如今,這句話已成為全世界數學家所熟知的名言,它是對後來者的激勵與鞭策。

遵照希爾伯特的生前遺願,在他去世後,墓前矗立著一塊墓碑,上面用拉丁語鐫刻著兩行文字, 「我們一定知道,我們將一定能知道。」

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文源:《科學史上的365天》,略有刪改

作者:魏鳳文 武軼

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