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”(Kissing Number Problem)。
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(Schütte)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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