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Saturday, July 25, 2015

陶哲軒的不凡思路

The Singular Mind of Terry Tao (受朋友所托, 試譯)

陶哲軒的不凡思路

—神童如何成為大數學家 (怪獸家長注意,文章可能沒啥看頭!) 

今年四月,加州大學辦公室內,陶哲軒思索水會否爆炸。抽述水般流體活動的方程式,始乎沒有抺殺爆炸的可能。簡單來說,當足夠的能量聚集,拋一個錢幣入校園的水池,就會摧毁整個南加州。

數十年來,科學家都嘗試了解,這種爆炸會不會發生。陶氏希望用一個新方法來解決這個老問題。這個方法,據陶氏講,古怪猶如愛麗思夢遊仙境。(愛麗思夢遊仙境的作家Lewis Carroll,也是數學家。)

他說:「如果有個水做的機器,能自我繁殖,生出更小更快的下一代,最終有一代會去到極限,引發爆炸。」他一邊用手比劃,一邊笑着解釋:「我不是說有能力製造這種機器,只是作為思想實驗,用另一個角度考慮水爆炸的問題。」若然他能推導出這並非不可能,便順道解決了Navier-­Stokes global regularity problem,一個上百年的數學問題。(這條數學問題,是百萬美金千禧大奬的題目。)

陶氏身穿polo裇牛仔褲涼鞋,今年40。辦公室內:書桌在窗旁;黑板滿佈公式;梳化與牆邊有距離—好攞放上班用的單車;當然有個大書櫃,有很多書,包括 ‘‘Compactness and Contradiction’’ 及 ‘‘Poincaré’s Legacies, Part I’’—這是陶氏自少年時代出版的16冊書其中兩本。

生於南澳洲的陶氏,很早就成為新閒人物。家鄉的頭條: ‘‘TINY TERENCE, 7, IS HIGH-SCHOOL WHIZ.’’ (七歲小童唸中學),內文見陶氏蹲在椅上,才夠高用書桌,和他共用書桌的女同童年紀大他一倍。老師告訴記者,陶氏正在自學,比全班快兩堂。據說陶氏2歲時已懂閱讀。

報導之後數個月,還在學期中,陶氏升讀12班數學。三年後,陶氏成為史上最年青國際數學奧林匹克得奬者。之後,陶氏獲奬無數,包括MacArthur ‘‘genius’’ grant菲爾茲獎,後者更有數學諾貝爾奬之稱。今天,陶氏並認為是同期最出色的數學家。

陶氏告訴筆者,他對數學的認知,與兒時有很大的不同。「我成長時,早知我會做數學家,但卻不知甚麼是數學家。我以為是或者有個委員會,給我一些難題去解決。」真實是,做數學家與數學系學生有很大的分別。有些成績很好的學生,成不了好的數學家。由古至今,數學的真蒂並不需要做得快,而需要耐性及創意。有時要與人合作,有時又要即興。聽來,和音樂家差不多。陶氏認為,神童時代的他根本不是在做數學。只懂得彈奏技巧及樂理,並不表示懂得音樂。(我曾帶過三名中學生做暑期研究。沒有固定題目的思考,嚇怕了他們。)

十八世紀未的數學王子高斯,可能是有史以來最偉大的數學家,把很多研究成果收埋,認為世人並未能接受他的發現。他死後,後人才從他的遺物整理出一個個結果,以至他死後很多年還有論文發表。其他的著名數學家,如暴燥的牛頓,有幻覺的John Nash,及最近期謝絕一切奬項的隱居者Perelman,似乎都有點怪。

陶哲軒看來就太正常了!他寧願打份舒服的工,拒絕一些著名學府的招聘。他教書時,喜歡強調數學有趣的一面。他的學生捉狹說:「陶哲軒打破了荷里活天才學者的模型,他性格樂觀,生活正常,家庭和睦。肯定沒有人會拍電影講他!」(加州大學夠著名了罷?另外,其實九成天才,都是普通人一個)

天才的正常生活,源於正常的童年。儘管在外人看來,仍是不大正常。陶哲軒的父母來自香港,1971年移民澳洲,三年後誕下陶哲軒,之後還有兩個孩子。三兄妹經常一起玩耍,例如用不同棋類的配件,設計新的棋類遊戲。陶氏喜歡看幻想小說,上堂無聊時會畫幻想世界的地園。

陶氏8歲時,在SAT數學部分考獲760分,可以入大學了。但應該嗎?父母帶他到美國尋求協助。心理學家Julian Stanley建議,不要太急進,要有時間給陶氏發展正常的社交生活。在1985年,9歲的陶氏同時就讀中學及附近的Flinders University

即使以不要太急進的速度,陶氏還是在17歲完成碩士論文(‘‘Convolution Operators Generated by Right-­Monogenic and Harmonic Kernels’’) 並赴普林斯頓唸博士。陶氏的入學申請,包括來自Paul Erdos推薦信— 這位匈牙利數學家是近代最多產的數學大師。天才陶氏在普林斯頓的第一年,剛巧是三百年的費馬猜想被證實的一年,陶氏震驚地發現自已原來對很多數學領域一無所知!

尤如很多年青學生一樣,他晚上沉迷電腦遊戲 Civilization。(他現在避開電腦遊戲,因為太易沉迷。)他又與朋友去漫畫書店玩遊戲。這是他首次正式與同齡朋友交往,亦是他逃避普林斯頓讀書壓力的方法。事實上,陶氏與多數天才兒童一樣,害怕難以駕御的挑戰。他在Flinders University時,在量子物理一科,沒有準備,萬料不到要考量子物理的歷史,當場大哭被送離考場,結果當然不合格!

不過,陶氏還未有學乖。在普林斯頓,要通過三位教授的口試,才能繼續學業。口試的範圍很廣,通常要很多時間準備。陶氏又來個臨急抱佛腳,最終招架不來。據陶氏講,他當時覺得很對不起他的博士導師Elias Stein。事實上,過了口試,才是考驗的開始。

唸碩士有時還可以抄抄寫寫做論文,但唸博士卻要為數學增添新知識。新知識要靠嚴謹證明來支持。在尋找證明的過程中,你可能寫了很多很多紙,到頭來卻發現出了個邏輯問題,又要從頭試過。普林斯頓的Charles Fefferman,本身也是神童變成菲爾茲獎得主,把尋找證明比喻為與魔鬼博奕,不過遊戲方式很奇特:魔鬼技法超高,但你可以無限次數回棋;每次被魔鬼逼回,你就會試新的步法;若你足夠聰明,你終於會找到一絲擊敗魔鬼的曙光,但你仍然要面對很多次失敗。你可能需要一週,一月,一年去尋找證明。若你能夠成功寫完博士論文,表示你有聰明和毅力,去迎接研究的工作。

陶氏的研究,最著名的是關於質數,即只有兩個因數(1及自身)的正整數,如2,3,5,7和11。1不是質數,4也不是,6也不是。質數被視作數學的元素,任何一個正整數都可是分解為質數的積,例如12 = 2 x 2 x 3。

質數雖基本,但神秘。你永遠估計不到下一個質數出現在何處。有人甚至用音樂或詩篇去談論質數。質數連結很多不同的數學領域,假如量子力學。想象一個外太空的高等文明,他們不會懂說地球語言,但他們肯定知道質數及為之着迷。

陶氏的工作,源自法國數學家 Alphonse de Polignac於1849提出的雙生質數猜想:有無限對雙生質數。雙生質數即是相隔2的質數:5及7, 11及13,17及19,等等。在數線上,質數出現的頻率逾來逾小,雙生質數更是罕有,在2,237 及 2,239 之後,是2,267及2,269;在31,391之後 31,393,是31,511及31,513。順帶一提,古希臘的歐基里德早證明了存在無限的質數。 

當數學家面對不能應付的問題,他們會考慮相關但似乎較易的題目,期望得到靈感。陶氏於2004年與牛津Ben Green合作,解決了一個雙生質數的相關問題。他們證明了Green-Tao定理:存在任意長質數算術數列。例如,3, 7 及11是長度為3的質數算術數例; 11, 17, 23 及29是長度為4的質數算術數例。於當年二月,Green來加州大學探訪陶氏,討論兩個月,證明了這個定理。該證明使用了很多不同領域的數學,創造了新的證明技巧,給其他數學家很多新的思考方向。

與人合作是陶氏研涯生涯的特點。大部分數學家都非常專門,但陶氏卻很廣泛,喜歡從合作中學習並很到新發現。他的一個老友及多年研究夥伴Markus Keel,形容陶氏為 ‘‘The Matrix’’ 的Neo,可以瞬間下載新知識及運用。菲爾茲獎簡介中,提到陶氏對Horn’s conjecture的頁獻。據稱他在唸博士時,與朋友在打玩中途,完成證明。這是一個與他以往研究大為不同的領域。在菲爾茲獎簡介中,形容這是英語小說家,突然改行出版優等俄文小說!

Green-Tao定理亦是如此。Green是數論專家,陶氏原本是做調和分析。與魔鬼博奕,需要各種不同的手段,惟有從觀摩其他高手的證明才能學習。 合作是減少學習時間,亦行少了寃枉路。

陶氏與Green參考前人的證明,改正錯的,拋棄方向不同的,最終修成正果。 若要探討他倆的結果,不可以忽略其他人的貢獻,例如英國的Timothy Gowers與匈牙利的Endre Szemeredi;但這些人的工作又建基於更最期的Erdos, Klaus RothFrank Ramsey等等。數學就是這樣一代代承傳下來。

陶氏與Green研究的問題,已經流傳多年,且當年很多數學家認為短期內無法解決。是以Green-Tao定理的證實,出乎數學界意料。這天筆者與陶氏午饍,談及近來有關雙生質數猜想的突破。陶氏認為,這個百年猜想,可能在十多年內得到解決。(其中一個突破,來自可以做勵志片主角,年青時籍籍無名的張益唐。)

晚飯時筆者去了陶氏在校園西邊的五睡房屋子。陶氏本來要帶12歲的兒子去學琴,但結果兒子去了拍廣告片。他的兒子早已在汽車廣告中出現。當陶氏的妻子帶兒子回來時,四歲的女兒剛吃完晚飯,正在食甜品。女兒見到媽媽,從椅子走下來,高興地跑來跑去。

陶氏是數學界的建橋者,把不同領域的數學家連繫起來。他現在亦是一位勤力的博客,在網上討論不同的數學,亦不嗇談及他的研突進展。他又發起網上數學合作運動,希望集眾人之力,解決數學問題。陶氏,被譽為廿一世紀數學家的典範。(可惜,新人不好學陶氏,否則閣下的貢獻將被埋在眾多的合作者之間,不利求職!)

訪問陶氏其間,筆者注意到他唯一的數學家特徵:專注思考,以致善忘。他時常不見書,着錯衫,忘了穿襪子—所以他着涼鞋算了。近來,他在坐飛機時最能做數,因為其他時間很多人找他給意見。

陶氏的兒子唸六年級,開始從網上學習高等數學,但他最愛最作,尤其是神怪作品。他亦喜愛Minecraft,但近來發現頗難過關。在晚飯時,提及與朋友嘗試證明1=0,但發現原來0不能作分母。陶氏似乎反一反白眼。

證明1=0不會有甚麼成果。但敢於嘗試一些匪夷所思的想法,對數學很有用處。很久以前,數學家發明了-1的開方,並把這個子虛烏有的數稱為虛數。虛數是現代工程及物理的重要概念。

中小學的數學有誤導性。學生以為知道應用前人的方法很到答案,就是得到答案。但數學,是需要去實驗,去撞版。數學是一本創意藝術。據說,上世紀初最具影响力的數學家David Hilbert,知道有同事改行寫小說,回應:「確實,他不夠想象力做數學。」

數學是抽象。兩個蘋果及兩個橙,抽出共同之象就是2。但陶氏似乎抽得過了籠。據說,有次他在考慮一個新的變動坐標時,躺在地上轉來轉去觀看。陶氏笑說「我的姨姨剛好看見,但我解釋不了我做甚麼。」

陶氏最近關於水爆炸的工作,源於一位哈薩克的教授宣稱解決了Navier-­Stokes問題。陶氏看過後,肯定證明是錯了。他想進一步證明該教授的研究方向不可能解決談問題,所以深入去看,結果激發了他的想象力,一部會繁殖的水機器。數學未解決的猜想,同時是心理及數學的挑戰。陶氏一年前還認為Navier-­Stokes未能解,但今日卻覺得看到一線希望。當然,這個看似魔鬼的弱點,可能是另一個陷阱。陶氏說「做研究要學會懷疑,要小心翼翼。」

這就是數學的吸引力,亦是數學的可怕。局勢在暗地裡變動。遊戲在繼續.

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